汤经纬16941132新能源汽车无线充电装置

毕业设计说明书新能源汽车无线充电装置学号16941132姓名汤经纬班级机电164专业机电一体化技术学院机电技术学院指导老师周凌完成时间2018年12月5日至2019年4月16日 目录前言3第一章设计原理41.1短距离传输41.2中距离传输51.3远距离传输5第二章系统控制6第三章控制方法83.1变频控制83.2改变电路参数83.3改变输入电压83.4锁相环控制8第四章电动汽车无线充电补偿结构设计9第五章电动汽车无线充电线圈设计12结论16致谢17参考文献18 前言随着我国改革开放以来经济飞速发展，汽车产业的工业也在随时代的变化下迅速发展，相信大家可能都知道，许多汽车使用石油作为能源。但是，现在的汽车在市场上也出现了新能源车。新能源汽车利用光能，电能等清洁能源作为动力，采用新型汽车动力装置，集车辆控制和驱动技术于一体，形成汽车的新技术和新结构。新能源汽车的能源技术较成熟简单，对环境的污染小等等，但他的续航问题却让许多用户很头疼甚至对电动汽车表示反感，蓄电池的储存能量太少，而且电池的价格也比较昂贵，虽然有很多地方有新能源汽车的充电桩，但是毕竟还没有完全普及，所以汽车也有抛锚在路上找不到充电桩的尴尬这种事情也是经常发生的。即便没有开着开着没电了，用常规的220v充电器充满电也需要20个小时。我们想象如果将一张垫子放在停车场上，汽车停在垫子上面即可充能，类似与手机无线充电的技术，这样不仅告别线累赘繁琐，充电的设备占用空间较小、充电不受许多约束，还大大增加了了空间的利用率。电动汽车无线充电技术通过利用埋于地面以下的供电设备用高频率的交变磁场的形式将电能传输到地面上范围之内的车辆接收端电能拾取装置，进而给车载存储用电设备供电，这样可以让车上装载少量电池组，大大增加了它续航能力，同时电能补给变更加便捷安全。动态无线供电技术的主要参数指标有电能传输距离、功率、效率、藕合机构侧移适应能力、电磁兼容特性等。从而，开发大功率、高效率、强侧移适应的能力、电磁辐射比较低、价格便宜的动态无线充能系统，国内外的各大研究机构都纷纷研究这一系统。 第一章设计原理电动汽车的无线供电系统主要由四个部分构成，分别是：高频直流/交流转换器、带功率因素矫正的交流/直流转换器、整流器、非接触式谐振变换器。具体结构如图1所示，首先，单相或三相交流电通过具有功率因数校正功能的交直流变换器，再转换成高压直流电。高压直流经整流后，通过全桥DC/AC变换器，形成高频交流方波，与非接触谐振变换器的一次输入端相连。因此线圈产生交变磁场并具有交流电。二次侧的线圈利用感应一次侧而线圈产生的交流变流磁场中产生了交流电，经过整流后从而转化成为直流电，为新能源汽车蓄电池补充电量。如果通过调整一次侧的前电压来调节功率，则应在一次侧线圈功率因数校正后增加降压电路。如果你想要汽车的功率可调，你需要在次级线圈整流器之后增加一个功率调节电路。具体结构如图1.1中虚线所示：图图1.1电动汽车无线充电系统无线电力传输技术根据传输距离的不同可以分为以下三类：1.1短距离传输通过电感电力传输来实现，这种技术通常用于给小型的电子设备充电。它的主要介质是磁场，再使用变压器耦合原理，使用初级线圈与次级线圈电磁感应原理从而来产生了电流，电磁场可以通过许多非金属材质多物体，而电能也可以通过许多非金属材料传输。这种技术的缺点就是电磁感应受限于比较短的发射端和接受端，因此传输距离大概是10厘米。 1.2中距离传输 通过电磁耦合技术来实现，这种技术可以为MP3、手机等终端设备进行充电。