随着近几年时代的发展，人们的生活条件有所改善，正因为生活条件的改善，所以近些年来，汽车行业愈加火爆。然而人类社会经济和现代文明的高速发展的同时，也带来了严峻的能源和环境问题，由于环境污染问题以及石油资源问题，节能和环保成为汽车技术发展的主题之一。在此背景下，电动汽车的发展越来越受到人们的重视。电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。其类型主要分为纯电动、燃料电池和混合动力型。相对于燃油车，电动汽车具有零排放、运行平稳、无噪声、汽车部件少、可靠性高等优势。目前，由于电池容量及充电基础设施等条件的限制，充电问题成为电动汽车发展过程中而临的最主要的瓶颈问题。

在此背景下，电动汽车的充电技术也迅猛发展。现阶段电动汽车的电池充电方式主要为接触式的充电方式。接触式的充电方式又有最基本的运用车载充电机的充电方式和快速充电的直流充电方式。车载充电机是纯电动汽车的一种最基本的充电设备，充电机会作为标准的配置固定在车内，用户可直接用标准的220V规格的电网电源供电，这种充电方式缺点非常明显，充电时间较长，但其对充电的要求并不高，充电器和安装成本较低；可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本；更为重要的优点是可对电池深度充电，提升电池充放电效率，延长电池寿命。因充电时间较长，可大大满足白天运作，晚上休息的车辆。快速充电，为能快速充满电的充电方法，通过非车载充电机采用大电流给电池直接充电，使电池在短时间内可充至80%左右的电量。此种方式多为直流供电方式，地面的充电机功率大，输出电流和电压变化范围宽。这种充电方式具有充电速度快的优点，但对电池寿命有一定的影响，特别是一些特殊的普通蓄电池不能进行大电流的快速充电，因为短时间接受大量的电量会导致蓄电池过热。除此之外，接触式的充电方式受到传统的插拔充电方式的限制，一台充电桩同时只能为一台电动车充电，充电桩输出的高电压会引起一系列安全问题，而且充电桩的管理维护难使得其难以在城市中推广，利用率不高。

由于无线充电技术可以解决传统传导式充电面临的接口限制、安全问题等而逐渐发展成为电动汽车充电的主要方式。静态无线充电与有线充电也存在着充电频繁、续航里程短、电池用量大且成本高昂等问题。特别是对于电动巴士一类的公交车辆，其连续续航能力格外重要。静态无线充电难以满足要求，在这样的背景下，电动汽车动态无线充电技术应运而生，通过非接触的方式为行驶中的电动汽车实时地提供能量供给。无线充电技术引源于无线电力输送技术。无线电力传输也称无线能量传输或无线电能传输，主要通过电磁感应、电磁共振、射频、微波、激光等方式实现非接触式的电力传输。根据在空间实现无线电力传输供电距离的不同，可以把无线电力传输形式分为短程、中程和远程传输三大类 。短程传输，通过电磁感应电力传输(ICPT)技术来实现。中程传输。通过电磁耦合共振电力传输(ERPT)技术或射频电力传输(RFPT)技术实现。远程传输。通过微波电力传输(MPT)技术或激光电力传输(LPT)技术来实现。现有的动态无线供电导轨大致分为以下几类:分立形式的连续单线圈结构、矩形长线圈型与双磁极型。磁耦合谐振线圈结构的设计直接决定了无线充电有效充电空间，并决定了接收端接收线圈水平移动时，两线圈之间的耦合因子特性。设计合理的线圈结构，根据理论分析和仿真掌握接收端线圈移动时的耦合因子特性，才能设计相应的控制策略保证动态无线充电的可靠性以及实现效率优化的目标。

