摘 要

近年来随着科技的发展，汽车变成了人们日常生活中不可或缺的部分，传统汽车由于对环境污染较大，且今年来资源短缺。因此环保节能的电动汽车应用越来越广泛。在此背景下，使用者对电动汽车相关性能有了更高的要求。电动汽车充电技术就是其中一个瓶颈问题，相比于接触式充电，电动汽车无线充电技术因其安全可靠且能提高电动汽车的续航能力，得到大力发展。线圈的设计是电动汽车无线充电的关键部分，对系统性能有着极大的影响。本文对基于磁耦合原理的无线充电系统的磁性元件进行了研究，包括其仿真与设计。主要研究内容如下：

介绍了电动汽车无线充电的线圈设计，概述了其基本结构以及各种结构的特性。对磁芯的材料以及磁芯结构进行了分析，设计主线圈、谐振电感，进行参数计算、仿真计算。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，包括线圈的设计、线圈偏移、磁芯结构以及磁芯位置。确保所设计的线圈能够有较高的传输效率与传输距离。

关键词：电动汽车，无线充电，线圈设计，3D有限元仿真

Abstract

In recent years, with the development of science and technology, automobiles have become an indispensable part of people's daily life. Traditional cars are polluted by the environment and there is a shortage of resources this year.Therefore, environmentally-friendly and energy-saving electric vehicles are becoming more and more widely used.In this context, users have higher requirements for electric vehicle related performance.Electric vehicle charging technology is one of the bottlenecks. Compared with contact charging, electric vehicle wireless charging technology has been developed vigorously because of its safety and reliability and the ability to improve the battery life of electric vehicles.The design of the coil is a key part of the wireless charging of electric vehicles and has a great impact on system performance.In this paper, the magnetic components of the wireless charging system based on the principle of magnetic coupling are studied, including its simulation and design.The main research contents are as follows:

The coil design of electric vehicle wireless charging is introduced, and its basic structure and characteristics of various structures are summarized.The material of the magnetic core and the structure of the magnetic core were analyzed, and the main coil and the resonant inductor were designed to perform parameter calculation and simulation calculation.At the same time, 3SYS finite element analysis and simulation software ANSYS Maxwell was used to design and optimize the resonant coil structure and parameters, including coil design, coil offset, core structure and core position.Ensure that the designed coil has a high transmission efficiency and transmission distance.

Keywords: electric vehicle, wireless charging, coil design, 3d finite element simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1. 研究背景及意义 1

1.2. 国内外研究现状 1

1.3. 主要研究内容 3

第2章 电动汽车无线充电技术 4

2.1. 电动汽车无线充电技术分类 4

2.2. 电动汽车动态无线充电技术整体结构分析 6

2.3. 本章小结 6

第3章 无线充电磁性元件的结构 8

3.1. 电感线圈 8

3.1.1. 线圈的材料 8

3.1.2. 线圈的形状 8

3.2. 磁芯分析 11

3.2.1. 磁芯材料 11

3.2.2. 磁芯结构 12

3.2.3. 磁芯损耗 15

3.3. 本章小结 15

第4章 磁性元件的仿真及结果分析 16

4.1. 仿真平台简介 16

4.2. 线圈结构设计与仿真分析 16

4.3. 本章小结 24

第5章 全文总结及展望 25

5.1. 全文总结 25

5.2. 展望 25

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

研究背景及意义

随着近几年科技的发展,人们的生活方式发生了翻天覆地的变化。然而在传统汽车为人们带来极大便利的同时,同时带来了严峻的能源和环境问题。举例来说,近代在洛杉矶,随着当时工业发展，全城拥有大量汽车,这些汽车每天都要消耗大量能源，排放出大量有害物质。这些有害的化学物质在太阳紫外线的作用下产生了新的物质,生成有害的光化学烟雾。在1953年和1955年洛杉矶由于光化学烟雾导致了大量的伤亡,为此付出了极为惨痛的代价^[1]。而电动汽车有零排放、噪声污染小、汽车部件小、可靠性高等优点,大力发展电动汽车,能够有效的缓解环境污染和能源短缺的问题。目前,由于电池容量及充电设施等条件的限制,充电问题成为了电动汽车发展过程中的瓶颈问题。

