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电动汽车无线供电电磁耦合机构能效特性及优化方法研究

胡超  
【摘要】:随着电动汽车的日益普及,其充电难的问题也将逐渐显现。目前电动汽车普遍采用导线接入的充电方式,这使得充电过程中存在易漏电、接插件易老化、操作繁杂等问题,且电动汽车本身存在续航里程较短、动力电池成本高等问题,这些都限制了电动汽车的发展与推广。感应耦合电能无线传输(IPT)技术能够实现电能从电网至电动汽车的无线传输,从而解决充电过程中存在的诸多问题,此外还可以实现为公路上行驶状态的电动汽车进行实时能量供给,从而增加电动汽车的续航里程,降低动力电池的体积。大功率、高效率、中远距离、稳定性强的电磁耦合机构是实现电动汽车无线供电的基础及关键环节。根据电动汽车的运行状态,其无线供电方式分为两种形式,当电动汽车静止时,称之为驻车静态无线充电,当电动汽车行驶时,为不停车动态无线供电。本文重点针对电动汽车无线供电电磁耦合机构的结构设计、能效特性及参数优化方法三方面展开研究,并在实际系统中验证理论分析及研究方法的正确性。文章的具体工作如下:①适用于电动汽车无线供电系统的电磁耦合机构结构研究电动汽车无线供电需电磁耦合机构具备良好的能效特性、空间特性以及功率密度,基于三个特性展开电磁耦合机构的结构设计研究。首先针对静态无线充电系统,设计大功率、高效率、高拾取自由度的电磁耦合机构结构。针对动态无线供电系统,设计大功率、高效率、导轨换流时电压平稳过度的电磁耦合机构结构。由于电动汽车无线供电系统中,其拾取机构的位置随机性较大,且易受人为操作干扰,因此主要从结构上进行研究,着力提升无线供电传能空间的自由度和灵活性。此外,在动态无线供电系统中,存在以下两个共性问题:汽车行驶过程中拾取电压的稳定性问题、导轨交流阻抗较大导致的耦合效率较低问题。级联多级导轨模式能够很大程度上降低交流阻抗,因此从能量发射导轨的结构出发,重点研究级联多级供电模式下导轨的结构设计方法,解决导轨换流过程中拾取电压的稳定性问题。②电磁耦合机构的电气参数建模电磁耦合机构的电气参数模型需表征电磁耦合机构与系统能效特性之间的联系,由于耦合模模型能够反映能量在电磁耦合机构之间的传递过程,且能够实现机构与系统之间的电气关系描述。因此,研究电磁耦合机构电气参数的耦合模模型,通过模型分析电磁耦合机构对IPT系统的能效特性以及频率特性的影响,且对耦合模模型的变量进行分析,阐述了其在电磁耦合机构设计过程中的优势。③电磁耦合机构NLP建模及参数优化方法研究在电气参数模型的基础上,研究电磁耦合机构结构参数(主要为线圈匝数、尺寸)与系统能效特性之间的函数关系,并由此建立电磁耦合机构参数优化的非线性规划(NLP)模型。由于在系统中,电磁耦合机构参数优化涉及较多的变量及约束,因此其NLP模型存在多目标多约束。为此,引入交叉熵算法对参数优化问题进行处理,并基于Pareto前沿的思想,将CE改进为基于Pareto最优的CE改进算法。此外,利用拉丁超立方抽样进行种群初始化,通过自适应罚函数法进行约束处理,改进算法的排序规则,从而增强交叉熵算法的MOP处理能力,保证参数优化的全局性。本文主要的创新点如下:①针对电磁耦合机构性能评判与参数设计问题,提出基于能效特性、空间特性及功率密度的模糊综合评判方法;并通过3D有限元仿真模型,建立结构参数与IPT系统能效特性之间的函数模型,克服了参数设计中的盲目性和局部性。②针对电动汽车无线供电系统电磁耦合机构空间特性的提升问题,基于电磁耦合机构的结构磁场分布特性,提出了一类渗透型导轨结构及一种DLDD型线圈结构,分别有效地解决了动态无线供电导轨换流拾取电压失压的问题及静态无线充电拾取自由度不足的问题。③针对本文建立的多目标、多约束电磁耦合机构结构参数非线性规划模型,基于Pareto最优思想及交叉熵理论,提出一种结构参数的优化方法,解决了电磁耦合机构结构参数多目标优化的问题。


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