国内外的研究现状分析

目前，新西兰奥克兰大学、日本东京大学、美国橡树岭国家实验室、韩国高等科学技术学院(KAIST)等国外研究团队己经对电动汽车动态无线供电相关的技术难点以及关键问题展开了一系列研究，主要集中在系统建模方法、电能变换拓扑结构、电磁藕合机构优化设计和电磁屏蔽技术等方而。美国橡树岭国家实验室针对电动车动态无线充电的藕合机构、传输特性、介质损耗、电磁辐射展开研究，其地而发射装置采用全桥逆变和串联的两个初级绕组，实验结果表明传输功率和效率受电动汽车位置影响较大。日本东京大学提出基于直流/直流变换器的副边最大效率控制方法，通过原边等效阻抗实时在线估计藕合系数，利用前馈控制器改变DC/DC变换器输入占空比实现最大效率控制。在轨道列车的无线供电技术方而，韩国铁道研究院(KRRI)对整个轨道列车无线供电系统进行了设计研究，并做出了功率1 MW、轨道长128 m的实验装置。藕合机构采用发射端长直导轨，通过两个小U型磁芯增强藕合性能，由于轨道较长，电感较大，为减小电容电压应力，将电容分散在发射线圈中。此外德国庞巴迪在电动汽车、有轨电车无线供电领域也处于较为领先的水平，由于商业化的原因，其相应的技术资料较少 。国内几所较早开展与动态无线电能传输技术相关研究的高校主要包括华南理工大学、湖南大学、中国矿业大学、南京航空航天大学、上海交通大学、东南大学、天津工业大学、重庆大学、中科院电工所、西南交通大学、哈尔滨工业大学等。这些高校前期研究主要集中在大功率电力电子电能变换与拓扑设计、磁耦合机构优化设计、系统建模优化与控制、系统复杂动力学行为分析与控制、能量和信息同步传输、负载识别与异物检测、电磁兼容与电磁屏蔽等技术方而，相关理论、技术难点以及关键问题的研究己经取得一定成果，并且己经研制出原理样机。东南大学对动态无线能量传输的原副边线圈尺寸对传输效率以及侧移的影响进行深入研究，并提出基于频率控制的方法达到系统能量传输效率最优。天津工业大学基于耦合模理论基础，分析了运动状态下的高速列车无线供电系统发射线圈与接收线圈固有谐振频率的变化对系统传输效率的影响，提出了一种可调节发射端功率因数的频率跟踪控制技术，并于2013年提出将动态无线能量传输技术应用于高速铁路列车充电的设想，建立了高铁充电沙盘模型，受到广泛关注。重庆大学提出了参数识别理论，以改善原边控制时副边参数难以调整的问题，在此基础上建立了系统的能量流动模型。虽然世界各国研究机构仍在不断深入研究电动汽车动态无线供电技术，并且不断推进相关理论和技术研究的发展，但是其中依旧存在一定的关键技术需要研究，其中包括磁耦合机构设计与优化、系统鲁棒控制技术、电磁兼容技术研究，以便最大限度提升系统工作性能，保证系统的安全、可靠、稳定、高效运行。

2. 研究的基本内容与方案

本课题的任务是电动汽车动态无线充电系统磁性元件的设计和仿真。磁性元件通常由绕组和磁芯构成，它是储能、能量转换及电气隔离所必备的电力电子器件，主要包括变压器和电感器两大类。

磁耦合谐振式无线电能传输是众多无线电能传输技术中的一种，但因其传输距离远、效率高、功率大，潜在的实用价值极高。采取磁耦合谐振的原理，利用补偿电路网络与谐振线圈组成的谐振电路来提高能量的有效耦合及传输效率。磁耦合谐振对无线充电的有效充电空间有极大影响。当电动汽车上的接收线圈移动时，两线圈之间的耦合特性也由此决定。只有合理的线圈结构才能确保动态无线充电的效率及可行性。同时使用3D有限元分析仿真软件ANSYS Maxwell设计与优化谐振线圈结构和参数，确保所设计的线圈能够有较高的传输效率与传输距离。

拟采用两个矩形线圈组成的线圈结构，称为双矩形谐振线圈。整个磁能传输耦合装置由谐振线圈、铺设在线圈下面的磁芯、用作磁场屏蔽的铝板构成。两个矩形线圈以串联的方式连接在一起，通过交流电流产生磁场传递能量。线圈上流过的交流电流每个周期会变换两次方向，两个矩形线圈产生相应方向的磁通串在一起形成相对于单个线圈分布范围更广磁场强度更大的磁场。双矩形结构的线圈利用了磁通管，部分线圈和线圈下方的磁芯一起构成了磁通管。磁通管的作用在于利用线圈的合理绕制以沿着磁芯长度最大化的引导磁通路径的高度从而能增大与接收端接收线圈的耦合程度。

谐振补偿网络拟采用LCC电路补偿网络。动态无线充电的谐振补偿电路通常有以下四种，分别是串联串联、串联并联、并联串联和并联并联。LCC电路补偿网络是磁耦合谐振电路补偿网络中非常普遍也是很实用的一种，其电路拓扑结构图如图所示：