在此背景下,电动汽车的充电技术也有了及其迅速的发展。现有的电动汽车充电方式主要有接触式充电。大多数采用的是通过充电桩充电,在停车场等地建设充电桩,以此来给电动汽车充电。但是这种充电方式依然受限于传统的插拔方式，一个充电桩无法同时对多个汽车充电，需要消耗较多资源建造充电桩，同时也有高压危险。同时其也存在高压触电的危险,因此难以在城市中广泛使用。

而无线充电技术能够避免这种弊端,不需要电气插拔的直接接触,更加安全,同时无线充电不需要设立配套的充电桩。只需要预设电动汽车无线充电发射端的充电设备,就可以使电动汽车充电,缓解了充电资源的时间和空间问题。静态无线充电同样面临着需要频繁充电、续航里程短、电池容量要求高等问题。对于电动公交车辆这类问题尤为严重，而动态无线充电可以很好的解决这类公共交通的相关问题，在其行驶路径下提前设置充电设备，在汽车行驶过程中，便可对其进行充能，同时也没有静态无线充电需要充电桩所造成的的安全及资源浪费问题^[2]。

电动汽车的无线充电一般要求充电设备具有大功率、高效率的充电能力。磁芯的材料、线圈绕组的形状、大小和位置对无线充电的效率、传输距离、功率都有着极大的影响。因此，动态无线充电中磁性元件的设计对此有这至关重要的作用。

国内外研究现状

早在十八世纪,人们就发现了电与磁之间的密切关系。十九世纪，人们建造了第一个无线充电塔，并成功进行了能量的无线传输。然而真正采用磁耦合进行无线电能传输,是在2007年MIT麻省理工大学的研究团队的实验,他们将能量通过线圈传输给灯泡,将其点亮，并将这项技术命名为磁共振无线电能传输技术^[3]。

除此之外，新西兰奥尔兰大学的研究人员对无线充电的磁耦合机构进行了大量的研究，提出了圆形盘式线圈与放射状磁芯，并且开发出了2KW的无线充电装置。近年又提出了双线圈并排与单侧磁通的结构^[4]。

美国的橡树林国家实验室也从2009年起就针对电动汽车无线充电开始了研究,在2013年,他们采用圆角矩形线圈结构成功开发了6KW的无线充电系统,在约20cm距离上传输效率达到极高水平,工作频率为约20KHz^[5]。

韩国的科学技术院研究人员也采用圆角矩形线圈结构,其创新之处在于其使用了多线圈式的耦合结构,为了提高耦合性能，他们在传统发射线圈的基础上添加了一个线圈，接收端依然使用一个线圈,额定输出功率约为7KW,在约20cm的传输距离下,其直流转换效率也达到了相当高的水准。与美国橡树林国家实验室相比,其线圈尺寸较大,但总体效率高于美国橡树林国家实验室^[6]。

在新西兰奥尔兰大学的基础上，犹他大学的研究人员开发了5KW的无线充电装置，采用了圆盘形线圈与放射状磁性物质的耦合结构，创新之处主要在于其采用了双端控制策略，简化了结构，提高了控制功能^[7]。

密歇根大学的研究人员对奥尔兰大学的磁性材料的形状与数量进行了优化，采用了类似的DD线圈的磁耦合结构，其传输效率高达95%，输出功率高达8KW^[8]。

日本的埼玉大学采取了两个平行放置的类似于H型的磁芯结构，其线圈位于磁芯中央，系统的功率约为3KW，但该结构能够承受较大的偏移量，其结构紧凑，装置全尺寸约为32cmx30cmx4cm，系统效率高达90%。