电磁耦合技术是基于接收线圈和发射线圈频率相同的原理，从而产生了强电磁耦合原理工作的。但电磁共振的原理相对于电磁感应来比较磁场要弱的很多，所以传输的功率也可以达到上千瓦，因此可以实现中距离传输，这种技术传输的距离可以达到3～4米。 1.3远距离传输 通过lpt技术或mpt技术实现，对于空间技术领域或者新能源技术来说mpt技术就是把电能转换成微波，使微波经过空间传送至目的地，到达指定位置后再经过整流转变成直流电，为负载进行充电。微波适用于电能的大规模、长距离传输，受到环境的限制。LPT技术使用由激光器、相对较小的功率传送的大量能量来实现远程传输的目的。Lpt技术的优点是方向性强，能量集中。没有干扰通信卫星的危险，但是在传输的过程中会损失部分能量。相较于传统的燃油汽车，电动汽车优点就显得非常的明显了，而电动汽车的充电设施还停留在充电桩充电，若是使用本设计所提出的无线充电技术，就可以大大地节约有限的空间，将来更有可能将无线充电装置布置在公路上，这样电动汽车就可以实现边行驶边充电，这样理论上电动汽车就可以获得无线的续航能力。至于以上三种距离的传输方式，电动汽车若是想实现无线传输显然不能使用短距离传输，因为这种传输距离过短，不适合用于汽车的无线充电；而远距离则多用于太空技术，应用在汽车上过于浪费，且成本更高。综上所述， 使用中距离传输是最为合适的一种无线传输方式。 第二章系统控制新能源车辆的无线充电系统的主控制装置和子控制器需要信息交换。在这种情况下，需得到无线通信系统的支持，主侧和次侧的相对位置的变化也会影响耦合系数，进而影响无线充电装置的效率传输和功率大小。所以，单凭司机一人是不能够准确的停在合适的位置的，必须要有一个位置检测系统来帮助司机找到合适的停车位置。当金属或者小动物又或是其他障碍物进入副边线圈与原边线圈之间时也会使充电效率降低，甚至会导致安全事故，因此，异常物体检测系统可以检测出副边线圈与原边线圈之间是否有金属材料或者小动物之类的障碍物，一旦检测到异常，系统将自动停止充电，并告知司机。如图2.1系统流程图

图图2.1系统流程图第三章控制方法无线电能传输系统的控制方式就和普通的谐振变换器差不多，主要就是有变频控制、改变电路参数、改变输入电压、锁相环控制等方法。下面我们逐一解释这几种控制方法的具体含义。3.1变频控制该控制方法主要用于电磁感应无线传输方案。通过控制输入开关的频率来改变输入功率。这种方法虽然简单，但是缺点也很明显，比如说偏离额度功率时无用功增大，使得效率变低并且很容易失控。3.2改变电路参数这种控制方法普遍用在小功率的无线电能传输系统中。与频率的变换控制方式不同，通过改变谐振的电容来改变电路的谐振频率。3.3改变输入电压这种方法是改变无线电能传输谐振变换器的输入电压使传输功率发生改变，此方法比较适用于大功率的电磁共振式无线传输系统。但是，缺点是需要增加额外的升压或降压变换器。值得一提的是，本设计采用的就是这种控制方法。3.4锁相环控制这种控制方法需要与脉宽调制控制相结合。具体地说，在调整脉宽调制来调整传输功率的基础上，采用锁相环控制来改变工作频率来实现开关。锁相环(PLL)控制检测输入电流，计算输入电流与输入电压的零交叉信号之间的相位差，从而改变频率转换器的频率。将计算出的相位差设为固定值来实现开关。该控制方法适用于电磁感应无线传输系统，主要用于低功率控制。第四章电动汽车无线充电补偿结构设计新能源电动汽车的无线充电的技术主要由感应耦合和电磁共振组成。这些技术都需要用于形成谐振电路和非接触谐振转换器的线圈和补偿网络。线圈补偿网络最小化装置的电压安培容量，二次线圈补偿网络改善传输效率。