湯經(jīng)緯16941132新能源汽車無線充電裝置

畢業(yè)設計說明書新能源汽車無線充電裝置學號16941132姓名湯經(jīng)緯班級機電164專業(yè)機電一體化技術學院機電技術學院指導老師周凌完成時間2018年12月5日至2019年4月16日 目錄前言3第一章設計原理41.1短距離傳輸41.2中距離傳輸51.3遠距離傳輸5第二章系統(tǒng)控制6第三章控制方法83.1變頻控制83.2改變電路參數(shù)83.3改變輸入電壓83.4鎖相環(huán)控制8第四章電動汽車無線充電補償結構設計9第五章電動汽車無線充電線圈設計12結論16致謝17參考文獻18 前言隨著我國改革開放以來經(jīng)濟飛速發(fā)展，汽車產業(yè)的工業(yè)也在隨時代的變化下迅速發(fā)展，相信大家可能都知道，許多汽車使用石油作為能源。但是，現(xiàn)在的汽車在市場上也出現(xiàn)了新能源車。新能源汽車利用光能，電能等清潔能源作為動力，采用新型汽車動力裝置，集車輛控制和驅動技術于一體，形成汽車的新技術和新結構。新能源汽車的能源技術較成熟簡單，對環(huán)境的污染小等等，但他的續(xù)航問題卻讓許多用戶很頭疼甚至對電動汽車表示反感，蓄電池的儲存能量太少，而且電池的價格也比較昂貴，雖然有很多地方有新能源汽車的充電樁，但是畢竟還沒有完全普及，所以汽車也有拋錨在路上找不到充電樁的尷尬這種事情也是經(jīng)常發(fā)生的。即便沒有開著開著沒電了，用常規(guī)的220v充電器充滿電也需要20個小時。我們想象如果將一張墊子放在停車場上，汽車停在墊子上面即可充能，類似與手機無線充電的技術，這樣不僅告別線累贅繁瑣，充電的設備占用空間較小、充電不受許多約束，還大大增加了了空間的利用率。電動汽車無線充電技術通過利用埋于地面以下的供電設備用高頻率的交變磁場的形式將電能傳輸?shù)降孛嫔戏秶畠鹊能囕v接收端電能拾取裝置，進而給車載存儲用電設備供電，這樣可以讓車上裝載少量電池組，大大增加了它續(xù)航能力，同時電能補給變更加便捷安全。動態(tài)無線供電技術的主要參數(shù)指標有電能傳輸距離、功率、效率、藕合機構側移適應能力、電磁兼容特性等。從而，開發(fā)大功率、高效率、強側移適應的能力、電磁輻射比較低、價格便宜的動態(tài)無線充能系統(tǒng)，國內外的各大研究機構都紛紛研究這一系統(tǒng)。 第一章設計原理電動汽車的無線供電系統(tǒng)主要由四個部分構成，分別是：高頻直流/交流轉換器、帶功率因素矯正的交流/直流轉換器、整流器、非接觸式諧振變換器。具體結構如圖1所示，首先，單相或三相交流電通過具有功率因數(shù)校正功能的交直流變換器，再轉換成高壓直流電。高壓直流經(jīng)整流后，通過全橋DC/AC變換器，形成高頻交流方波，與非接觸諧振變換器的一次輸入端相連。因此線圈產生交變磁場并具有交流電。二次側的線圈利用感應一次側而線圈產生的交流變流磁場中產生了交流電，經(jīng)過整流后從而轉化成為直流電，為新能源汽車蓄電池補充電量。如果通過調整一次側的前電壓來調節(jié)功率，則應在一次側線圈功率因數(shù)校正后增加降壓電路。如果你想要汽車的功率可調，你需要在次級線圈整流器之后增加一個功率調節(jié)電路。具體結構如圖1.1中虛線所示：圖圖1.1電動汽車無線充電系統(tǒng)無線電力傳輸技術根據(jù)傳輸距離的不同可以分為以下三類：1.1短距離傳輸通過電感電力傳輸來實現(xiàn)，這種技術通常用于給小型的電子設備充電。它的主要介質是磁場，再使用變壓器耦合原理，使用初級線圈與次級線圈電磁感應原理從而來產生了電流，電磁場可以通過許多非金屬材質多物體，而電能也可以通過許多非金屬材料傳輸。這種技術的缺點就是電磁感應受限于比較短的發(fā)射端和接受端，因此傳輸距離大概是10厘米。 1.2中距離傳輸 通過電磁耦合技術來實現(xiàn)，這種技術可以為MP3、手機等終端設備進行充電。電磁耦合技術是基于接收線圈和發(fā)射線圈頻率相同的原理，從而產生了強電磁耦合原理工作的。