国内也有许多高校以及研究所开展了电动汽车无线充电相关技术的研究。其中昆明理工大学的研究人员研究了不同线圈拓扑结构，并对不通的结构性能进行了分析，提出了各种拓扑结构的最优应用方式以及相关控制技术。山东大学的研究人员对电动汽车无线充电的磁耦合机构进行了优化，为目前常用的DD线圈和圆形线圈设计了磁芯结构，在线圈尺寸保持不变的情况下，实验了多种磁芯结构，从便宜容忍度以及耦合性能出发，优化了其磁芯结构^[9]。东南大学的研究人员对动态无线充电的耦合线圈的尺寸进行了研究，分析了其对传输效率和偏移容忍度的影响^[10]。

商业应用对行业发展也有极大的推进作用。日本在2014年推出了最早量产的应用无线充电的车型。该车型在充电时，仅需将车停在感应区域，充电装置预先置于地板下，系统检测到车辆后即会自动充电。该车型充电装置的安装位置和外界天气都不会对充电的时间造成干扰。雷诺汽车与奔驰汽车也在进行相关的研究。国内方面，比亚迪在2014年研发了一套无线充电系统和一辆无线充电的公共汽车。2015年，成都应用的无线充电线路由中兴研发，展示了动态的无线充电解决方案^[11]。虽然各国的研究人员在不断地深入对相关技术的研究，持续的推进其理论知识与实践技术的前进，但为了保证电动汽车无线充电技术的安全、高效及提高其可行性，其中还有许多关键技术需要进一步地深入，磁耦合系统的研究就是其中的关键部分之一。

• 1. 主要研究内容

本课题的任务是电动汽车动态无线充电系统磁性元件的仿真和设计。磁性元件一般由绕组和磁芯构成，本文主要分析了线圈形状及磁芯。主要研究内容如下：

（1）对电动汽车动态无线充电系统磁性元件中的线圈结构和磁芯结构进行研究分析，探究其对耦合系数和效率的影响，选择适当的电感线圈和磁芯方案。

（2）MAXWELL仿真及结果分析

选择上述方案中一种，对其在MAXWELL上进行了三维有限元仿真。验证其可行性，并对仿真结果进行详细的分析。

第2章 电动汽车无线充电技术

本章对电动汽车无线充电的相关技术进行了概述，并对电动汽车动态无线充电的整个系统进行了简单的介绍，并分别对其中的各个重要部分进行了简单的介绍与分析。

2.1 电动汽车无线充电技术分类

由于相关技术的特点，现在电动汽车采取的无线充电方式通常分为两种：

1. 电磁感应ICPT工作原理

ICPT的原理如图2.1所示，它主要是通过耦合的电磁场实现电能输送，将电网输送的电流经过整流、滤波、逆变后通过发射端的原边绕组的磁耦合将电能转移到接收端中。同时，为了提高系统的稳定性、保证其高效性，采用了信号控制电路。

图2.1电动汽车ICPT系统原理

1. 磁共振EPRT工作原理

磁共振EPRT的原理是使用两个同频率的谐振物体产生相互耦合，利用线圈和平板电容器组成谐振电路，进行能量的输送。他与电磁感应方式的区别在于加入了振荡电路环节。其原理图如图2.2。

图2.2 电动汽车EPRT系统原理

如图2.2所示，在功率放大器和振荡器的作用下，电网的输入产生与接收线圈固有振动频率相同的高频磁场，产生强耦合作用。将能量输送到接收端的线圈，给汽车供电。

同时，这两种充电方式在性能上也有许多区别，如表2.1即为两种充电方式的主要区别对比。

表2.1 两种无线充电对比表

由上面的对比可以发现，两种充电方式各有优势，均可用于电动汽车无线充电。本文研究的是电磁感应式无线充电方式。

2.2 电动汽车动态无线充电技术整体结构分析

图2.3 总体结构

一套典型的电动汽车动态无线充电总体结构如图2.3所示，发射端一般由逆变器、补偿电路、发射线圈组成。接收端一般由能量接收线圈、补偿电路、整流电路以及DC/DC电路组成。同时，电动汽车动态无线充电系统中，由于接受线圈的位置在不断的变化，使得发射绕组和接受绕组之间的耦合因子也会发生改变，故需要设计相应的DC/DC电路以及相应的控制策略来确保动态无线充电系统的输出功率和效率都保持在一个较高的水平^[12]。

