節(jié)能減排-WiEV-作品說明書

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電動汽車諧振式動態(tài)無線供/充電裝置設(shè)計說明書設(shè)計者：黃潤鴻，王振亞，周麗萍，芮強，詹玉香，鄭浩，周文棟指導(dǎo)老師：張波 教授（華南理工大學(xué)電力學(xué)院、電信學(xué)院，廣州 ）通過實驗設(shè)計了一套電動汽車諧振式動態(tài)無線供/充電裝置，如圖1（a）和（b）所示，其主要目的是為了克服現(xiàn)有電動汽車?yán)m(xù)航能力差，充電時間長等缺點，通過利用諧振式無線電能傳輸技術(shù)可以實現(xiàn)對電動汽車無線充電，特別是動態(tài)充電，即一邊行駛一邊充電，可以有效降低電池容量，節(jié)省用戶充電時間；另外這種無線充電裝置的發(fā)射部分一般埋在地面以下，節(jié)省道路空間，并且安全可靠，可以節(jié)省維護成本。通過優(yōu)化設(shè)計，可以使得電能無線傳輸部分的

2、效率達到90%以上1-2。整個系統(tǒng)主要發(fā)射部分和接收部分，其中發(fā)射部分由工頻交流輸入、整流濾波、高頻逆變及功率放大、電能發(fā)射線圈等模塊組成；接收部分由電能接收線圈、整流穩(wěn)壓模塊、電池/電動機等部分。通常發(fā)射部分一般置于地面以下，接收部分一般集成在電動汽車內(nèi)，如圖2所示。(a) (b)圖1. 電動汽車無線供/充電圖2. 電動汽車無線充電系統(tǒng)示意圖首先對整個系統(tǒng)建立了等效電路模型，并對等效電路進行了理論分析，設(shè)計最優(yōu)的傳輸功率和傳輸效率條件；根據(jù)實際條件設(shè)置了仿真參數(shù)，借助仿真軟件Ansoft HFSS 對發(fā)射線圈和接收線圈之間的高頻電磁場進行了仿真；通過前面的理論分析和仿真，設(shè)置最佳參數(shù)，制作出

3、了一個電動小車的諧振式無線供電裝置，小車可以在沒有外部電池供電的情況正常轉(zhuǎn)動，從而證明本設(shè)計是可行的。聯(lián)系人：黃潤鴻，手機：，E-mail：huang.rh1. 研制背景及意義電動汽車可以很好的解決機動車污染排放和能源短缺問題，符合國家節(jié)能減排的政策需求，因此受到了很多國家和政府的鼓勵和支持。傳統(tǒng)電動汽車一般采用有線充電方式，但其要考慮很多問題：如充電安全問題，特別是下雨的時候，可能導(dǎo)致電擊觸電等意外；另外充電站、插座、電纜等易于損壞，還可能面臨被偷的危險；換電站、充電基站等都是建在地面以上，占用大量空間，影響視線，夜晚容易造成交通事故；還有充電站的建設(shè)和維護成本較高。針對電動汽車有線充電存在

4、的種種弊端，電動汽車無線充電技術(shù)可以有效地解決上述問題。使得電動汽車的充電更加快捷、方便、安全，這有助于電動汽車的進一步推廣和普及。目前無線充電技術(shù)（或無線電能傳輸技術(shù)，Wireless Power Transfer, WPT）主要有三種：諧振式，感應(yīng)式和輻射式。其中感應(yīng)式無線充電技術(shù)在上個世紀(jì)70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，最早應(yīng)用在電動牙刷充電上，最近20多年已經(jīng)在電動汽車（主要包括轎車和公共汽車）領(lǐng)域得到了實驗和應(yīng)用，其充電功率和效率都比較高，其缺點是需要精確對位，傳輸距離小，一般在厘米級別3-4；輻射式無線充電主要包括微波和激光兩種形式，但其頻率很高，一般在GHz以上，容易對人體和生物產(chǎn)生危害，而

