【正文】 ? 可以做一些相關(guān)的實驗工作：對全橋串聯(lián)諧振變換器構(gòu)成的非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行實驗驗證，對設(shè)計的可分離變壓器的參數(shù)進(jìn)行測試。 MOS 管的損耗分為開通損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗，通過實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通來減小開通損耗，導(dǎo)通損耗無法避免，與所選 MOS 管有關(guān)，關(guān)斷損耗在保證能實現(xiàn)零電壓開通的前提下，使緩沖電容盡量大。為了防止變換器的橋臂直通，必須加入死區(qū)時間，變換器主要波形圖如圖 所示。帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器如圖 所示， 1S 4S 是開關(guān)管（ IGBT）， PC 是諧振電容（同時也是變換器的原邊串聯(lián)補(bǔ)償電容）， PL 、 SL 分別是可分離變壓器的原邊電感和副邊電感， M 是可分離變壓器的互感， 1D 4D 是整流二極管， fC 是濾波電容， 0R 是阻性負(fù)載，變換器副邊未加補(bǔ)償電容。圖 (c)中，補(bǔ)償電容 sC 與變壓器副邊電感 Ls 在頻率諧振處，變換器副邊等效為純電導(dǎo)，輸出電流與負(fù)載無關(guān)，等效于輸出電流為副邊短路電流的恒流源。圖 中， pV? 、 sV? 分別表示可分離變 壓器的原邊繞組電壓和副邊繞組電壓， pL 、 sL 分別表示可分離變壓器的原邊電感和副邊電感， M 表示可分離變壓器的互感， ω是開關(guān)角頻率，變壓器原、副邊繞組電流 LpI? 、 LsI? 參考方向如圖所示。為了避免漏磁阻減小影響耦合系數(shù)，可增大側(cè)柱部分的磁芯寬度、同時減小中央 U 部分的磁芯寬度，如圖 (b)所示。 改進(jìn)型磁路模型 結(jié)合圖 (b)給出的磁場仿真結(jié)果，根據(jù)磁通耦合程度可將原邊電流產(chǎn)生的所有磁通分為 3 個部分，如圖 所示。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(shù)、同時減小磁芯的體積質(zhì)量。 (3) 實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。 ? 第二章介紹了非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成，非接觸感應(yīng)電能傳輸?shù)脑砗蛢?yōu)點(diǎn)，討論了一些設(shè)計準(zhǔn)則，并介紹了高頻逆變拓?fù)涞倪x取。非接觸電能傳輸技術(shù)涵 蓋功率變換技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)等。在礦井、油田鉆采等場合，采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線直接接觸供 電方式，因接觸摩擦產(chǎn)生的微小電火花，很容易引起爆炸，造成重大事故。 ③ 電池更換，時間短，能保證汽車的正常行駛；存在問題：電池組標(biāo)準(zhǔn)化比較困難，電池組心的問題就難以解決。最終的解決之道當(dāng)然不是限制汽車工業(yè)發(fā)展，而是開 發(fā) 替代石油的新能源，幾乎所有的世界汽車巨頭都在研制新能源汽車。 5 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則 1 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 針對非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成，討論了非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則，在闡述可分離變壓器特點(diǎn)和分類的基礎(chǔ)上，對可分離變壓器的磁路進(jìn)行了分析，進(jìn)而給出了新型非接觸變壓器的磁路模型。 Magic circuit model。 2 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 5 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(yōu)化 10 原有磁路模型的限制 10 改進(jìn)型磁路模型 31 后續(xù)研究工作展望 電動汽車無內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的噪聲，電動機(jī)的噪聲也較內(nèi)燃機(jī)小。隨著功率半導(dǎo)體器件和功率變換技術(shù)的發(fā)展，一種新型的感應(yīng)電能傳輸技術(shù)使大氣隙的非接觸傳輸成為可能。 非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)早在 100 年前就已經(jīng)為人所知，并進(jìn)行了多次實驗嘗試，但因為效 率太低，沒能商業(yè)化。