系统的第一侧和第二侧是两个对话型系统。需要考虑补偿网络的一次侧和补偿网络的二次侧。根据电容器与线圈的连接方式，有pp型、ss型、ps型和sp型四种补偿的结构。图图4.1无线电能传输系统补偿结构在图4.1中，Cp用来表示一次侧补偿电容，Cs用来表示二次侧的补偿电容，Lp用来表示一次侧线圈的电感。一次线圈和二次线圈之间的电感中互感值用M表示，无线电能功率传输系统中四个补偿结构的补偿电容由无线电功率传输系统的谐振状态决定。二次侧补偿电容可按下式计算：公式中，ω是额定的谐振频率。一次侧的补偿电容计算方法可以按照表4.1。0表4.1一次侧电容计算公式如表4.1所示，不难看出三种补偿方法，即ps、pp和sp的一次补偿电容cp与互感m有关，其中pp和sp也与负载rl有关。在无线电力传输系统的设计中，一次侧电容是由一个特定的互感M和负载RL决定的，但由于车辆负载和停车位置的不同，一次线圈和二次线圈的相对位置不是设计值，而是随时间（即动态充电）而变化的，这就需要两个线圈中的结果（即互感M）。实际上，耦合不是设计值。另外，关于电动汽车用电电池，电池组等效负载在充电过程中会随着时间的推移而变化电池的等效负载也会在充电中会随着时间改变而产生变化，但SS型补偿结构的谐振频率不会因为互感M和负载RL的改变而产生明显变化。为了提高无线输电系统实际应用中的电压或电流输出能力，通常采用混合补偿结构，如lcc补偿结构。经过研究，设计最终决定使用电磁共振无线充电系统的的SS补偿结构，SS型补偿结构优点在于结构简单，成本较低。图4.2即为SS型补偿结构等效模型。图4.2SS型补偿结构等效模型如果所有元件都处于理想状态，输入电压和电流处于同一相位，系统处于共振状态，只考虑一次谐波，参照输入电压U，根据基尔霍夫电流定律/基尔霍夫AB电压定律，可以得出： U U U UIabab0IABAB90 1jMM 2jMM0 0 0式(4.1)PPRe{UI*}UUoutinAB1MABab0在公式中I是I1的共轭。不难看出，当确定输出电压和输入电压时，输出功率与初级和次级线圈的互感成反比，当原边线圈与副边线圈没有漂移时出现最小功率。如果传输功率（3.7千瓦）与谐振频率（85千赫兹）已经确定，则可确定互感值的大小，进而为线圈的设计做出参考。 第五章电动汽车无线充电线圈设计无论是电磁共振无线充电系统还是感应式无线充电系统，其基本原理都是相似的。交流电注入在初级线圈中，在交变磁场中，二次侧的下线圈了产生交变电场。用麦克斯韦方程可表示这一过程：∮EdL-Bdsst∮HdL1Bds式（5.1）st∮DdSdv vol v∮BdS0在这个方程中，电场强度用E表示，用B来表示磁通的密度大小，使用H表示磁场强度的大小，用D来表示电通量密度的大小，用I来表示电流的大小，用ρv来表示电荷密度大小。规则线圈的结构，使用上述的方程可以很容易的求出H、E、D以及B，求出互感和自感的大小，但是实际应用里，一次线圈和二次线圈的距离较远，就会影响耦大小，效率降低。因此，为了提高效率，增加耦合度，为了让传输功率稳定，通常将软磁材料添加在初级线圈以下与次级线圈以上，但是计算出线圈中的互感与自感很难，及估算出磁场辐射的大小，但这一问题可以用有限元法来解决。图5.1矩形线圈结构图电动汽车无线充电系统的线圈结构需要满足一定的条件。由于汽车与地面有一定的距离，所以一般来说乘用车的一次侧线圈与二次侧线圈之间的距离在90mm至150mm之间。并且大多数司机在停车时都是随机的，次级线圈总是偏离初级线圈，这就对两线圈在一定的漂移时能否仍以较高的效率以及一定的功率进行传输做出要求。