摘 要

随着科学技术的发展，越来越多的电子设备出现在了人们的生活中，如智能手机、电动汽车等。这些产品极大的便利了人们的生活，但随之而来的电能传输与存储问题成为了困扰人们的一大难题。常用的传统电能传输方式为有线充电方式，这种方式虽然效率高，但也存在线路老化、占用空间、充电不够灵活等问题，而且其有线电气连接在接入和接出时存在漏电等安全隐患。为解决上述问题，无线电能传输技术（WPT）逐渐走进人们的视野。

无线充电技术是近年来流行起来的新型充电方式之一，无线充电技术利用电磁场将能量从发射端以空气为介质传输的接收端，实现了电能的无线传输，突破的传统的有线充电方式，使充电更加的灵活、安全、方便。摆脱线缆的束缚是人们对电子设备的终极梦想，但距离无线充电技术的普及仍有很长一段路要走，其传输距离、传输效率、传输速度等都有待提高，成本高、技术难、尚未形成的统一的无线充电标准等都限制了该技术的发展，但作为未来灵活的充电方式，对其进行探索是很有必要的。

无线电能传输在充电式电动汽车、植入电子药疗、智能电子产品、日常家电等多个领域都具有较大的应用前景，本文重点阐述无线充电技术在电动汽车领域的应用前景，及该技术对电动汽车的发展和普及所起到的重要作用。随着能源与环境形势的日益严峻，电动汽车的研究与应用也越来越广泛，电动汽车的普及对解决能源与环境问题具有重要的推动作用。限制电动汽车发展和普及的一个重要因素是充电问题，电动汽车的充电问题是困扰其大规模产业化的关键所在，所以无线充电技术在电动汽车领域的应用是推动电动汽车发展的重要抓手。

目前电动汽车主流的无线充电方式是谐振式无线电能传输方式，本文分析不同方法的电动汽车无线充电基本原理，拟从谐振式无线能量传输原理角度对无线充电的拓扑结构进行详细分析，完成理论推导和Matlab建模，完成无线充电系统仿真与分析，并重点分析影响无线充电系统效率的因素。

关键词: 无线充电；电动汽车；电磁感应；谐振式无线电能传输

Abstract

With the development of science and technology, more and more electronic devices appear in people's lives, such as smart phones, electric vehicles and so on. These products have greatly facilitated people's lives, but the subsequent problems of power transmission and storage have become a major problem puzzling people. The traditional way of power transmission is wired charging. Although this way is efficient, it also has some problems, such as line aging, occupying space, charging is not flexible enough, and its wired electrical connection has potential safety hazards such as leakage during access and access. To solve these problems, wireless power transmission technology (WPT) has gradually come into people's vision.

Wireless charging technology is one of the new popular charging methods in recent years. Wireless charging technology uses electromagnetic field to transmit energy from the transmitter to the receiver with air as the medium, realizing the wireless transmission of electric energy, breaking through the traditional wired charging mode, making charging more flexible, safe and convenient. Getting rid of cable is the ultimate dream of people for electronic equipment, but there is still a long way to go for the popularization of wireless charging technology. Its transmission distance, transmission efficiency, transmission speed and other aspects need to be improved. High cost, difficult technology, and yet to form a unified wireless charging standard all limit the development of this technology, but as a flexible charging mode in the future, it is necessary to explore it.

Radio power transmission has great application prospects in many fields, such as charging electric vehicles, implanted electronic pharmacotherapy, intelligent electronic products, daily household appliances, etc. This paper focuses on the application prospects of wireless charging technology in the field of electric vehicles, and its important role in the development and popularization of electric vehicles. With the increasingly severe situation of energy and environment, the research and application of electric vehicles are more and more extensive. The popularization of electric vehicles plays an important role in solving the problems of energy and environment. One of the important factors restricting the development and popularization of electric vehicles is the charging problem. The charging problem of electric vehicles is the key to the large-scale industrialization of electric vehicles. Therefore, the application of wireless charging technology in the field of electric vehicles is an important grasp to promote the development of electric vehicles.