在整套系统中，影响系统工作性能的设计主要包括：谐振补偿电路结构与参数设计、磁耦合线圈结构设计、接收端DC/DC参数设计以及控制电路设计。其中，磁耦合线圈结构设计就是本文的主要研究方向。

2.3 本章小结

本章简单介绍了电动汽车无线充电的分类，并分别分析了其特点，探究更适合电动汽车无线充电的方式。同时，对该方式的整体充电结构进行了分析，分析了对无线充电性能较为重要的部分。

第3章 无线充电磁性元件的结构

无线充电磁性元件是影响电动汽车无线充电性能的重要因素。而电感线圈和磁芯是磁性元件最重要的组成部分。本章节就这一部分展开研究，分析现在主流磁芯元件的优劣。

3.1 电感线圈

3.1.1 线圈的材料

相较于铝线圈，铜线圈具有更好的导电性、导热性、塑性好、抗拉强度大、电损率等各项指标。故线圈的材料一般选用铜，绕线一般采用利兹线形式，即用多根相互独立绝缘的导体绞合或编织成一根导体。利兹线从1911年英伦公司首次商业化生产开始，便一直被广泛运用于通信、电力等相关行业。

利兹线用多根相互独立绝缘的导体绞合或编织成一根导体，在线圈的面积与总数相同的时候，绕制的线圈会导致不同线圈的长度有差异，因此不同线圈上的交流阻抗不同，会导致较大的趋肤效应，而采用高频利兹线绕制可以最大程度上降低趋肤效应。

3.1.2 线圈的形状

线圈结构的选取对电动汽车无线充电的耦合性能有至关重要的作用。与传统的变压器相比，电动汽车无线充电的耦合线圈本质上的区别在于耦合机构结构存在差别。一般用耦合系数k来衡量一个磁耦合机构耦合程度，普通变压器的耦合系数可以高达0.98，普通的也有0.95左右，而电动汽车无线充电耦合线圈的耦合因数一般低于0.8，这主要是由于电动汽车无线充电的耦合机构的结构限制，无线充电的耦合线圈之间的距离更远，相对位置也在变化。评价耦合性能的主要因素就是耦合系数的高低，而电动汽车无线充电的核心和基础就是线圈之间的耦合程度，耦合程度越高，耦合性能越好，传输效率和性能就会越好，稳定性也会提高。而耦合线圈的耦合系数主要取决于三个因素:线圈形状、几何参数、发射线圈和接收线圈之间的媒介的磁导率。

一般来说，安装在电动汽车上的无线充电设备不宜过大。所以，线圈的几何参数被限制在一定范围内，不便进行太大的改动。故改变线圈的形状是通常采用的提高耦合性能的重要手段之一。电动汽车的无线充电耦合系统中，至少需要一个发送电能的线圈与一个接受电能的线圈。实际上也有一些研究团队为了提高耦合性能，采用了更多的线圈。这里只讨论较典型的两个线圈的结构。静止式的无线充电耦合方式分为紧耦合和松散耦合方式。紧耦合方式的发射线圈与接收线圈之间的距离较小，主要用于早期的无线充电。松散耦合方式的两个线圈之间距离较大，更适合电动汽车进行无线充电。电动汽车动态无线充电的要求电动车可以再行驶过程中充电，满足此要求的线圈结构主要有阵列式和导轨式的结构，可以提供连续的无线充电传输。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：