多发射线圈并联的动态无线充电系统设计

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在温室效应增强、能源愈加紧张的时代背景下,传统的汽车产业迎来了转型升级,以电动汽车为代表的新能源汽车得到了迅速发展。电动汽车的动态无线电能传输技术(Dynamic Wireless Power Transfer,DWPT)以其驻车时间少、续航里程长、电池组较小等优势,有望帮助电动汽车实现广泛的商业化。根据发射端线圈结构异同,电动汽车DWPT系统主要分为:长轨道型和分段式发射线圈型。采用长轨道型的DWPT系统往往由单一电源和逆变器供电,发射磁场覆盖了整个路面,持续地对轨道供电必将造成较大的电能损耗,同时也存在着电磁泄漏和辐射等问题。而在传统的分段式发射线圈型DWPT系统中,一个发射线圈需要由与之对应的一台高频逆变器供电,因此需要在路面下铺设大量的逆变器,这大大增加了道路初期的建设成本,阻碍了动态无线充电技术进一步商业化。现有采用多级导轨并联的DWPT系统,存在着因控制开关误动作而引起相邻导轨电流过大的不足。针对上述问题,本文以分段式发射线圈型DWPT系统为研究对象,将提出并设计一种新型的多发射线圈并联的DWPT系统。该系统仅需一台逆变器就能驱动多个发射线圈,电动汽车位置检测不需要额外的传感器,可以大大降低DWPT系统的建设成本。本文利用互感模型对无线电能传输系统的磁耦合机构进行建模,对比四种基本补偿网络的原边电容选取原则及其影响因素,从而确定串联-串联型补偿网络更适用于DWPT场合,着重分析串联-串联型补偿网络的输出功率和效率与互感、负载之间的关系。主功率电路引入菊花链式变压器,软件仿真表明:各并联支路的电流实现了均衡,主功率电路的工作过程与理论设计一致。通过对两种平面型线圈的有限元仿真,对比二者的抗横向偏移能力,选取方形结构作为无线电能传输线圈。基于无线电能传输原理设计电动汽车位置检测电路,并从理论计算和软件仿真论证主功率电路磁场对检测电路的影响可以忽略不计。为了验证所设计DWPT系统的可行性,将搭建电动汽车动态无线充电系统平台,制作一台样机进行实验。实验结果表明,主功率电路的发射线圈工作状态根据电动汽车的位置完成了有效切换,电动汽车位置检测电路不受主功率电路影响,系统实现了对发射线圈工作状态的独立控制,最大充电功率达144.4 W。
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