基于三维磁场分析方法的电动汽车感应耦合式非接触电能传输系统研究

The theory and technology of contactless power transmission with high adaptation and efficiency provide an important guarantee for the development of the wireless charging of Electric vehicles (EVs). In order to bring about an inductive coupled contactless power transmission system of EVs with advantages of having a wide gap, high horizontal misalignment tolerance and high efficiency, this project use three-dimensional magnetic field analysis method and polyphase orthogonal technology in the research of inductive coupled contactless power transmission system of EVs. This project will establish a surface model of equal magnetic vectors and discuss the relationship between air gap and horizontal misalignment tolerance in contactless power transmission system. Furthermore, this project will focus on the optimization of polyphase orthogonal windings’ structure which can achieve high adaptation and efficiency. Moreover, this project will also research the topologies and control strategies of adaptive compensation of contactless power transmission system which is based on a controllable reactor with orthogonal magnetization.

高适应性、高效性的非接触电能传输理论与技术是电动汽车非接触充电发展的重要保障。本项目面向电动汽车感应耦合式非接触电能传输系统，应用三维磁场分析方法和多相正交方法，以期实现适应宽气隙范围和高水平错位耐受量、高效率的电动汽车多相正交绕组感应耦合式非接触电能传输系统。建立基于三维磁场分析的等磁位矢量面模型，给出非接触电能传输系统中气隙高度和水平错位耐受量之间的关系，重点研究能够实现高适应性的高效电能传输的多相正交绕组优化方案，研究基于正交磁化式可变电抗器的松散耦合变压器自适应补偿和控制策略，实现高适应性、高效的电动汽车非接触电能传输系统。

本项目以静止式的电动汽车无线电能传输为研究对象，基于三维磁场分析方法和多相正交方法针对松散耦合变压器、高频补偿网络、系统效率优化等方面进行深入研究，以期实现具有高适应性、高水平错位量、高效率的非接触式电能传输系统。基于三维磁场分析方法优化松散耦合变压器的设计，提出了一种基于垂直耦合理论的非均匀线圈绕制的设计与优化方法，通过在螺线管线圈背部增加引导磁芯优化屏蔽结构设计，并且基于非完全谐振补偿的工作条件优化系统频率。提出了一种基于新型磁阻模型的磁芯损耗建模方法，并基于利兹线绕组的高频损耗模型对绕组损耗的分析与测量方法进行研究，给出无线电能传输系统的优化设计方法。基于三维磁场分析方法提出了一种具有高水平错位偏移特性的耦合变压器设计，并且给出了相应高频补偿拓扑及电路设计的匹配条件以及一种变模态的系统控制方法。基于多相正交的设计方法给出了一种多相多磁路正交绕组单元的无线电能传输方案，以实现大功率无线电能传输系统的高适应性和高水平偏移特性。基于可变电抗器的设计原理，给出了一种具有自适应补偿特性的无线充电系统设计方法，以实现系统对于宽偏移范围和宽负载特性的自适应补偿，从而进行功率的高效传输。提出了一种具有恒压恒流输出特性的无线电能传输异构谐振补偿网络，其对宽负载的变化范围具有较好的适应性，进而实现针对锂电池负载的恒压恒流充电的自然切换特性。在对双向无线电能传输系统进行功率传输特性建模的基础上，给出了谐振参数失调对功率传输特性的影响分析，进而提出了一种基于功率测量的双向无线电能传输系统控制方法，实现稳定可靠的功率传输控制。本项目的研究成果为电动汽车无线电能传输系统的效率及偏移兼容性的优化设计提供了解决途径。