【正文】 接觸式供電相比，非接觸供電使用方便、安全，無(wú)火花及觸電危險(xiǎn)，無(wú)積塵和接觸損耗，無(wú)機(jī)械磨損和相應(yīng)的維護(hù)問(wèn)題，可適應(yīng)多種惡劣天氣和環(huán)境，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供電。變壓器原、副邊采用無(wú)線通訊的方式對(duì)能量變換進(jìn)行檢測(cè)和控制。 ? 第四章對(duì)帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的電路特性進(jìn)行 了分析，分析了變換器的諧振頻率，對(duì)移相控制全橋串聯(lián)諧振變換器進(jìn)行了電路仿真 ,同時(shí)分析了移相角的改變對(duì)變換器相關(guān)特性的影響。比如，當(dāng)采用車載充電器時(shí)，傳統(tǒng)的充電系統(tǒng)在交流電源段分開(kāi)，整個(gè)系統(tǒng)幾乎都在車上，而無(wú)接觸電能傳輸方式實(shí)現(xiàn)初、次級(jí)繞組之間分離，從而可將大部分的設(shè)備置于車外。未來(lái)的交通系統(tǒng)供電需求將為新型無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)提供廣闊的市場(chǎng)。此外，不斷提高功率等級(jí)、系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性、增加分離式變壓器的氣隙也是非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)需要解決的難點(diǎn)。首先，目前關(guān)于非接觸感應(yīng)電能傳輸?shù)睦碚摵同F(xiàn)代功率電子學(xué)相比，還很不完善，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的理論來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)，因此 在 這方面 還 需要進(jìn)行深入的研究。 在我國(guó)，非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的研究剛開(kāi)始起步，僅有綜述性文獻(xiàn)和個(gè)別小功率樣機(jī)的研究報(bào)道。 90 年代后期，日本、德國(guó)等國(guó)家相繼投入了一定的經(jīng)費(fèi)從事非接觸電能傳輸?shù)难芯亢蛯?shí)用化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，已獲得一定的技術(shù)突破和相應(yīng)的實(shí)用產(chǎn)品，如日本大阪富庫(kù)公司的單軌型車和無(wú)電瓶運(yùn)貨車、德國(guó)奧姆富爾 (WAMPELER)公司 DE 150KW 載人電動(dòng)火車，軌道長(zhǎng)度達(dá)400m，氣隙為 120mm，是目前為止建造的最大的非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)。隨著功率變換技術(shù)、控制技術(shù)和磁性材料的發(fā)展，以及非接觸感應(yīng)電能傳輸需求的增長(zhǎng)，非接觸感 應(yīng)電能傳輸技術(shù)得到了迅速的發(fā)展 [3]。在給運(yùn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行供電時(shí)，一般采用滑動(dòng)接觸供電的方式，存在滑動(dòng)磨損，接觸火花，碳積和不安全裸露導(dǎo)線等缺點(diǎn) [68]。 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 自從 1831 年法拉第揭示電磁感應(yīng)現(xiàn)象以來(lái)，電能的傳輸主要是由導(dǎo)線直接接觸進(jìn)行的，電氣設(shè)備一般通過(guò)插頭和插座等電連接器的接觸進(jìn)行供電 [4]。但是受電場(chǎng)強(qiáng)度和介電常數(shù)以及介電材料的限制，容性電能傳輸?shù)墓こ虒?shí)用還有待進(jìn)一步研究。除傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接傳輸外，非接觸電能傳輸包括感應(yīng)傳輸、容性傳輸、電磁波傳輸。因此，我們可以采用 無(wú)線充 電 形式 [1]。 傳統(tǒng)電動(dòng)汽車充電模式有： ① 普通充電，多為交流充電， 電壓 220V 或 380V，一次需要810 小時(shí)充滿；存在問(wèn)題：需要大量的充電站，占用許多城市用地。有些研究表明，同樣的原油經(jīng)過(guò)粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅(qū)動(dòng)汽車，其能量利用效率比經(jīng)過(guò)精煉變?yōu)槠?，再?jīng)汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車高，因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排量。噪聲對(duì)人的聽(tīng)覺(jué)、神經(jīng)、心血管、消化、內(nèi)分泌、免疫系統(tǒng)也是有危害的。 電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。 23 采用移相控制方式的全橋串聯(lián)諧振變換器電路仿真 19 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的諧振頻率 19 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的作用及優(yōu)點(diǎn) 13 變壓器優(yōu)化方法 8 磁芯形狀 7 可分離變壓器特點(diǎn) 7 可分離變壓器概述 4 第二章 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)基本特性研究 4 本文研究的內(nèi)容 4 本文研究的意義 1 論文選題背景 full bridge series resonant converter iii 目 錄 摘 要 最終的仿真結(jié)果能夠滿足系統(tǒng)的要求，并能夠穩(wěn)定工作，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。 本文對(duì)非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中的功率變 換器的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。 編號(hào) 畢業(yè)論文 題 目 電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)研究 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 030720406 學(xué) 院 自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及自動(dòng)化 班 級(jí) 0307204 指導(dǎo)教師 張之梁 副教授 二 〇 一一 年六月 南京航空航天大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信承諾書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（題目： 電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)研究 ）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的成果。首先介紹了非接觸感應(yīng)電能傳輸?shù)脑?