畢業設計--電動汽車無線充電系統研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 題就難以解決。利用充電樁充 電 的形式 會 有以下缺點：同時充電的汽車數目 有限，戶外有線充電樁易受到 損壞 ，建專用充電站占用大量用地。因此，我們可以采用 無線充 電 形式 [1]。 2 電動汽車無線充電技術有三種模式：電 磁感應式、磁場共振式、無線電波式。非接觸能量傳輸系統（感應耦合） 原副邊完全分離的非接觸變 壓器，通過磁場的耦合傳輸電能，使得能量傳遞過程中供電側和用電側 沒有 物理鏈接。隨著功率半導體器件和功率變換技術的發展，一種新型的感應電能傳輸技術使大氣隙的非接觸傳輸成為可能。除傳統的導線連接傳輸外，非接觸電能傳輸包括感應傳輸、容性傳輸、電磁波傳輸。非接觸電能傳輸可通過磁場或電場實現，緊耦合的傳輸形式如變壓器、電容，可以實現無電氣連接的能量傳輸，但是由于磁場鐵芯和電場媒質的 限制，它們不適合向運動的物體進行大氣隙的能量傳輸。在變壓器松耦合的方式下，如果工作頻率足夠高，磁場的變化率將在原、副邊繞組之間引起很強的電磁感應，這使大氣隙的能量傳輸變得可行，這是感應電能傳輸的基本概念。與感應電能傳輸類似，容性電能傳輸可以利用高頻變化的電場實現大氣隙的電能傳輸。但是受電場強度和介電常數以及介電材料的限制，容性電能傳輸的工程實用還有待進一步研究。類似于無線通訊，非接觸電能傳輸也可以采用電磁波的形式，但是采用傳統的微波引導和天線在空氣中長距離進行能量的傳輸非常困難，能量的控制也很復雜。在現有的 功率變換技術的基礎上，感應電能傳輸技術是工程上最可行的方式。因此本文將對非接觸感應電能傳輸技術進行研究 [5]。 非接觸感應能量傳輸系統的研究現狀及發展趨勢 非接觸感應能量傳輸系統的研究現狀 自從 1831 年法拉第揭示電磁感應現象以來，電能的傳輸主要是由導線直接接觸進行的，電氣設備一般通過插頭和插座等電連接器的接觸進行供電 [4]。這種傳輸方式由于存在摩擦、磨損和裸露導線，很容易產生接觸火花，影響了供電的安全性和可靠性，縮短了電氣設備的使用壽命。在礦井、油田鉆采等場合，采用傳統的導線直接接觸供 電方式，因接觸摩擦產生的微小電火花，很容易引起爆炸，造成重大事故。在水下場合，導線直接接觸供電存在電擊的潛在危險。在給運動設備進行供電時，一般采用滑動接觸供電的方式，存在滑動磨損，接觸火花，碳積和不安全裸露導線等缺點 [68]。在航空航天、機器人、醫療器械、照明、便攜式電子產品等場合，非接觸感應電能傳輸技術也有廣泛的應用前景。非接觸感應電能傳輸技術解決了傳統導線直接接觸供電的缺陷，是一種有效、安全的電能傳輸方法 [911]。 非接觸感應電能傳輸技術早在 100 年前就已經為人所知，并進行了多次實驗嘗試，但因為效 率太低，沒能商業化。隨著功率變換技術、控制技術和磁性材料的發展，以及非接觸感應電能傳輸需求的增長，非接觸感 應電能傳輸技術得到了迅速的發展 [3]。 20 世紀 90 年代初，新西蘭奧克蘭大學電子與電氣工程系功率電子學研究中心 Boys 教授 3 以及由他領導的課題組率先對非接觸感應電能傳輸技術進行了系統的研究。經過 10 多年的努力，先后獲得多項發明專利，該項技術已被成功推往美國、日本、德國和法國等地。新西蘭奧克蘭大學所屬奇思公司已將非接觸感應電能傳輸技術成功應用于新西蘭 Rotorua 國家地熱公園的 30kW 旅 客電動運輸車 [4,68]。 90 年代后期，日本、德國等國家相繼投入了一定的經費從事非接觸電能傳輸的研究和實用化產品開發，已獲得一定的技術突破和相應的實用產品，如日本大阪富庫公司的單軌型車和無電瓶運貨車、德國奧姆富爾 (WAMPELER)公司 DE 150KW 載人電動火車，軌道長度達400m，氣隙為 120mm，是目前為止建造的最大的非接觸感應電能傳輸系統。