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原文传递电动汽车无线充电磁耦合机构互操作性评价与提升技术研究

论文题名：	电动汽车无线充电磁耦合机构互操作性评价与提升技术研究
关键词：	电动汽车;无线充电;磁耦合机构;互操作性评价;最优电流比
摘要：	电动汽车无线充电(Wirelesselectricvehiclecharging,WEVC)技术因其安全性好、便捷度高等优点而蓬勃发展。不同类型无线充电产品之间的互操作性是影响技术普及的重要因素。互操作性指不同地面设备和车载设备匹配时系统以规定效率输出额定功率的能力。作为能量传输的核心，磁耦合机构是实现互操作的关键，准确评价和提升其互操作性具有重要的理论意义和实用价值。相比于直接通过地面与车载产品匹配的功率效率评价互操作性的传统方法，以基准磁耦合机构为标尺，将产品互操作性评价转化为产品与基准磁耦合机构互操作性评价是提升评价标准化的有效手段。然而，该技术目前面临基准磁耦合机构如何设计和校准、如何保证互操作性评价的全面性和准确性、如何增强不同类型磁耦合机构互操作性等问题。本文针对上述问题，以矩形磁耦合机构为例，从基准磁耦合机构设计方法、基准磁耦合机构等效性验证、互操作性评价方法、互操作性提升策略四方面开展研究。　　针对基准磁耦合机构设计问题，首先分析基准磁耦合机构的设计目标及约束条件。与一般磁耦合机构设计不同，基准磁耦合机构不要求某个指标最优，但需要在特定约束下实现多项指标相对优化，以保证设计方案的基准性。分别给出符合和超过现有国家标准功率等级的基准磁耦合机构设计约束条件及设计流程。选择耦合系数、总损耗和重量为设计目标，以国标WPT1/Z3功率等级为例提出可推广至不同功率等级的基准磁耦合机构设计方法。为改善设计中绕组、磁芯和铝板对输出特性的非线性影响难以定量分析的问题，一方面通过三维磁路建模的方法建立互感和耦合系数表征模型，另一方面提出基于镜像电流等效的含磁芯绕组损耗近似计算方法，在此基础上得到基准磁耦合机构损耗解析模型，揭示了最优设计参数来源，避免了设计中大量有限元仿真。实验证明设计方案分别实现耦合系数、损耗和总重量三项指标不同幅度优化，所提设计方法可为不同功率等级基准磁耦合机构的设计提供理论参考。　　针对参数不同的基准磁耦合机构等效性验证问题，本文分析基准磁耦合机构之间等效性的内涵，研究得到等效性可通过与国家标准磁耦合机构互操作时的输出一致验证。在此基础上定义基础互感特征值CFMI，提出基于CFMI的地面发射设备与国标等效性验证方法及其判据，接收端的等效性验证可对称处理。研究了使用量规设备测量基础互感值并计算CFMI的方法，以解决磁参数不易测量的问题。以WPT1/Z3为例，为提升标准偏移范围内基础互感被测值和国标值相对变化量的一致性，对量规设备结构参数进行了设计，提出一种基于PCB线圈的简化量规设备。实验表明所提验证方法及量规设备可有效验证磁耦合机构发射端用于互操作性评价时与国家标准的等效性。　　针对现有互操作性评价方法评价判据不全面、评价结果准确性低等问题，本文引入表征系统谐振特性和负载特性的失谐因子与负载因子，提出基于双因子的端口阻抗评价法。建立双因子与系统功率、效率和电流限值的数学关系，基于国家标准限值确定可互操作的双因子区域及其边界函数，进一步得到基于双因子的互操作性评价判据。针对阻抗测量时高频信号相位差测量误差较大的问题，提出基于功率正交分解算法的高精度阻抗计算方法，以输入功率正交分量代替相位差测量值，进一步提升评价结果的准确性。实验证明所提方法有助于提升端口阻抗法的阻抗计算精度和互操作性评价的准确性。　　在上述研究基础上，针对不同类型磁耦合机构互操作时功率、效率严重下降的问题，研究基于磁通调控的互操作性提升策略。对于产品线圈类型固定的应用场合，以应用最广泛的矩形和DD型磁耦合机构为例，提出一种发射端位置自适应匹配方法，通过输入电流判断发射端位置，设计扰动观测算法引导发射端移动至磁通高效耦合区，保证互操作时的能效特性。对于产品线圈可自由设计的应用场合，提出一种双线圈交叠式可重构发射端和基于最优电流比的功率效率协同控制策略。根据接收端类型和位置调控磁通幅值与方向，使发射端在国标偏移范围内与不同接收端互操作时始终以最优效率输出额定功率。
作者：	杨光
专业：	电气工程
导师：	朱春波;宋凯
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2022