5、且電能發(fā)射和接收難度很大，電能傳輸效率很低5；諧振式無線充電技術(shù)在2007年由MIT的學(xué)者提出6，它是一種新型的無線電能傳輸技術(shù)，具有傳輸距離遠（一般可達幾米），效率相對較高，頻率一般為幾MHz，對人體沒有輻射危害，空間自由度大等優(yōu)點。將諧振式無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用在電動汽車的無線充電中，可以實現(xiàn)電能高效、清潔、安全、便捷的利用，示意圖如圖1所示；另外諧振式無線電能傳輸對空間位置不敏感，在一定范圍內(nèi)可以較為穩(wěn)定為系統(tǒng)供電，因此在理論上講，通過設(shè)置多個充電裝置，可以實現(xiàn)電動汽車的動態(tài)充電（在線充電online-charge）7。2. 設(shè)計方案電動汽車諧振式無線充電系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：工頻22

6、0V交流輸入，高頻功率源，發(fā)射線圈，接收線圈，高頻整流電路，反饋控制電路，汽車電池，如圖3所示。其基本工作原理為：系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收電能，經(jīng)整流濾波和高頻逆變后產(chǎn)生高頻交流電，再經(jīng)功率放大電路和阻抗匹配電路送至發(fā)射線圈，當(dāng)發(fā)射線圈的自諧振頻率與系統(tǒng)頻率相同時，發(fā)射線圈的電流最大，產(chǎn)生的磁場最強；此時接收線圈若有相同的自諧振頻率，則會通過磁場產(chǎn)生很強的耦合，從而實現(xiàn)電能的高效傳輸。接收線圈中的電能經(jīng)整流濾波和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路給負(fù)載電池進行充電。同時整個系統(tǒng)通過反饋控制環(huán)節(jié)來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。圖3. 電動汽車諧振式無線充電系統(tǒng)框圖2.1 諧振耦合無線電能傳輸原理諧振耦合無線電能傳輸利用電磁近場共振

7、耦合，把能量以“隧道”的形式從一個諧振線圈高效地傳輸?shù)搅硗庖粋€諧振線圈，而不與或很少與非諧振物體發(fā)生能量交換。理論分析表明未被負(fù)載吸收部分的能量會返回發(fā)射端，從而不會對效率造成影響8。本作品以兩諧振線圈系統(tǒng)為模型，分析諧振耦合無線電能傳輸?shù)幕驹?。完整的兩諧振線圈模型如圖4所示。(a) 兩諧振線圈電路模型(b) 簡化等效模型圖4. 考慮電源內(nèi)阻的兩諧振線圈模型定義S參數(shù)9：（S21代表系統(tǒng)傳輸功率的能力） (1)根據(jù)KVL，可得系統(tǒng)的方程： (2)式中， ，。解得負(fù)載電壓VL與電源電壓VS比值為： (3)則兩諧振線圈模型的S21與耦合系數(shù)k、頻率f之間的關(guān)系如圖5所示。由圖中可見，諧振耦合無

8、線電能傳輸系統(tǒng)存在過耦合、臨界耦合和欠耦合三個區(qū)域。在過耦合區(qū)域，S21會出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象，過了臨界耦合區(qū)域，S21隨著k的減小而指數(shù)衰減。因此，電動汽車無線供/充電的距離應(yīng)該設(shè)計在臨界耦合點處，此時保證電動汽車得到最大的輸出功率?；蛘吒鶕?jù)電動汽車底盤與地面距離的需要，設(shè)計發(fā)射和接收線圈的尺寸，同樣實現(xiàn)電動汽車最佳的輸出功率。圖5. 兩諧振線圈的S21曲線圖2.2 電磁場仿真1）諧振與非諧振的比較仿真結(jié)果如圖6所示。當(dāng)無線發(fā)射線圈和接收線圈處于非諧振狀態(tài)時，由磁場分布可以看出，發(fā)射線圈的能量基本不能傳輸?shù)浇邮站€圈；而當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈處于諧振狀態(tài)時，傳輸效率可以達到很高，這與直觀的概念相符合

