畢業設計--電動汽車無線充電系統研究-資料下載頁

【導讀】盡本人所知，除了畢業設計（論文）中特別加以標注引用的內容。水下應用等場合有著廣泛的應用前景。本文對非接觸感應電能傳輸系統中的功率變換器的一些關鍵技術進行了研究。針對非接觸感應電能傳輸系統的構成，可分離變壓器的磁路進行了分析，進而給出了新型非接觸變壓器的磁路模型。相控制的帶可分離變壓器的全橋串聯諧振變換器進行了電路仿真。最終的仿真結果能夠滿足。系統的要求，并能夠穩定工作，達到預期目標。

　　

【正文】 p o pL L L C R C R L??? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ? 222 28 0s p p oL L C R?????? ? ????????? （ ） 因此，變換器總存在諧振點使電路發生諧振。 移相控制帶可分離變壓器的全橋串聯諧振變換器的分析 移相控制帶可分離變壓器的全橋串聯諧振變換器開關管的驅動信號如圖 所示。開關管 1S 和 2S 的驅動信號分別超前于開關管 4S 和 3S 一個相位，定義該相位為移相角 ? 。 24 2S3S4SacV LpI?1S 圖 移相控制主要波形圖 橋臂電壓 acV? 的基波有效值為 022 s in 9 0 2a c inVV ?? ???????? （ ） 由式（ ）可 知，控制移相角 ? 的大小可以控制橋臂電壓的大小。開關頻率高于諧振頻率時，開關管是零電壓開通的，但是開關管關斷時卻存在較大的損耗，為了實現開關管的軟關斷，通常給開關管并聯電容，限制關斷時開關管兩端的電壓上升率，從而降低關斷損耗，如圖 所示， 1C — 4C 為緩沖電容。為了防止變換器的橋臂直通，必須加入死區時間，變換器主要波形圖如圖 所示。在一個開關周期內， 變換器有八個工作模態，如圖 所示。 V i nC oR eS 1S 2 S 4S 3I l pV a cL pC 4C 2C 1 C 3 圖 加緩沖電容的全橋串聯諧振變換器的等效電路 開關模態 1[ 0t ， 1t ]（如圖 （ a）所示）： 0t 時刻，開關管 1S 兩端電壓下降到零，電流 LpI流過開關 管 1S 的反并二極管和開關管 3S ，此時，可以零電壓開通開關管 1S 。該階段，橋臂電 25 壓 acV 保持為零。 開關模態 2[ 1t ， 2t ]（如圖 （ b）所示）： 1t 時刻，關斷 開關管 3S ， LpI 給開關管 3S 的緩沖電容 3C 充電，同時給開關管 4S 的緩沖電容 4C 放電，在 3C 和 4C 的緩沖作用下， 3S 近似零電壓關斷。 開關模態 3[ 2t ， 3t ]（如圖 （ c）所示）： 2t 時刻，開關管 4S 兩端電壓下降到零，開關管 3S 兩端電壓上升到 Vin，電流 LpI 流過開關管 1S 和 4S 的反并二極管，變換器處于能量回饋階段。此時可以零電壓開通開關管 4S 。隨著電流 LpI 方向的改變， LpI 從開關管 S1 和 4S 流過，變換器開始向負載傳遞能量。 開關模態 4[ 3t ， 4t ]（如圖 （ d）所示）： 3t 時刻，關斷開關管 1S ， LpI 給開關管 1S 的緩沖電容 1C 充電，同時給開關管 2S 的緩沖電容 C2 放電，在 1C 和 2C 的緩沖作用下， 1S 近似零電壓關斷。此后，當開關管 1S 兩端電壓上升到 Vin，開關管 2S 兩端電壓下降到零， LpI 流過 2S 的反并二極管和開關管 4S ，變換器開始另一半周期工作，其工作情況類似于上述的半個周期。 1S2S4SacV LpI0t 1t 3t 5t 6t 8t2t 4t 7t3S 圖 考慮死區的移相控制主要波形圖 26 V i n C o R e S 1 S 2 S 4 S 3 V a c L p C 4 C 2 C 1 C 3 inI LpI V i n C o R e S 1 S 2 S 4 S 3 V a c L p C 4 C 2 C 1 C 3 L p I inI （ a） （ b） V i nC oR eS 1S 2 S 4S 3V a cL pC 4C 2C 1 C 3LpIV i nC oR eS 1S 2 S 4S 3V a cL pC 4C 2C 1 C 3LpI （ c） （ d） V i nC oR eS 1S 2 S 4S 3V a cL pC 4C 2C 1 C 3 LpIV i nC oR eS 1S 2 S 4S 3V a cL pC 4C 2C 1 C 3 LpI （ e） （ f） 27 V i nC oR eS 1S 2 S 4S 3V a cL pC 4C 2C 1 C 3 LpIV i nC oR eS 1S 2 S 4S 3V a cL pC 4C 2C 1 C 3 LpI （ g） （ h） 圖 移相控制全橋串聯諧振變換器的開關模態圖 通過以上分析可知，開關頻率高于諧振頻率的移相控制全橋串聯諧振變換器可以實現開關管的零電壓開關，減小開關損耗和電磁干擾。但是零電壓開通是有條件的。 為了實現開關管的零電壓開通 (如 1S 管 )，當開關管 1S 處于關斷狀態時， LpI 必須滿足221423p Lp s inL I C V? ，因此， LpI 要盡量大使得 1C 放完電，二極管 1D 續流導通，同時 1C 要選取較小值。