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电动汽车无线充电系统磁耦合机构优化设计及电磁安全研究
| 论文题名： | 电动汽车无线充电系统磁耦合机构优化设计及电磁安全研究 |
| 关键词： | 电动汽车;无线电能传输;线圈优化;磁芯设计;电磁安全 |
| 摘要： | 近年来随着电动汽车的快速普及，电动汽车充电技术的发展也受到了越来越多的关注。与有线充电方式不同，无线充电技术通过非物理接触方式进行充电，有利于提高系统的可靠性、灵活性、自动化与智能化。用于传递能量的磁耦合机构构成了无线充电能量传输的基础与核心，其设计合理与否直接关系到系统的传输性能与周边电磁安全。针对磁耦合机构的优化与设计，本文主要从线圈优化设计、磁芯损耗优化及电磁安全三方面展开研究，为无线充电系统的工程设计提供理论依据。本文主要工作如下： 对比分析了基于不同技术原理的无线电能传输方式，确定适用电动汽车的无线充电技术；基于电路理论计算分析了无补偿结构线圈的功率损耗，对比了四种常见拓扑结构的特性，计算分析了串串结构充电系统传输功率与效率，分析了系统最大传输效率的影响因子，并确定了耦合系数与功率及效率的关系。 为了比较不同结构线圈传输性能，利用COMSOL软件比较分析了相同占地尺寸下圆形、方形、矩形、DD线圈在不同气隙与偏移下的耦合性能。重点分析了方形线圈导线直径、匝数、内边长与外边长对线圈耦合性能的影响，并基于系统最大传输效率影响因子提出了线圈参数设计方法。最后，利用Simulink软件构建无线充电系统仿真模型，仿真结果表明该方法所设计的系统交流-交流传输效率达到了97%，验证了该方法的有效性。 对比分析了相同磁芯用量下，网格状磁芯、平板磁芯与条状磁芯的损耗及对线圈耦合系数的影响，结果表明平板磁芯有更好的性能。继而，分析了平板磁芯外尺寸、厚度和与线圈之间距离对磁芯损耗和耦合系数的影响。针对平板磁芯内部磁感应强度分布不均匀、损耗较大，提出了磁芯优化方法，并设计了阶梯型磁芯，结果表明在磁芯质量与耦合系数不变情况下，磁芯总损耗由13.27W降到9.51W，约减少了28.3%。 构建了11kW无线充电电磁仿真环境，研究分析了带有磁屏蔽结构线圈不同位置下不同姿态人体整体及其主要器官的电磁暴露情况，并分析了线圈偏移与铝板的影响，结果表明：人站在车外受到的电磁辐射远高于坐在车内，由于人体表面保护作用，人体内器官所受到电磁辐射较小。线圈偏移时人体受到的电磁辐射最严重，最大磁感应强度出现在脚踝处，达到26.88μT，约为标准27μT的99.6%，添加铝板可以有效抑制线圈的电磁辐射，最大磁感应强度下降到12.2μT。研究结果有助于指导电磁屏蔽结构设计。 |
| 作者： | 崔金龙 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 张新锋;王晓岚 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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