【正文】 ? 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。 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。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諧振變換器如圖 所示， 1S 4S 是開關管（ IGBT）， PC 是諧振電容（同時也是變換器的原邊串聯補償電容）， 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 是阻性負載，變換器副邊未加補償電容。圖 (c)中，補償電容 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，輸出電流與負載無關，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，可增大側柱部分的磁芯寬度、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。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。 (3) 實現開關管的軟開關。 ? 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(yōu)點，討論了一些設計準則，并介紹了高頻逆變拓撲的選取。非接觸電能傳輸技術涵 蓋功率變換技術、電磁感應技術等。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。 ③ 電池更換，時間短，能保證汽車的正常行駛；存在問題：電池組標準化比較困難，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 非接觸感應電能傳輸系統的設計準則 1 非接觸感 應能量傳輸系統的研究現狀及發(fā)展趨勢 針對非接觸感應電能傳輸系統的構成，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。 Magic circuit model。 2 非接觸感應能量傳輸系統的發(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 改進型磁路模型 31 后續(xù)研究工作展望 電動汽車無內燃機產生的噪聲，電動機的噪聲也較內燃機小。隨著功率半導體器件和功率變換技術的發(fā)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。 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(yè)化。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(huán)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。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(jié)后提供給用電設備。 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 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。 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。 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展的磁芯邊柱上，為分布式平面繞組結構。 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???? （ ） 變換器負載為電阻 R 時，變換器的輸出功率為 ? ?2 22 oco sVRP RL?? ? （ ） 由電工學知識可知，變換器向負載 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 變換器的補償電路 變換器的原、副邊補償電路是指在非接觸感應電能傳輸系統中，為了降低變換器原邊開關管 的電壓電流定額、改善變換器的輸出特性加入的電路，通常采取加入補償電容的方式來實現 [14,19,21]。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。根據式（ ），可得 ? ?222 2Le sLMRR LR??? ? （ ） ? ?2 242sLe sLRC ML?? ?? （ ） eR 稱為反映電阻， eC 稱為反映電容。 開關模態(tài) 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。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。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。 ? 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。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 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使電路發(fā)生諧振。另一方面，開關頻率受器件和開關損耗的限制不能很高，即開關頻率遠小于 SPWM 所需的開關頻率，達不到輸出高頻電壓（電流）的要求。圖 (c)中，通過補償電容 pC 和原邊繞組 pL 的諧振，流過補償電容 pC 的電流對原邊繞組 pL 電流中具有一定的補償作用，降低了開關管的電流應力，適用于采用集中繞組的應用場合?；ジ心Ｐ褪褂酶袘妷汉头从畴妷旱母拍顏砻枋鲈⒏边吚@組的耦合關系。 由近似公式 ()可知，當 L2g 時，則 k， 相同氣隙條件下變壓器耦合系數低于文獻。 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]。 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。 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。 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。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]。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。另一方面，電動汽車的應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 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研究 學生姓名 學 號 030720406 學 院 自動化學院 專 業(yè) 電氣工程及自動化 班 級 0307204 指導教師 張之梁 副教授 二 〇 一一 年六月 南京航空航天大學 本科畢業(yè)設計（論文）誠信承諾書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文）（題目： 電動汽車無線充電系統研究 ）是本人在導師的指導下獨 立進行研究所取得的成果。 4 本文研究的意義 4 第二章 非接觸感應電能傳輸系統基本特性研究 7 可分離變壓器特點 8 磁芯形狀 有些研究表明，同樣的原油經過粗煉，送至電廠發(fā)電，經充入電池，再由電池驅動汽車，其能量利用效率比經過精煉變?yōu)槠?，再經汽油機驅動汽車高，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。 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(fā)，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。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。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(huán)境，便于實現自動供電。 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(tài)，如圖 （ b）所示 [12,16]。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。即應減小 MFR 、 MPR ，同時增大 1LR 、 2LR 、 3LR ，并盡可能減小 MFR 。互感模型是另一種描述原、副邊繞組耦合關系 的電路模型。圖 (b)中，通過補償電容 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償作用，即補償電容 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，降低了開關管的電壓應力，適用于原邊繞組較長、分散的應用場合。為了得到正弦度比較高的正弦波，假設開關頻率為正弦波頻率 10 倍