、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞 ： 非接觸感應(yīng)電能傳輸系 統(tǒng)，可分離變壓器，磁路模型，全橋串聯(lián)諧振變換器 ii The Research of Electric Vehicle Wireless Charging System Abstract Contactless inductive power transfer technique is a novel power transfer method, which utilizes the electromagic coupling theory to achieve contactless power transfer effectively and safely. Therefore this technique is widely used in many applications such as public transport systems, aviation and space systems, robots, medical plants, lighting, pact electronic devices, mine and water applications. The paper focuses on some key technologies of the contactless inductive power system. Firstly, the main operation principle, research status and development trends are introduced. Some design guide lines are discussed based on the structure of the system. The magic circuit of the separate transformer is analyzed on the base of the introduction of the characteristics and types of the separate transformer. The characteristics of the full bridge series resonant converter with the separate transformer and the resonant frequency are analyzed. The full bridge series resonant converter is analyzed by circuit simulation. The final simulation results will meet the system requirements and work stability to achieve the desired goals. Key Words： Contactless inductive power transfer system。 ii 第一章 緒 論 2 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 3 本文研究的意義及內(nèi)容 7 可分離變壓器的分類 8 繞組布置 11 非接觸變壓器的優(yōu)化 16 可分離變壓器的等效電路模型 18 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器電路特性分析 31 本文主要工作總結(jié) 31 參考文獻(xiàn) 32 致 謝 33 1 第一章 緒 論 論文選題背景 隨著 “汽車社會(huì) ”的逐漸形成，汽車保有量在不斷地呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而石油等資源卻捉襟見(jiàn)肘，另一方面，吞下大量汽油的車輛不斷排放著有害 氣體和污染物質(zhì)。電動(dòng)汽車無(wú)內(nèi)燃 機(jī)汽車工作時(shí)產(chǎn)生的廢氣，不 會(huì) 產(chǎn)生排氣污染，對(duì)環(huán)境保護(hù)和空氣的潔凈是十分有益的，幾乎是 “零污染 ”。 電動(dòng)汽車的研究表明，其能源效率已超過(guò)汽油機(jī)汽車。另一方面，電動(dòng)汽車的應(yīng)用可有效地減少對(duì)石油資源的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面。 ② 快速充電，多為直流充電，一次充電需要 1020 分鐘左右；存在問(wèn)題：在短時(shí)間內(nèi)充電完畢需要一個(gè)兆瓦級(jí)的充電站，難以實(shí)現(xiàn)。 2 電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)有三種模式：電 磁感應(yīng)式、磁場(chǎng)共振式、無(wú)線電波式。非接觸電能傳輸可通過(guò)磁場(chǎng)或電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，緊耦合的傳輸形式如變壓器、電容，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)電氣連接的能量傳輸，但是由于磁場(chǎng)鐵芯和電場(chǎng)媒質(zhì)的 限制，它們不適合向運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行大氣隙的能量傳輸。類似于無(wú)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(tǒng)的微波引導(dǎo)和天線在空氣中長(zhǎng)距離進(jìn)行能量的傳輸非常困難，能量的控制也很復(fù)雜。這種傳輸方式由于存在摩擦、磨損和裸露導(dǎo)線，很容易產(chǎn)生接觸火花，影響了供電的安全性和可靠性，縮短了電氣設(shè)備的使用壽命。在航空航天、機(jī)器人、醫(yī)療器械、照明、便攜式電子產(chǎn)品等場(chǎng)合，非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)也有廣泛的應(yīng)用前景。 20 世紀(jì) 90 年代初，新西蘭奧克蘭大學(xué)電子與電氣工程系功率電子學(xué)研究中心 Boys 教授 3 以及由他領(lǐng)導(dǎo)的課題組率先對(duì)非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。該公司還將非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)用于電動(dòng)游船的水下驅(qū)動(dòng)裝置 [4,12]。 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)是近些年發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，國(guó)際上至今還沒(méi)有制訂相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。其次，非接觸感應(yīng)電能傳輸依賴于功率變換技術(shù)、非線性電路理論的進(jìn)一步發(fā)展。非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的研究正逐步向兩個(gè)方面發(fā)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(duì)一些日常小電器進(jìn)行無(wú)接觸充電。 電動(dòng)汽車是唯一滿足零排放的車輛，它通常需利用蓄電池儲(chǔ)能，需要反復(fù)進(jìn)行電池充電。 本文研究的內(nèi)容 本文對(duì)非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容如下： ? 第一章在概述研究背景的基礎(chǔ)上，介紹了非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，指出本文的研究意義和研究?jī)?nèi)容。 ? 第五章對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)工作中存在的問(wèn)題以及未來(lái)的發(fā)展研究方向做出了一個(gè)總結(jié)，并對(duì)以后的工作做出了一個(gè)展望?？煞蛛x變壓器的原邊繞組和副邊繞組是可分離的，這和開(kāi)關(guān)電源中的變壓器有很大的不同。 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)采用可分離變壓器實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)的空氣磁路，漏磁很大，耦合系數(shù)較低，限制了能量傳輸?shù)哪芰托? 6 率。為了給變壓器原邊繞組提供波形質(zhì)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。 (4) 提高變換器的輸入功率因數(shù)。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(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了常規(guī)變壓器的長(zhǎng)度，變壓器處于松耦合狀態(tài)，磁路中有較大距離的空氣磁路，磁動(dòng)勢(shì)中相當(dāng)一部分消耗在空氣磁路部分，變壓器漏磁較大，耦合系數(shù)不高；而常規(guī)變壓器的磁路中氣隙很小，其磁動(dòng)勢(shì)主要分布在鐵芯磁路部分，而鐵芯所具有的高磁導(dǎo)