但電磁共振的原理相對于電磁感應來比較磁場要弱的很多，所以傳輸?shù)墓β室部梢赃_到上千瓦，因此可以實現(xiàn)中距離傳輸，這種技術傳輸?shù)木嚯x可以達到3～4米。 1.3遠距離傳輸 通過lpt技術或mpt技術實現(xiàn)，對于空間技術領域或者新能源技術來說mpt技術就是把電能轉換成微波，使微波經(jīng)過空間傳送至目的地，到達指定位置后再經(jīng)過整流轉變成直流電，為負載進行充電。微波適用于電能的大規(guī)模、長距離傳輸，受到環(huán)境的限制。LPT技術使用由激光器、相對較小的功率傳送的大量能量來實現(xiàn)遠程傳輸?shù)哪康?。Lpt技術的優(yōu)點是方向性強，能量集中。沒有干擾通信衛(wèi)星的危險，但是在傳輸?shù)倪^程中會損失部分能量。相較于傳統(tǒng)的燃油汽車，電動汽車優(yōu)點就顯得非常的明顯了，而電動汽車的充電設施還停留在充電樁充電，若是使用本設計所提出的無線充電技術，就可以大大地節(jié)約有限的空間，將來更有可能將無線充電裝置布置在公路上，這樣電動汽車就可以實現(xiàn)邊行駛邊充電，這樣理論上電動汽車就可以獲得無線的續(xù)航能力。至于以上三種距離的傳輸方式，電動汽車若是想實現(xiàn)無線傳輸顯然不能使用短距離傳輸，因為這種傳輸距離過短，不適合用于汽車的無線充電；而遠距離則多用于太空技術，應用在汽車上過于浪費，且成本更高。綜上所述， 使用中距離傳輸是最為合適的一種無線傳輸方式。 第二章系統(tǒng)控制新能源車輛的無線充電系統(tǒng)的主控制裝置和子控制器需要信息交換。在這種情況下，需得到無線通信系統(tǒng)的支持，主側和次側的相對位置的變化也會影響耦合系數(shù)，進而影響無線充電裝置的效率傳輸和功率大小。所以，單憑司機一人是不能夠準確的停在合適的位置的，必須要有一個位置檢測系統(tǒng)來幫助司機找到合適的停車位置。當金屬或者小動物又或是其他障礙物進入副邊線圈與原邊線圈之間時也會使充電效率降低，甚至會導致安全事故，因此，異常物體檢測系統(tǒng)可以檢測出副邊線圈與原邊線圈之間是否有金屬材料或者小動物之類的障礙物，一旦檢測到異常，系統(tǒng)將自動停止充電，并告知司機。如圖2.1系統(tǒng)流程圖

圖圖2.1系統(tǒng)流程圖第三章控制方法無線電能傳輸系統(tǒng)的控制方式就和普通的諧振變換器差不多，主要就是有變頻控制、改變電路參數(shù)、改變輸入電壓、鎖相環(huán)控制等方法。下面我們逐一解釋這幾種控制方法的具體含義。3.1變頻控制該控制方法主要用于電磁感應無線傳輸方案。通過控制輸入開關的頻率來改變輸入功率。這種方法雖然簡單，但是缺點也很明顯，比如說偏離額度功率時無用功增大，使得效率變低并且很容易失控。3.2改變電路參數(shù)這種控制方法普遍用在小功率的無線電能傳輸系統(tǒng)中。與頻率的變換控制方式不同，通過改變諧振的電容來改變電路的諧振頻率。3.3改變輸入電壓這種方法是改變無線電能傳輸諧振變換器的輸入電壓使傳輸功率發(fā)生改變，此方法比較適用于大功率的電磁共振式無線傳輸系統(tǒng)。但是，缺點是需要增加額外的升壓或降壓變換器。值得一提的是，本設計采用的就是這種控制方法。3.4鎖相環(huán)控制這種控制方法需要與脈寬調制控制相結合。具體地說，在調整脈寬調制來調整傳輸功率的基礎上，采用鎖相環(huán)控制來改變工作頻率來實現(xiàn)開關。鎖相環(huán)(PLL)控制檢測輸入電流，計算輸入電流與輸入電壓的零交叉信號之間的相位差，從而改變頻率轉換器的頻率。將計算出的相位差設為固定值來實現(xiàn)開關。該控制方法適用于電磁感應無線傳輸系統(tǒng)，主要用于低功率控制。第四章電動汽車無線充電補償結構設計新能源電動汽車的無線充電的技術主要由感應耦合和電磁共振組成。這些技術都需要用于形成諧振電路和非接觸諧振轉換器的線圈和補償網(wǎng)絡。