開關管的零電壓關斷是 無條件實現的，因為開關管中會自帶集成電容，通過電容的緩沖作用達 到關 斷緩沖的效果，減小關斷損耗。 當緩沖電容過大時，諧振電流不能完全抽走緩沖電容的電荷，無法實現開關管 的零電壓開通；當緩沖電容過小時，開關管的軟關斷效果變差，關斷損耗將增加。因此，緩沖電容的大小應該綜合考慮。 MOS 管的損耗分為開通損耗、導通損耗、關斷損耗，通過實現開關管的零電壓開通來減小開通損耗，導通損耗無法避免，與所選 MOS 管有關，關斷損耗在保證能實現零電壓開通的前提下，使緩沖電容盡量大。二極管應選導通壓降小的，且要選快恢復二極管以減小關斷 損耗。 采用移相控制方式的全橋串聯諧振變換器電路仿真 對圖 中所示的帶可分離變壓器的全橋串聯諧振變換器進行電路仿真。圖 是帶可分離變壓器的全橋串聯諧 振變化器的 saber 仿真圖，圖 是移相控制帶可分離變壓器的全橋串聯諧振變換器的仿真波形，仿真參數為：可分離變壓器原、副邊電感 pL = sL =60uH，耦合系數 K=，諧振電容 pC =，負載 R=10 歐姆 ,輸入電壓 inV =100V，開關頻率為 50kHz， 28 移相角為 45 度。圖 中從下往上依次是開關管 1S 、 4S 的驅動電壓波形 ? ?1gsVS、 ? ?4gsVS、橋臂電壓波形 acV 、變換器的原、副邊繞組電流 LpI 、 LsI 。從仿真波形可以看出，開關管 1S 開通前原邊繞組電流 LpI 流過開關管 1S 、 4S 的反并二極管，開關管兩端電壓為零，開關管 1S 、 4S實現了零電壓開通。 圖 帶可分離變壓器的全橋串聯諧振變化器的 saber仿真圖 圖 中與開關管串聯的電阻是考慮到開關管具有導通壓降 。 （ a） 29 （ b） 圖 移相控制帶可分離變壓器的全橋串聯諧振變換器仿真波 形 觀察圖 （ b）中 ? ?oUC 、 ? ?rIL 的波形可以看出，當 ? ?oUC =0 時， ? ?rIL 為最大值；當 ? ?rIL =0 時， ? ?oUC 為最大值；所以 oC 、 rL 中的能量相互交換，處于諧振狀態。 觀察圖 （ b）中 ? ?Ugs 、 ? ?Uds 的波形可以看出，開關管實現了零電壓開通。 改變移相角，觀察其對變換器相關特性的影響： 移相角為 90o 時，其余仿真參數不變，得到如下仿真波形： 圖 移相角 90o為時的仿真波形 30 移相角為 45o 時，其余仿真參數不變，得到如下仿真波形： 圖 移相角 45o為時的仿真波形 移相角為 0o 時，其余仿真參數不變，得到如下仿真波形： 圖 移相角 0o為時的仿真波形 由以上三組波形的對比，可以發現：隨著移相角 ? 的增加，變換器的原邊繞組電壓會減小，原、副邊繞組電流也會減小， 由于原邊繞組電壓的減小，導致耦合到副邊的變壓也相應減小，造成整流后的輸出電壓也減小， 因此得出結論：通過改變移相角 ? 的大小，可以有效地對變換器的原邊繞組電壓，原、副邊繞組電流， 進而對輸出電壓，輸出功率進行控制。 31 第五章 總結與展望 本文主要工作總結 ? 介紹了研究背景，回顧了非接觸感應電能傳輸技術的研究現狀，討論了非接觸感應電能傳輸技術的發展趨勢。 ? 介紹了非接觸感應電能傳輸系統的構成，針對應用可分離變壓器實現能量傳輸的特點，討論了非接觸感應電能傳輸系統的設計準則。 ? 在闡述可分離變壓器特點和分類的基礎上，對改進型非接觸變壓器的磁路模型進行了分析，并給出了非接觸變壓器的優化方案。 ? 介紹了可分離變壓器的等效電路模型， 分析了帶可分離變壓器的全橋串聯諧振變換器的諧振頻率。分析了變換 器的基本電路特性，對移相控制的變換器進行了仿真，同時分析了移相角的改變對變換器相關特性的影響。 后續研究工作展望 本文由于 作者 時間和水平有限，本 設計 還有以下工作有待深入研究： ? 討論了繞組位置和氣隙對可分離變壓器參數的影響，得出了變壓器參數隨氣隙變化的規律。 ? 可以做一些相關的實驗工作：對全橋串聯諧振變換器構成的非接觸感應電能傳輸系統進行實驗驗證，對設計的可分離變壓器的參數進行測試。 ? 對變換器的原、副邊補償電路進行阻抗分析。 ? 帶可分離變壓器的全橋串聯諧振變換器也可在雙極性控制方式下工作，并可進行相關仿真 。 32 參考文獻 [1] 電動汽車無線充電系統概述 [M]. 北汽新能源 [2] 張巍 ， 陳乾宏 ， S. C. Wong Michael Tse，等 . 新型非接觸變壓器的磁路模型及其優化 [J].中國工程電機學報 . 2021， (27):108116. [3] 武瑛，嚴陸光，黃常綱 ， 等 . 新型無接觸電能傳輸系統的性能分析 [M]，電工電能新技術 ,2021，22(4), [4] 李宏，感應電能傳輸 —電力電子及電氣自動化的新領域 [M]，電氣傳動， 2021 年第 2 期， [5] 毛賽君，非接觸感應電能傳輸系統的關鍵技術研究 [D]. 