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EV-WPT 磁耦合机构偏移特性优化设计

Offset Optimization Design of EV-WPT Magnetic Coupling Mechanism

【作 者】谭若兮

【摘 要】

电动汽车无线电能传输(Electric Vehicle Wireless Power Transfer,简称EV-WPT)系统是实现电动汽车以无线(非接触)方式接入电网进行充电的新型充电系统。为电动汽车实现便捷、安全、灵活的充电接入提供很好的解决方案。在EV-WPT系统中,最重要及典型的部件和环节是电磁机构,其功能是实现发射端与拾取端之间能量的无线传递,电磁机构的功率和效率的影响因素包括其结构特性和参数变量。在实际应用中,电磁耦合机构拾取端容易因为停车位置不准确而产生横向偏移;同时,不同汽车会出现纵向传输距离的较大偏差问题,这些横向及纵向的偏移问题必将导致电动汽车无线电能传输系统效率的降低以及拾取输出功率的不稳定。因此,为了提高系统正常工作的稳定性,设计出高效率无线传输的磁耦合机构是EV-WPT应用推广所必须解决的重要问题。

本文针对EV-WPT系统磁耦合机构的横向偏移和纵向偏移问题展开研究。以3.3kW的电动汽车无线供电系统为例,首先,利用COMSOL电磁场仿真软件,建立了磁耦合机构的有限元仿真模型,分析了常用线圈结构的磁场分布和偏移特性。提出了一种分组串绕线圈绕线方式及其参数优化设计方法,同时,对比分析了分组串绕线圈与常用密绕线圈的磁感应强度大小以及横向抗偏移能力。其次,为进一步提升系统纵向抗偏移能力,提出了一种凹凸型磁芯结构。针对线圈两端凸起磁芯高度、线圈两端凸起磁芯长度配比、磁芯长度、磁芯长度与宽度之间的约束关系以及磁芯厚度等主要结构参数,从互感及耦合系数等角度分别进行了分析和优化设计,并研究了磁芯优化变薄后的磁饱和特性,确保磁芯在远离磁饱和以及磁损耗较小时的结构的最优化。优化后的凹凸型磁芯结构在减小磁芯体积的情况下增加了纵向抗偏移能力,实现了更好的耦合特性,提高了系统功率传输能力。最后,在对线圈绕线方式及磁芯结构设计的综合分析的基础上,提出了一种“分组串绕线圈+凹凸磁芯”的复合型耦合机构,并对其磁场分布特性、横纵向抗偏移特性、互感、系统功率以及效率等参数进行了仿真分析与计算。在实验平台下制作复合型耦合机构实物并进行实验测试,通过仿真和实验测试验证了所设计耦合机构的可行性及在磁场分布及耦合特性方面的优势,使耦合机构在横向和纵向方向均较大幅度地提高了系统的抗偏稳能力,具在很好的实际应用价值。


【关键词】电动汽车,无线充电,耦合机构,偏移

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