線圈補償網(wǎng)絡最小化裝置的電壓安培容量，二次線圈補償網(wǎng)絡改善傳輸效率。系統(tǒng)的第一側和第二側是兩個對話型系統(tǒng)。需要考慮補償網(wǎng)絡的一次側和補償網(wǎng)絡的二次側。根據(jù)電容器與線圈的連接方式，有pp型、ss型、ps型和sp型四種補償?shù)慕Y構。圖圖4.1無線電能傳輸系統(tǒng)補償結構在圖4.1中，Cp用來表示一次側補償電容，Cs用來表示二次側的補償電容，Lp用來表示一次側線圈的電感。一次線圈和二次線圈之間的電感中互感值用M表示，無線電能功率傳輸系統(tǒng)中四個補償結構的補償電容由無線電功率傳輸系統(tǒng)的諧振狀態(tài)決定。二次側補償電容可按下式計算：公式中，ω是額定的諧振頻率。一次側的補償電容計算方法可以按照表4.1。0表4.1一次側電容計算公式如表4.1所示，不難看出三種補償方法，即ps、pp和sp的一次補償電容cp與互感m有關，其中pp和sp也與負載rl有關。在無線電力傳輸系統(tǒng)的設計中，一次側電容是由一個特定的互感M和負載RL決定的，但由于車輛負載和停車位置的不同，一次線圈和二次線圈的相對位置不是設計值，而是隨時間（即動態(tài)充電）而變化的，這就需要兩個線圈中的結果（即互感M）。實際上，耦合不是設計值。另外，關于電動汽車用電電池，電池組等效負載在充電過程中會隨著時間的推移而變化電池的等效負載也會在充電中會隨著時間改變而產生變化，但SS型補償結構的諧振頻率不會因為互感M和負載RL的改變而產生明顯變化。為了提高無線輸電系統(tǒng)實際應用中的電壓或電流輸出能力，通常采用混合補償結構，如lcc補償結構。經(jīng)過研究，設計最終決定使用電磁共振無線充電系統(tǒng)的的SS補償結構，SS型補償結構優(yōu)點在于結構簡單，成本較低。圖4.2即為SS型補償結構等效模型。圖4.2SS型補償結構等效模型如果所有元件都處于理想狀態(tài)，輸入電壓和電流處于同一相位，系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，只考慮一次諧波，參照輸入電壓U，根據(jù)基爾霍夫電流定律/基爾霍夫AB電壓定律，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的共軛。不難看出，當確定輸出電壓和輸入電壓時，輸出功率與初級和次級線圈的互感成反比，當原邊線圈與副邊線圈沒有漂移時出現(xiàn)最小功率。如果傳輸功率（3.7千瓦）與諧振頻率（85千赫茲）已經(jīng)確定，則可確定互感值的大小，進而為線圈的設計做出參考。 第五章電動汽車無線充電線圈設計無論是電磁共振無線充電系統(tǒng)還是感應式無線充電系統(tǒng)，其基本原理都是相似的。交流電注入在初級線圈中，在交變磁場中，二次側的下線圈了產生交變電場。用麥克斯韋方程可表示這一過程：∮EdL-Bdsst∮HdL1Bds式（5.1）st∮DdSdv vol v∮BdS0在這個方程中，電場強度用E表示，用B來表示磁通的密度大小，使用H表示磁場強度的大小，用D來表示電通量密度的大小，用I來表示電流的大小，用ρv來表示電荷密度大小。規(guī)則線圈的結構，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，但是實際應用里，一次線圈和二次線圈的距離較遠，就會影響耦大小，效率降低。因此，為了提高效率，增加耦合度，為了讓傳輸功率穩(wěn)定，通常將軟磁材料添加在初級線圈以下與次級線圈以上，但是計算出線圈中的互感與自感很難，及估算出磁場輻射的大小，但這一問題可以用有限元法來解決。圖5.1矩形線圈結構圖電動汽車無線充電系統(tǒng)的線圈結構需要滿足一定的條件。由于汽車與地面有一定的距離，所以一般來說乘用車的一次側線圈與二次側線圈之間的距離在90mm至150mm之間。并且大多數(shù)司機在停車時都是隨機的，次級線圈總是偏離初級線圈，這就對兩線圈在一定的漂移時能否仍以較高的效率以及一定的功率進行傳輸做出要求。