該公司還將非接觸感應電能傳輸技術用于電動游船的水下驅動裝置 [4,12]。 美國通用汽車公司子公司 Delco Electronics 研制的 MagnechargeTM 是最先商業化的 電動汽車非接觸電能傳輸系統之一，現在正由 Delco 生產和銷售，專用于 GM 的 EV1 型電動汽車充電。 1995 年 1 月，美國汽車工程協會根據 MagnechargeTM 系統的設計，制訂了在美國使用非接觸感應電能傳輸技術進行電動汽車充電的條例 ——SAE J1773[13,14]。 在我國，非接觸感應電能傳輸技術的研究剛開始起步，僅有綜述性文獻和個別小功率樣機的研究報道。 非接觸感應能量傳輸系統的發展趨勢 非接觸感應電能傳輸技術是近些年發展的一項新技術，國際上至今還沒有制訂相關的標準。非接觸電能傳輸技術涵 蓋功率變換技術、電磁感應技術等。像其他新技術一樣，非接觸感應電能傳輸技術的發展面臨著很多挑戰。首先，目前關于非接觸感應電能傳輸的理論和現代功率電子學相比，還很不完善，沒有一個統一的理論來指導設計非接觸感應電能傳輸系統，因此 在 這方面 還 需要進行深入的研究。其次，非接觸感應電能傳輸依賴于功率變換技術、非線性電路理論的進一步發展。工程應用中的技術限制也制約著非接觸感應電能傳輸技術的發展，如無源器件和有源功率器件的電壓和電流定額。由于非接觸供電效率較低，并且有一定的電磁輻射，經濟效益和環保問題也是非接觸感應電能傳輸技 術應考慮的一個重要方面。此外，不斷提高功率等級、系統穩定性和可靠性、增加分離式變壓器的氣隙也是非接觸感應電能傳輸技術需要解決的難點。非接觸感應電能傳輸系統的研究正逐步向兩個方面發展：一是以磁懸浮列車為代表的大功率方向，包括汽車充電站、磁懸浮列車等等；另一種是小功率方向，主要是對一些日常小電器進行無接觸充電。大功率方向是非接觸感應電能傳輸技術的難點 [1213]。 4 本文研究的意義及內容 本文研究的意義 隨著人們環境意識的提高和對石油燃料資源耗盡危機的警覺，未來的交通運輸系統將逐漸向著綠色、 環保、電氣化的方向發展。未來的交通系統供電需求將為新型無接觸電能傳輸系統提供廣闊的市場。 電動汽車是唯一滿足零排放的車輛，它通常需利用蓄電池儲能，需要反復進行電池充電。近年來，環境意識和石油燃料資源耗盡的可能性使人們又重新重視了電動汽車的研究發展，而電池充電將是未來的電動汽車面臨的一個重要問題。采用新型無接觸能量傳輸系統為電動車供電，具有一定優越性。比如，當采用車載充電器時，傳統的充電系統在交流電源段分開，整個系統幾乎都在車上，而無接觸電能傳輸方式實現初、次級繞組之間分離，從而可將大部分的設備置于車外。 本文研究的內容 本文對非接觸感應電能傳輸系統的關鍵技術進行了研究，主要內容如下： ? 第一章在概述研究背景的基礎上，介紹了非接觸感應電能傳輸技術的研究現狀和發展趨勢，指出本文的研究意義和研究內容。 ? 第二章介紹了非接觸感應電能傳輸系統的構成，非接觸感應電能傳輸的原理和優點，討論了一些設計準則，并介紹了高頻逆變拓撲的選取。 ? 第三章在概述可分離變壓器的基礎上，介紹了改進型非接觸變壓器，給出了改進型非接觸變壓器的磁路模型，提出了非接觸變壓器的優化方案。 ? 第四章對帶可分離變壓器的全橋串聯諧振變換器的電路特性進行 了分析，分析了變換器的諧振頻率，對移相控制全橋串聯諧振變換器進行了電路仿真 ,同時分析了移相角的改變對變換器相關特性的影響。 ? 第五章對本次畢業設計進行了總結，對工作中存在的問題以及未來的發展研究方向做出了一個總結，并對以后的工作做出了一個展望。 5 第二章 非接觸感應電能傳輸系統基本特性研究 非接觸感應電能傳輸系統的構成 非接觸感應電能傳輸系統利用電磁感應理論實現電能的傳輸，能量傳輸框圖如圖 所示，以可分離變壓器為分界點，能量傳輸框圖由兩大部分組成，變壓器原邊由交流電網輸入，整流濾波成直流電，并經 過功率因數校正，通過高頻逆變給變壓器原邊繞組提供高頻交流電流。