由于非接觸供電效率較低，并且有一定的電磁輻射，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保問題也是非接觸感應(yīng)電能傳輸技 術(shù)應(yīng)考慮的一個重要方面。通過原邊繞組與副邊繞組的感應(yīng)電磁耦合將電能經(jīng)過整流濾波和功率調(diào)節(jié)后提供給用電設(shè)備。 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(yōu)化 可分離變壓器概述 可分離變壓器特點(diǎn) 可分離變壓器是非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，實現(xiàn)電能的非接觸傳輸。 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(jié)構(gòu)比較 為了分析兩種繞組布置方法對耦合系數(shù)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(jìn)行了對比實驗，結(jié)果如表 1 所示。 3 區(qū)為第 3 部分，完全耦合磁通為 MF? 。繞組分繞在兩個底部向外擴(kuò)展的磁芯邊柱上，為分布式平面繞組結(jié)構(gòu)。 ocV?sL scI? sL （ a）戴維南等效電路 （ b）諾頓等效電路 圖 圖 中， ocV? 是變換器副邊感應(yīng)電壓 oc LpV j M I???? （ ） scI? 是變換器副邊短路電流， /sc oc sI V j L???? （ ） 變換器負(fù)載為電阻 R 時，變換器的輸出功率為 ? ?2 22 oco sVRP RL?? ? （ ） 由電工學(xué)知識可知，變換器向負(fù)載 R 提供最大功率的條件是 sRL?? 最大輸出功率為 : 2m a x 122oco oc scsVP V IL?? ? ? （ ） 18 變換器的補(bǔ)償電路 變換器的原、副邊補(bǔ)償電路是指在非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，為了降低變換器原邊開關(guān)管 的電壓電流定額、改善變換器的輸出特性加入的電路，通常采取加入補(bǔ)償電容的方式來實現(xiàn) [14,19,21]。變壓器原邊由交流電網(wǎng)輸入，整流濾波成直流電，并經(jīng)過功率因數(shù)校正，通過高頻逆變給變壓器原邊繞組提供高頻交流電流。根據(jù)式（ ），可得 ? ?222 2Le sLMRR LR??? ? （ ） ? ?2 242sLe sLRC ML?? ?? （ ） eR 稱為反映電阻， eC 稱為反映電容。 開關(guān)模態(tài) 3[ 2t ， 3t ]（如圖 （ c）所示）： 2t 時刻，開關(guān)管 4S 兩端電壓下降到零，開關(guān)管 3S 兩端電壓上升到 Vin，電流 LpI 流過開關(guān)管 1S 和 4S 的反并二極管，變換器處于能量回饋階段。從仿真波形可以看出，開關(guān)管 1S 開通前原邊繞組電流 LpI 流過開關(guān)管 1S 、 4S 的反并二極管，開關(guān)管兩端電壓為零，開關(guān)管 1S 、 4S實現(xiàn)了零電壓開通。導(dǎo)師為我的畢設(shè)選題和完成付出了巨大的精力和心血，同時在 學(xué)習(xí)和生活上 也給了我很多 的幫助。 ? 介紹了非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成，針對應(yīng)用可分離變壓器實現(xiàn)能量傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，討論了非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則。但是零電壓開通是有條件的。 由于 可分離變壓器的耦合系數(shù) K 滿足 0﹤ K﹤ 1，因此，式（ ）中， ? ? 24 2 2 2 2 4228824s p s p o p p oL K L L C R L C R??? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ? 244 2 2 222882s p s p o 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(diǎn)使電路發(fā)生諧振。另一方面，開關(guān)頻率受器件和開關(guān)損耗的限制不能很高，即開關(guān)頻率遠(yuǎn)小于 SPWM 所需的開關(guān)頻率，達(dá)不到輸出高頻電壓（電流）的要求。圖 (c)中，通過補(bǔ)償電容 pC 和原邊繞組 pL 的諧振，流過補(bǔ)償電容 pC 的電流對原邊繞組 pL 電流中具有一定的補(bǔ)償作用，降低了開關(guān)管的電流應(yīng)力，適用于采用集中繞組的應(yīng)用場合?；ジ心Ｐ褪褂酶袘?yīng)電壓和反映電壓的概念來描述原、副邊繞組的耦合關(guān)系。 由近似公式 ()可知，當(dāng) L2g 時，則 k， 相同氣隙條件下變壓器耦合系數(shù)低于文獻(xiàn)。 