电动汽车无线充电系统损耗分析及结构优化

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hesehuzi
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由于环境污染日益严重,纯电动汽车凭借其零污染零排放的优势越来越受到人们的青睐。然而,行驶里程短和充电困难成为电动汽车推广过程中面临的两大障碍。电动汽车用无线充电技术为电动汽车的充电提供了一种方便快捷的充电方式,该技术的发展和完善有利于电动汽车的大力推广。本文在全面分析电动车无线充电系统结构的基础上,采用仿真与试验相结合的方法,对电动汽车用无线充电系统的损耗进行研究,定量分析了无线充电系统各个部分的损耗。为了减小系统损耗而设计了一套由铝板与磁片相结合的隔磁结构,同时针对主电路上的损耗引起的散热问题进行了设计分析,从而提高了系统的效率和可靠性。  首先,对无线传输环节的损耗进行了研究,其中包括耦合线圈上的铜损耗、汽车底盘上的涡流损耗和磁体上的磁滞损耗。对于铜损耗,由于系统工作频率较高,耦合线圈集肤效应和邻近效应使其铜损耗增加,为了减小高频效应的影响采用利兹线代替实心铜导线;对于涡流损耗,从理论上推导了涡流损耗的计算公式,利用有限元仿真软件COMSOL建立铁板涡流损耗模型,仿真分析得到无线充电系统在没有采取任何隔磁措施的情况下会在汽车底盘上产生严重的涡流损耗,并通过实验验证了模型的有效性;对于磁滞损耗,从理论上推导分析了磁滞损耗的形成及影响因素,这为磁性材料的选择提供了理论依据。  其次,为了减小无线充电系统在汽车底盘上产生的涡流损耗,设计并优化了无线充电系统的隔磁结构。通过在涡流损耗仿真模型中增加高磁导率的锰锌铁氧体磁片,对无线充电系统进行静磁屏蔽设计,仿真分析得到增加磁片后系统在铁板上的涡流损耗大大减少。考虑到无线充电系统的实际运用环境,对磁体结构进行了优化设计,得到了两种优化的磁体结构;接着采用铝板进行电磁屏蔽设计,通过仿真分析得到了铝板也能达到很好的隔磁效果,并进一步对铝板的距离、尺寸和形状等特性进行分析。基于对以上两种隔磁方法的综合分析,设计了一种将铝板和磁片相结合的隔磁结构,这种结构相对于其它几种结构具有较高的效率和可靠性。  最后,在分析了主电路上主要元器件损耗的基础上,对控制箱体的温度场进行了分析设计。主电路上的主要元器件包括:整流桥、逆变器以及谐振电容电感等。建立了主电路的散热模型,用热分析软件FloTHERM对控制箱体内的温度场进行仿真分析及优化。在完成所有损耗分析的基础上,利用试验台架对电动汽车用无线充电系统各个环节的效率进行了测量分析,并结合仿真计算结果,定量分析了系统各个部分的损耗。
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