At present, the main wireless charging mode of electric vehicles is resonant radio power transmission mode. This paper analyses the basic principles of different methods of wireless charging for electric vehicles. It intends to analyze the topological structure of wireless charging in detail from the perspective of resonant wireless energy transmission principle, complete theoretical derivation and Matlab modeling, complete the simulation and analysis of wireless charging system, and focus on the analysis of factors affecting the efficiency of wireless charging system.

Key words: wireless charging; electric vehicle; electromagnetic induction; resonant radio power transmission

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2无线充电技术简介 2

1.3电动汽车发展现状和研究热点 4

1.4本文主要工作 5

第2章 无线充电原理与等效模型分析 7

2.1引言 7

2.2电磁感应式无线充电模型与特性分析 7

2.2.1电磁感应式无线充电简介 7

2.2.2电磁感应式无线充电系统的构成 8

2.2.3电磁感应式无线充电相关参数分析 9

2.3磁耦合谐振式无线充电模型与特性分析 10

2.3.1磁耦合谐振式无线充电模型 10

2.3.2磁耦合谐振式无线充电相关参数分析 11

2.4无线电波式无线充电模型和特性分析 12

2.4.1无线电波式无线充电模型 12

2.4.2无线电波式无线充电特性分析 12

2.5无线充电技术的对比和发展趋势 13

第3章 谐振式无线电能传输系统理论分析 15

3.1引言 15

3.2谐振式无线电能传输系统简介 15

3.3谐振式无线电能传输系统拓扑结构 16

3.3.1系统原副边补偿结构分类 16

3.3.2系统原边串联谐振电路分析 17

3.3.3系统原边并联谐振电路分析 18

3.4 SS拓扑结构谐振电路分析 19

3.5 SP拓扑结构谐振电路分析 20

3.6两种拓扑结构传输效率对比 22

3.6.1 SS拓扑结构传输效率曲线 22

3.6.2 SP拓扑结构传输效率曲线 23

第4章 磁共振无线电能传输系统影响因素分析 26

4.1引言 26

4.2基于simulink的系统模型搭建 26

4.3振荡频率对系统传输效率的影响 27

4.3.1 基于simulink的系统仿真实验 27

4.3.2 仿真结果分析 28

4.4耦合系数k对传输功率和效率的影响 28

4.4.1基于simulink的系统仿真实验 28

4.4.2基于理论推导的关系曲线 29

4.4.3 仿真结果分析 31

4.5负载阻值对传输功率和效率的影响 32

4.5.1基于simulink的系统仿真实验 32

4.5.2基于理论推导的关系曲线 33

4.5.3仿真结果分析 35

第5章 结论 36

5.1全文总结 36

5.2工作展望 36

参考文献 37

致 谢 38

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

随着科技的不断发展，许许多多的用电产品出现在人们平时的生活中，这些产品的使用都离不开电能^[1]，有的是充电后使用，有的需要插电使用，无论哪种方式都受到电能传输的限制。移动的充电式电子设备受充电位置和充电设备限制，固定的插电式电子设备受插座位置限制。不仅如此，随着使用时间的增长，或多或少都会出现线路设备老化的问题，出现漏电等安全隐患。以上各种限制和问题促使人们发展一种无需电气连接的能量传输方式，从线缆充电过渡到无线充电。

无线充电技术是当前比较热门的研究之一，该技术在电动汽车、医疗、电子产品、日常家电等多个领域都有所应用^[2]。在医学领域，一些植入式仪器设备在其电能耗尽后可利用无线充电技术进行充电；在电动汽车和电子产品领域，无线充电可以作为一种灵活新型的充电方式，使人们的生活更加便利；在日常家电领域，无线电能传输技术起到了减少线缆的作用，为用户省出一定空间。相比其他领域的无线电能传输技术的应用，电动汽车领域对该技术的需求尤为迫切。

随着经济的发展，环境问题日益严重，其中最主要的问题是气候变化和空气污染。而大量燃油汽车的生产使用，使这些问题越来越严重。由于过度开采资源，能源越来越紧张。专家和学者正在考虑开发新的清洁能源^[3]。在这种情况下，电动汽车利用自身优势，从而获得了更多的推广和应用。