9、，即共振能夠高效的傳輸能量。圖6. 磁場分布. (a)非諧振; (b)諧振.2）諧振線圈諧振頻率的確定諧振線圈諧振頻率的確定目前還沒有有效的解析方法來確定，有限元分析則提供了很好的方法。以單個螺旋線圈為例，用HFSS軟件仿真得到的S參數(shù)曲線如圖7所示，根據(jù)圖7的S參數(shù)幅值的最大值可以確定線圈的固有頻率。此方法可為本作品線圈的設(shè)計提供指導(dǎo)，避免通過實驗的方法反復(fù)測量和設(shè)計造成時間的浪費。圖7. S參數(shù)曲線2.3高頻逆變器設(shè)計1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理圖8為典型的E類高頻逆變器，結(jié)構(gòu)簡單，理論轉(zhuǎn)換效率為100%，實際可以做到96%左右。開關(guān)管T采用MOS管，正常工作時要能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。L0為大電感

10、，為負(fù)載網(wǎng)絡(luò)提供恒流；C0為包括MOS管的結(jié)電容和外加電容，輔助實現(xiàn)諧振，使MOS管零電壓開通；C、L和R構(gòu)成諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。圖8. E類高頻逆變器該變換器在穩(wěn)態(tài)下工作時，其工作模態(tài)可以分為四個階段，如圖9所示。圖9. E類高頻逆變器工作模態(tài)2）參數(shù)設(shè)計開關(guān)管T從關(guān)斷到開通的過程中，它的漏極電壓會隨著電容C0和負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的瞬變響應(yīng)而變化。因此定義一個負(fù)載阻尼系數(shù)QL=L/R，當(dāng)QL過低時，開關(guān)管的漏極電壓會在關(guān)斷時刻還沒下降到零，從而會出現(xiàn)大電流和大電壓的情況，從而燒壞開關(guān)管；當(dāng)QL過高時，由于負(fù)載網(wǎng)絡(luò)是一個二階的系統(tǒng)，會使開關(guān)管的漏極電壓下擺到負(fù)值，從而可能會造成開關(guān)管反向擊穿。根據(jù)文獻10，Q

11、L應(yīng)取510，其他參數(shù)的設(shè)計為： (4) (5) (6)根據(jù)以上關(guān)系，可以設(shè)計本作品高頻逆變器的參數(shù)如表1所示。表1 高頻逆變器參數(shù)參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值Vin12VL12.0HL0128HC2.18nFC03.77nFR72.4 線圈形狀設(shè)計無線充電當(dāng)中最常用的有兩種線圈，一種是平面盤式的，一種是空間螺旋式的，如圖10所示?？紤]到實際情況，我們一般采用平面盤式結(jié)構(gòu)（節(jié)省空間，便于安裝）。圖10. 無線充電線圈形狀實際實驗中的線圈與電動小汽車大小相當(dāng)，尺寸約為20*10（單位：cm），為了增強發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合且便于后面計算，我們采用兩片相同的印刷電路板線圈。印制電路板線圈實物如圖11所示

12、。圖11. 印制電路板線圈用精密阻抗分析儀測得線圈內(nèi)阻為1.2，自諧振頻率為25MHz，考慮到系統(tǒng)頻率為1MHz,因此在線圈一端串聯(lián)一陶瓷電容，將其諧振頻率調(diào)到1MHz左右。2.5 整流穩(wěn)壓電路設(shè)計由于在動態(tài)充電過程中接收線圈的電壓波動較大，因此應(yīng)選用較寬范圍的穩(wěn)壓模塊，本裝置中采用美國國家半導(dǎo)體公司（NI）生產(chǎn)的穩(wěn)壓器LM22676-5.0，該芯片輸入電壓范圍較大（8V-42V），輸出穩(wěn)壓5.0V，輸入電流最大可達3A。具體整流和穩(wěn)壓電路如圖12所示。圖12. 整流和穩(wěn)壓電路其中接收線圈為RX，采用全橋整流電路，整流二極管型號為1N5819；穩(wěn)壓電路中具體參數(shù)為：輸入電壓Vin為8V-42V