通過原邊繞組與副邊繞組的感應電磁耦合將電能經過整流濾波和功率調節后提供給用電設備。變壓器原、副邊采用無線通訊的方式對能量變換進行檢測和控制。可分離變壓器的原邊繞組和副邊繞組是可分離的，這和開關電源中的變壓器有很大的不同。此外，可分離變壓器可以保持相對靜止或運動的狀態，適用于不同的應用場合 [5]。 整 流 濾 波 功率 因 數 校 正電 網高 頻逆 變原 邊繞 組副 邊繞 組整 流 濾 波功 率 調 節用 電設 備無 線通 訊無 線通 訊電 能 傳 輸 方 向可 分 離 變 壓 器 圖 非接觸感應電能傳輸系統能量傳輸框圖 非接觸感應電能傳輸的原理及優點 非接觸供電是基于磁場耦合實現無線供電的新型電能傳輸方式，利用原 副邊完全分離的非接觸變壓器，通過高頻磁場的耦合傳輸電能，實現能量傳遞過程中供電側和用電側無物理連接。與傳統的接觸式供電相比，非接觸供電使用方便、安全，無火花及觸電危險，無積塵和接觸損耗，無機械磨損和相應的維護問題，可適應多種惡劣天氣和環境，便于實現自動供電。 非接觸感應電能傳輸系統的設計準則 非接觸感應電能傳輸系統采用可分離變壓器實現能量傳輸，因此變壓器的原邊繞組與副邊繞組之間有一段較長的空氣磁路，漏磁很大，耦合系數較低，限制了能量傳輸的能力和效 6 率。根據非接觸感應電能傳輸系統的特性，設計準則主要有： (1) 提高可分離變壓器的耦合系數。選取合適的變壓器鐵芯結構和繞組位置，可以提高可分離變壓器的耦合系數，提高能量傳輸的能力。 (2) 采用諧振變換器作為非接觸感應電能傳輸系統的功率變換器。為了給變壓器原邊繞組提供波形質量較好的交流電流，減少電磁干擾和電磁輻射，常采用諧振變換器給可分離變壓器的原邊繞組提供正弦電流。 (3) 實現開關管的軟開關。提高變換器的開關頻率可以減小非接觸感應電能傳輸系統的體積和重量，但是隨著開關頻率的不斷提高，采取硬開關方式的功率變換器，其開關損耗將大大增高，影響了系統效率的提高，對電動汽車和磁浮列車等大功 率充電場合，提高變換器的效率尤為重要。因此，為了實現高功率密度，高的能量傳輸效率，必須實現開關管的軟開關，減小開關損耗。 (4) 提高變換器的輸入功率因數。非接觸感應電能傳輸系統要得到廣泛的應用，必須實現高的輸入功率因數，減小對電網的污染，采用功率因數校正變換器可以有效的減小諧波含量，提高功率因數 [5]。 7 第三章 可分離變壓器概述與新型非接觸變壓器的磁路模型及其優化 可分離變壓器概述 可分離變壓器特點 可分離變壓器是非接觸感應電能傳輸系統的關鍵部分，實現電能的非接觸傳輸。可分離變壓器和常規變 壓器在原理上類似，都是應用電磁感應原理實現電能從變壓器原邊到副邊的變換。但是可分離變壓器的原邊和副邊是分離的，如圖 所示，存在較大的氣隙，空氣磁路長度遠遠超過了常規變壓器的長度，變壓器處于松耦合狀態，磁路中有較大距離的空氣磁路，磁動勢中相當一部分消耗在空氣磁路部分，變壓器漏磁較大，耦合系數不高；而常規變壓器的磁路中氣隙很小，其磁動勢主要分布在鐵芯磁路部分，而鐵芯所具有的高磁導率決定了常規變壓器的磁阻較小，需要的勵磁電流較小 [12,15]。 （ a）常規變壓器 （ b）可分離變壓器 圖 變壓器示意圖 可分離變壓器的分類 根據可分 離變壓器原邊和副邊運動狀態的不同，可以將可分離變壓器分為三類： 靜止式，原邊和副邊保持靜止。 滑動式，原邊和副邊處于相對滑動的狀態，主要應用于有軌電車、磁浮列車等交通運輸領域，如圖 （ a）所示。 旋轉式，利用了變壓器進行能量傳輸不受轉速影響的特點，原邊和副邊保持旋轉狀態，如圖 （ b）所示 [12,16]。 8 （ a）滑動式可分離變壓器 （ b）旋轉式可分離變壓器 圖 可分離變壓器示意圖 改進型非接觸變壓器 磁芯形狀 T. H. Nishimura 于 1994 年提出了基于傳統非平面磁芯和卷繞繞組結構的非接觸變壓器，如圖 所示。