虽然电动汽车的应用前景光明，但电池技术限制了它的发展，其充电和续航问题尚未得到充分解决^[4]。要想使电动汽车真正发展普及，成为主流的交通运输工具，为大众所接受，就要解决其电池体积大容量小和充电效率低等问题，这些问题制约了电动汽车的发展。因为材料和技术等原因，有关电池技术的相关进展仍在探索中，因此如何提高电动汽车的充电效率、缩短其充电时间以及提升充电便利性得到了广泛的关注和研究。在我国对充电基础设施的建设已经走在了世界前列，但还是无法满足人们的需求。在使用有线方式给车辆充电过程中，若任意一个连接部位出现线路老化或裸露情况，则极易发生安全事故。因此，发展一种方便安全的新型充电方式成为了人们迫切的需求。而无线充电技术刚好可以满足人们的需求，可以用来解决电动汽车的充电问题，相比于传统常用的充电桩充电方式，它没有使用缆线作为电能传输的媒介，所以避免了在操作时因为电气连接存在的安全隐患。而且对比充电桩充电方式，无线充电没有安装场地限制，显得更加灵活方便。有线充电与无线充电两种充电方式的对比如表1.1所示。

表1.1 有线充电方式与无线充电方式对比

1.2无线充电技术简介

电流的磁效应和法拉第电磁感应定律的发现，揭示了电与磁的统一和它们之间的相互关系，为麦克斯韦电磁理论的形成奠定了坚实的理论基础^[5]。随着人们对电与磁认识的不断加深，促使无线电能传输的设想成为可能。早在一个世纪以前，有关无线电能传输技术的设想和概念便已出现。

图1.1 特斯拉和沃登克里弗塔

有关无线电能传输的概念最早由美籍科学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出，说到特斯拉，我们第一想到的便是他的交流电，交流电的使用让人类文明往前跨了一步。早在1890年，特斯拉就做了有关无线充电的实验。特斯拉致力于对洲际电力无线输送技术的研究，为了验证自己的设想和无线电能传输理论的科学性，这位开创者不计成本的进行了一系列的实验，并且以此为设想建造了沃登克里弗塔，如图1.1所示（图左为特斯拉本人，图右为沃登克里弗塔）。但受限于当时的理论知识水平和基础工业水平，以及特斯拉本人无法承担的高昂的研究费用，最后实验并没有成功。虽然这个实验失败了，但这并不妨碍特斯拉在无线电能传输领域做出的卓越贡献。

2007年，MIT的Andre Kurs^[6]团队将共振技术运用到电磁波的传输上，成功点亮一个两米外的60W灯泡，如图1.2所示。同年该团队在《science》杂志上发表了关于此项研究的论文，使得此项技术取得了一定程度上突破式的发展。

图1.2 MIT无线电能传输实验

无线充电技术又称无线电能传输技术，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输^[7]。

表1.2 三种无线充电方式对比

目前主流的无线充电技术按原理主要分为三种：无线电波式无线电能传输、电磁感应式无线电能传输、磁耦合谐振式无线电能传输^[8]。三种无线充电方式的对比如表1.2所示。

1.3电动汽车发展现状和研究热点

国际能源局（IEA）近期发表的研究报告“全球电动汽车展望2018：多交通方式的电气化发展”（Global EV Outlook 2018:Towards cross-modal electrification）^[10]对电动汽车的发展现状进行了回顾统计，并对发展趋势进行了预测。这份报告指出在交通运输领域，车辆的电动化已逐渐成为一种潮流。电动汽车利用来源多样化的电能取代传统化石能源，不但可以显著提高能源转化效率，而且有助于减少温室气体排放、改善空气质量、降低噪声污染。自2012年国务院颁布实施《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2022年）》（国发[2012] 22号）^[11]以来，国家的支持极大地促进了新能源电动汽车的发展。新能源汽车在中国即将进入高质量发展时代，未来在中国将实现全面汽车电动化。

图1.3 纯电动汽车月度销量柱形图

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