南京，南京航空航天大學， 2021 [6] ,. Critical Q analysis of a currentfed resonant converter for ICPT applications. Letters,2021,14401441. [7] ,. Pickup transformer for ICPT applications. Letters,2021, [8] ,. Frequency analysis and putation of a currentfed resonant converter for ICPT power supplies. conference on power system technology,2021, [9] Bieler,T.,Perrottet,M.,Nguyen,V.,et al. Contactless power and information transmission. IEEE Transactions on Industry Electronics,2021, [10] Yungtaek Jang,Jovanovic,. A Contactless Electrical Energy Transmission System for PortableTelephone Battery Chargers. IEEE Transactions on Industry Electronics,2021, [11] Junji Hirai,TaeWoong Kim,Atsuo Kawamura. Study on Intelligent Battery Charging Using Inductive Transmission of Power and Information IEEE Transactions on Power Electronics,2021,vol15, [12] 秦海鴻，王慧貞，嚴仰光 . 非接觸式松耦合感應電 能傳輸系統原理分析與設計 [C]，第十五屆全國電源技術年會論文集， 2021， [13] Kutkut,.,Klontz,.， Design considerations for power converters supplying the SAE J1773 electric vehicle inductive coupler， in APEC 1997， ， [14] 武瑛，嚴陸光，徐善綱 . 新型無接觸能量傳輸系統 [M]. 2021， 24(5), pp: 16 [15] 韓騰，卓放，劉濤等 . 可分離變壓器實現的非接觸電能傳輸系統研究 [M]. 電力電子技術 ,2021,38(5), [16] 武瑛 , 嚴陸光 ,徐善綱 . 新型無接觸電能傳輸系統的穩定性分析 [J] ，中國電機工程學報，2021,24(5), [17] Hu C H， Chen C M， Shiao Y S， et al． Development of a universal contactless charger for handheld devices[C]//International Symposium on Industrial Electronics． Cambridge， UK： IEEE， 2021： 99104． [18] 韓騰 ,卓放 ,閆軍凱等 ,非接觸電能傳輸系統頻率分叉現象研究，電工電能新技術， 2021,24(2), [19] Stielau,.,Covic,.， “Design of loosely coupled inductive power transfer systems， ”in conference on power system technology,2021, [20] 戴欣 ,孫躍，單軌行車新型供電方式及相關技術分析 [J]，重慶大學學報， 2021， 26(1)， [21] ChweiSen Wang,Stielau,.,Covic,. Design considerations for a contactless electric vehicle battery charger. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2021, vol52, [22] 劉建，基于松耦合變壓器的全橋諧振變換器的研究 [D]. 南京，南京航空航天大學， 2021 33 致 謝 本 次畢業設計可以圓滿地完成，值此論文完成之際，謹向我的 指導老師 張之梁 副教授 表示深深的敬意與感謝。導 師淵博的理論知識、豐富的工程經驗、嚴謹的科研作風和平易近人的 性格 給我留下了深刻的 印象。導師為我的畢設選題和完成付出了巨大的精力和心血，同時在 學習和生活上 也給了我很多 的幫助。在整個畢業設計過程中，張 老師總是在我學習遇到 困難 的時候，出現在我的面前，及時的給予指導， 不斷對我得到的結論進行總結，并提 出新的問題，使得我的畢業設計 內容 能夠深入地進行下去，也使我接觸到了許多理論和實際上的新問題， 使 我做了許多有益的思考。 其次，在論文的完成過程中， 我 一直得到實驗室辛玉寶師兄的熱心指導和耐心幫助， 師兄幫 我解決了很多問題，講授了平時學習的方法和學習技巧，使我在研究課題領域受益匪淺，得到很快的成長，在學習上少走了很多的彎路，感謝你們的關心和無私的幫助，和你們相處的日子讓我難以忘懷，衷心的祝福你們身體健康，生活愉快、工作順利。 謹以此文獻給所有關心、支持和幫助我的朋友、老師和同學們！ 最后，向百忙之中審閱此文的專家、 教授們致以深深的感謝！