圖 兩種繞組布置方式的仿真結(jié)果對比 因此，變壓器應(yīng)采用分布式平面繞組結(jié)構(gòu) [2]。 8 （ a）滑動式可分離變壓器 （ b）旋轉(zhuǎn)式可分離變壓器 圖 可分離變壓器示意圖 改進(jìn)型非接觸變壓器 磁芯形狀 T. H. Nishimura 于 1994 年提出了基于傳統(tǒng)非平面磁芯和卷繞繞組結(jié)構(gòu)的非接觸變壓器，如圖 所示。 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計準(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。 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(fù)進(jìn)行電池充電。該公司還將非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)用于電動游船的水下驅(qū)動裝置 [4,12]。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(tǒng)的微波引導(dǎo)和天線在空氣中長距離進(jìn)行能量的傳輸非常困難，能量的控制也很復(fù)雜。另一方面，電動汽車的應(yīng)用可有效地減少對石油資源的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面。 31 本文主要工作總結(jié) 11 非接觸變壓器的優(yōu)化 8 繞組布置 編號 畢業(yè)論文 題 目 電動汽車無線充電系統(tǒng)研究 學(xué)生姓名 學(xué) 號 030720406 學(xué) 院 自動化學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及自動化 班 級 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（論文）誠信承諾書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）（題目： 電動汽車無線充電系統(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。 4 本文研究的意義 4 第二章 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)基本特性研究 7 可分離變壓器特點(diǎn) 8 磁芯形狀 有些研究表明，同樣的原油經(jīng)過粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅(qū)動汽車，其能量利用效率比經(jīng)過精煉變?yōu)槠停俳?jīng)汽油機(jī)驅(qū)動汽車高，因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排量。但是受電場強(qiáng)度和介電常數(shù)以及介電材料的限制，容性電能傳輸?shù)墓こ虒嵱眠€有待進(jìn)一步研究。 90 年代后期，日本、德國等國家相繼投入了一定的經(jīng)費(fèi)從事非接觸電能傳輸?shù)难芯亢蛯嵱没a(chǎn)品開發(fā)，已獲得一定的技術(shù)突破和相應(yīng)的實用產(chǎn)品，如日本大阪富庫公司的單軌型車和無電瓶運(yùn)貨車、德國奧姆富爾 (WAMPELER)公司 DE 150KW 載人電動火車，軌道長度達(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)。未來的交通系統(tǒng)供電需求將為新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)提供廣闊的市場。與傳統(tǒng)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(jī)械磨損和相應(yīng)的維護(hù)問題，可適應(yīng)多種惡劣天氣和環(huán)境，便于實現(xiàn)自動供電。 旋轉(zhuǎn)式，利用了變壓器進(jìn)行能量傳輸不受轉(zhuǎn)速影響的特點(diǎn)，原邊和副邊保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖 （ b）所示 [12,16]。采用集中繞組時，原邊電流產(chǎn)生 的磁通不僅能經(jīng) L 閉合，還能從磁芯邊柱經(jīng)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(shù)。即應(yīng)減小 MFR 、 MPR ，同時增大 1LR 、 2LR 、 3LR ，并盡可能減小 MFR ?；ジ心Ｐ褪橇硪环N描述原、副邊繞組耦合關(guān)系 的電路模型。圖 (b)中，通過補(bǔ)償電容 pC 和原邊繞組 pL 的諧振，對原邊繞組 pL 兩端的電壓有一定的補(bǔ)償作用，即補(bǔ)償電容 pC 上的電壓降可以部分或完全抵消原邊繞組 pL 兩端的電壓降，降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，適用于原邊繞組較長、分散的應(yīng)用場合。為了得到正弦度比較高的正弦波，假設(shè)開關(guān)頻率為正弦波頻率 10 倍