13、，穩(wěn)壓器采用LM22626-5.0，C1=150uF（電解電容），C2=1uF，電壓采樣電阻R1=1k，R2=2.87k，R3=100k，電感L=10H,電容Cb=10nF，Z為肖特基穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓值為100V，輸出濾波電容Cout=68F，負(fù)載為電動小汽車的驅(qū)動電機。根據(jù)以上各個模塊的參數(shù)分析，設(shè)計制作的電動小汽車無線充電裝置可以正常工作，作品實物照片如圖13所示。發(fā)射線圈在有機玻璃的下層，接收線圈在有機玻璃的上層。左圖發(fā)射線圈和接收線圈錯開，右圖發(fā)射線圈和接收線圈上下重合。電動汽車模型的電池已經(jīng)拆除并放置在旁邊。電動汽車的工作狀態(tài)見附件的視頻。圖13. 作品實物圖3. 創(chuàng)新點及應(yīng)用針對電

14、動汽車有線充電存在的種種不足如：電能安全、雨水電擊；充電站、插座、電纜易于損壞、被偷等；換電站占用大量空間、影響視線等問題。電動汽車動態(tài)諧振式無線充電技術(shù)具有一系列的優(yōu)點，并且有很多創(chuàng)新之處，具體如下：1）充電更加安全適應(yīng)雨雪等惡劣的天氣和環(huán)境等，沒有電火花和觸電危險；一般電能發(fā)射裝置埋藏于地面以下，電能接收裝置位于車體內(nèi)，不易于損壞或被偷。2）充電更方便、快捷，技術(shù)更為先進利用諧振式無線充電技術(shù)可以使電動汽車隨時隨地充電，省去了有線充電繁瑣的過程。3）降低了各種成本由于充電裝置固定于地面以下，沒有凸起的充電站，不影響道路視線，節(jié)省了空間；無積塵和接觸損耗，無機械磨損，沒有相應(yīng)的維護問題，節(jié)省

15、了人力成本；另外動態(tài)諧振式無線充電，可以使電動汽車一邊行駛一邊充電，這樣可以使用較小電池容量，減輕了車體的重量以及電池成本。4）應(yīng)用范圍廣諧振式無線充電技術(shù)可以用于電動轎車和電功公共汽車充電，也可以用于中小功率用電器無線充電，如手機、電腦、機器人等，應(yīng)用前景光明。5）對人體無害諧振式無線輸電屬于近場非輻射能量傳輸，對于人體和周圍非諧振體基本上不會產(chǎn)生任何危害，可以保證安全。本設(shè)計方案具體的節(jié)能減排效果為：1）省去了更換電池的成本：以目前市場的鎳氫電池成本為5萬、電動汽車為500萬輛，備用電池為20%為例，可以省去500億在電池上的投資。而且現(xiàn)在電池的標(biāo)準(zhǔn)沒有統(tǒng)一，額外的投資將會超過這個數(shù)。2）

16、無線充電有利于電網(wǎng)的調(diào)度，實現(xiàn)與電網(wǎng)的智能化互動。以調(diào)峰調(diào)頻為例，對于100萬輛電動汽車和722.73萬kW的峰谷差的情形，可以節(jié)約255.01萬kW調(diào)峰容量，調(diào)峰投資現(xiàn)值節(jié)約56.25億。3）無需日常人工維護，節(jié)省人工費用。以廣州將建200個充電樁為例，每個站需要5個人，人均月薪4000元，一年需要4800萬。參考文獻1 Krishnan S, Bhuyan S, Kumar V P, et al. Frequency agile resonance-based wireless charging system for electric vehiclesC. Proc. 2012 IEEE

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