為便于分析，針對對稱繞組結構，并在副邊開路條件下給出其等效磁路， 如圖 1(b)所示。 其中 ， F = Ni， Ra、 LR 分別為 g 和 cL 方向的磁阻。 L cg Ra Ra F RL Ra RL （ a）變壓器結構 （ b）等效磁阻電路 圖 變壓器結構及其等效磁阻電路 文獻 [17]基于該磁路模型推導了其耦合系數近似公式，指出耦合系數的大小取決于變壓器中柱和邊柱的中心距離 cL 與氣隙 g 的比值。 g 固定， cL 越大，耦合系數越高，大氣隙引起的 /aLRR較大是非接觸變壓器耦合系數小的根本原因。因此，可采用平面磁芯 (通常 cL 比非平面磁芯大 )并去掉中柱，來獲得更大的 cL ，來提高耦合系數、同時減小磁芯的體積質量。改進 9 的變壓器磁芯如圖 所示，為平面 U 型結構。此外，由于兩磁柱內側距離 L(即磁芯窗口寬度 )相比文獻 [17]中提出的磁柱中心距離 cL 對磁阻 LR 的影響更大，本文改用 L 來描述非接觸變壓器的特性 [2]。 Lg 圖 改進的變壓器磁芯 繞組布置 針對圖 給出的平面 U 形磁芯，繞組也宜采用平面布置，便于減小漏感。平面繞組的布置方式有集中式和分布式 2 種，如圖 所示。 原 邊繞 組副 邊繞 組原 邊 磁 芯副 邊 磁 芯 (a) 集中式繞組 原 邊 繞 組副 邊 繞 組原 邊 磁 芯副 邊 磁 芯 (b) 分布式繞組 圖 繞組結構比較 為了分析兩種繞組布置方法對耦合系數的影響，本文采用 PlanarE43/10/28 磨掉中柱作為磁芯，在相同的條件下進行了對比實驗，結果如表 1 所示。實驗表明分布式繞組更有利于提 10 高變壓器的 耦合系數。 表 1 平面 U 型磁芯兩種繞組布置方法的實驗結果 磁芯 質量 /g L/mm 繞組形式 耦合系數 平面 U43（ Planar E43/10/28 磨掉中柱） 59 集中式 分布式 注：原副邊繞組均為 25 匝，氣隙 10mm，頻率 300kHz。 圖 給出變壓器在 300kHz 副邊開路條件下的 Ansoft2D 磁場仿真結果 (原邊 電流3iA? )。可以看出，兩種繞組布置方法主要影響磁芯窗口中的磁場分布。采用集中繞組時，原邊電流產生 的磁通不僅能經 L 閉合，還能從磁芯邊柱經繞組間的集中氣隙回到磁芯頂柱， 降低了變壓器的耦合系數。 圖 兩種繞組布置方式的仿真結果對比 因此，變壓器應采用分布式平面繞組結構 [2]。 改進型非接觸變壓器的磁路模型 原有磁路模型的限制 為便于分析，本文與文獻 [9]相同，針對對稱的繞組結構，在副邊開路條件下建立等效磁 11 路、分析耦合系數。參考文獻 [9]，可得到改進后非接觸變壓器的磁路模型，如圖 所示，其中 F1 = F2 = Ni /2。耦合系數 k 表達式為 ? ?? ? ? ? ? ?121 2 1 2/2 1/ 2 / 2 / 1aaLF F Rk F F R F F R g L???? ? ? ? （ ） R a R a 1F 2FL 圖 等效磁路圖 然而，實驗中發現，該模型及耦合系數公式不能很好地解釋下述實驗現象： (1) 如表 1 所示，采用平面 U43 磁芯， L 為 ，比文獻中磁芯對應的參數 ()大，但相同氣隙條件下耦合系數反而小； (2) 采用平面 U64 磁芯 (Planar E64/10/50 磨掉中柱 )， 相比表 1 中的磁芯， L 從 增大到 ，但 10mm 氣隙條件下的耦合系數僅從 增加到 ， 不符合式 ()描述的耦合系數變化規律； (3) 按照式 ()預測，平面 U43 變壓器耦合系數為 ，平面 U64 變壓器耦合系數為 ，均遠大于實測值。 這些實驗結果表明，文獻 [9]給出的等效磁路和耦合系數近似分析方法有一定的局限性，不能夠準確地描述改進型非接觸變壓器的磁通分布及耦合系數 [2]。 改進型磁路模型 結合圖 (b)給出的磁場仿真結果，根據磁通耦合程度可將原邊電流產生的所有磁通分為 3 個部分，如圖 所示。 12