另外，由圖1.1可知，二次側線圈是在汽車上的，其重量以及尺寸都受到限制。目前，線圈的形狀有長方形、環(huán)形、螺線型等。該系統(tǒng)的難度是改進二次線圈和線圈之間的耦合系數(shù)k。為了獲得最佳的耦合系數(shù)，選擇合適的線圈形狀很有必要。實驗中發(fā)現(xiàn)了增加軟磁性材料在一次側線圈的下方和二次側線圈的上方可以提高耦合系數(shù)，為了屏蔽磁場的干擾，道路和汽車的車體下的鋼結構物，在影響無線輸電系統(tǒng)的傳輸效率和電力的同時，防止道路和汽車的車身下的鋼結構物對無線輸電系統(tǒng)的傳輸效率和電力產生影響，防止磁場影響其他設備，軟磁材料的外圍需要覆蓋薄鋁片，具體結構見圖5.2。在該設計的初始階段，主要問題是耦合系數(shù)k、線圈自我感應lp、ls、相互感應m。這些參數(shù)還影響無線充電系統(tǒng)的效率和功率。電動汽車的無線電輸電系統(tǒng)的基本要求是小型、輕量。該設計采用的矩形線圈結構，二次側線圈的外觀尺寸是300mm角。對于頻率從50kHz到100kHz的交流功率，使用AWG38的LZ線。次級線圈的最大功率和電流由電池決定。然而，線圈的電流不僅取決于最大功率和電池包，還取決于線圈與二次線圈之間的相互電感。當存在線圈和二次線圈偏移時，相互電感M減少。因此，為了確保相同的輸出功率，減少UAV以增加線圈電流，增加二次線圈電流。流程基本上沒有變化。計算后，主線圈是AWG38的650lz行，次線圈是AWG38的450LZ線。因為軟磁性材料的優(yōu)化過于復雜，因此在本設計中軟磁性材料選用鐵氧體作為軟磁性材料，并假設其全部覆蓋于線圈之上，應考慮的唯一因素是線圈寸、線圈回路數(shù)N1、二次線圈回路數(shù)N2。圖5.2所展示的時線圈的約束條件以及設計流程，主要參數(shù)見表5.1。圖5.2矩形線圈設計流程表5.1線圈參數(shù)此外，需要通過實際測試測量線圈的相互電感和自我感應，調整補償容量。是設計的無線電輸電系統(tǒng)的參數(shù)。根據(jù)參數(shù)在仿真軟件中可以仿真出系統(tǒng)的輸入輸出特性。圖5.3為系統(tǒng)的仿真波形圖，根據(jù)表5.1與圖5.3可以得到輸入功率3.7千瓦，輸出功率3.61千瓦，仿真效率為97.6%。圖5.3一次側線圈與二次側線圈對齊時的最大輸入輸出電壓電流波形圖 結論自1885年卡爾·本茨研制出第一輛發(fā)動機汽車以來，汽車已經(jīng)經(jīng)歷了一百三十多年的發(fā)展。一直以來，汽車都是以石化燃料（如汽油、柴油）來驅動的，這種方法雖然方便，但是帶來的副作用也是顯而易見的，由于汽車尾氣的排放，空氣也被污染，為了子孫后代，電動汽車應運而生。但是電動汽車的續(xù)航相較于汽油汽車明顯較短，充電樁的出現(xiàn)雖然解決了電動汽車的續(xù)航，但是其占用空間較大，且數(shù)量較少。這項設計提出的電動汽車無線充電系統(tǒng)解決上述問題。如果無線充電系統(tǒng)安裝在高速公路上，請想象電動汽車在駕駛中可以充電，理論上可以獲得無限的續(xù)航里程。本設計介紹了無線充電系統(tǒng)的基本原理與類型，解析了采用ss型補償結構的電磁共振式無線充電系統(tǒng)的特性，并提供了無線充電系統(tǒng)補償結構以及線圈的設計方法。

致謝本論文是在周凌老師認真負責指導下完成的，周老師學富五車、工作態(tài)度一絲不茍、教學認真嚴謹。在在我遇到專業(yè)問題時，周老師總是能幫我找到問題最好的解決方法。在這里，我向周老師對我的認真指導表示由衷的感激和崇敬的敬意。另外，我真心地感謝其他老師與同學在完成論文的過程帶給我很大的幫助。寫好這篇論文離不開他們的幫助和教導。轉瞬即逝我們就離開了學校，非常感激曾經(jīng)教我的老師，也非常感謝曾經(jīng)幫助過我的朋友，我們在學習的路上有他們一路相伴，變得越來越好，也感謝我們班的班主任單老師在這個地方我祝大家在今后的生活里事業(yè)進步，幸?？鞓罚?/p>