另外，由图1.1可知，二次侧线圈是在汽车上的，其重量以及尺寸都受到限制。目前，线圈的形状有长方形、环形、螺线型等。该系统的难度是改进二次线圈和线圈之间的耦合系数k。为了获得最佳的耦合系数，选择合适的线圈形状很有必要。实验中发现了增加软磁性材料在一次侧线圈的下方和二次侧线圈的上方可以提高耦合系数，为了屏蔽磁场的干扰，道路和汽车的车体下的钢结构物，在影响无线输电系统的传输效率和电力的同时，防止道路和汽车的车身下的钢结构物对无线输电系统的传输效率和电力产生影响，防止磁场影响其他设备，软磁材料的外围需要覆盖薄铝片，具体结构见图5.2。在该设计的初始阶段，主要问题是耦合系数k、线圈自我感应lp、ls、相互感应m。这些参数还影响无线充电系统的效率和功率。电动汽车的无线电输电系统的基本要求是小型、轻量。该设计采用的矩形线圈结构，二次侧线圈的外观尺寸是300mm角。对于频率从50kHz到100kHz的交流功率，使用AWG38的LZ线。次级线圈的最大功率和电流由电池决定。然而，线圈的电流不仅取决于最大功率和电池包，还取决于线圈与二次线圈之间的相互电感。当存在线圈和二次线圈偏移时，相互电感M减少。因此，为了确保相同的输出功率，减少UAV以增加线圈电流，增加二次线圈电流。流程基本上没有变化。计算后，主线圈是AWG38的650lz行，次线圈是AWG38的450LZ线。因为软磁性材料的优化过于复杂，因此在本设计中软磁性材料选用铁氧体作为软磁性材料，并假设其全部覆盖于线圈之上，应考虑的唯一因素是线圈寸、线圈回路数N1、二次线圈回路数N2。图5.2所展示的时线圈的约束条件以及设计流程，主要参数见表5.1。图5.2矩形线圈设计流程表5.1线圈参数此外，需要通过实际测试测量线圈的相互电感和自我感应，调整补偿容量。是设计的无线电输电系统的参数。根据参数在仿真软件中可以仿真出系统的输入输出特性。图5.3为系统的仿真波形图，根据表5.1与图5.3可以得到输入功率3.7千瓦，输出功率3.61千瓦，仿真效率为97.6%。图5.3一次侧线圈与二次侧线圈对齐时的最大输入输出电压电流波形图 结论自1885年卡尔·本茨研制出第一辆发动机汽车以来，汽车已经经历了一百三十多年的发展。一直以来，汽车都是以石化燃料（如汽油、柴油）来驱动的，这种方法虽然方便，但是带来的副作用也是显而易见的，由于汽车尾气的排放，空气也被污染，为了子孙后代，电动汽车应运而生。但是电动汽车的续航相较于汽油汽车明显较短，充电桩的出现虽然解决了电动汽车的续航，但是其占用空间较大，且数量较少。这项设计提出的电动汽车无线充电系统解决上述问题。如果无线充电系统安装在高速公路上，请想象电动汽车在驾驶中可以充电，理论上可以获得无限的续航里程。本设计介绍了无线充电系统的基本原理与类型，解析了采用ss型补偿结构的电磁共振式无线充电系统的特性，并提供了无线充电系统补偿结构以及线圈的设计方法。

致谢本论文是在周凌老师认真负责指导下完成的，周老师学富五车、工作态度一丝不苟、教学认真严谨。在在我遇到专业问题时，周老师总是能帮我找到问题最好的解决方法。在这里，我向周老师对我的认真指导表示由衷的感激和崇敬的敬意。另外，我真心地感谢其他老师与同学在完成论文的过程带给我很大的帮助。写好这篇论文离不开他们的帮助和教导。转瞬即逝我们就离开了学校，非常感激曾经教我的老师，也非常感谢曾经帮助过我的朋友，我们在学习的路上有他们一路相伴，变得越来越好，也感谢我们班的班主任单老师在这个地方我祝大家在今后的生活里事业进步，幸福快乐！