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1、 编号 毕业论文题 目电动汽车无线充电系统研究学生姓名 学 号030720406学 院自动化学院专 业电气工程及自动化班 级0307204指导教师张之梁 副教授二一一年六月南京航空航天大学本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：电动汽车无线充电系统研究）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名： 年 月 日 （学号）：电动汽车无线充电系统研究摘 要非接触感应电能传输技术是一种新型电能传输技术，利用电磁感应理论实现电能有
2、效、安全的传输，在交通运输、航空航天、机器人、医疗器械、照明、便携式电子产品、矿井和水下应用等场合有着广泛的应用前景。本文对非接触感应电能传输系统中的功率变换器的一些关键技术进行了研究。首先介绍了非接触感应电能传输的原理、研究现状和发展趋势。针对非接触感应电能传输系统的构成，讨论了非接触感应电能传输系统的设计准则，在阐述可分离变压器特点和分类的基础上，对可分离变压器的磁路进行了分析，进而给出了新型非接触变压器的磁路模型。其次，对带可分离变压器的全桥串联谐振变换器的电路特性进行了分析，分析了变换器的谐振频率，对移相控制的带可分离变压器的全桥串联谐振变换器进行了电路仿真。最终的仿真结果能够满足系统
3、的要求，并能够稳定工作，达到预期目标。关键词：非接触感应电能传输系统，可分离变压器，磁路模型，全桥串联谐振变换器The Research of Electric Vehicle Wireless Charging SystemAbstractContactless inductive power transfer technique is a novel power transfer method, which utilizes the electromagnetic coupling theory to achieve contactless power transfer effective
4、ly and safely. Therefore this technique is widely used in many applications such as public transport systems, aviation and space systems, robots, medical plants, lighting, compact electronic devices, mine and water applications.The paper focuses on some key technologies of the contactless inductive
5、power system. Firstly, the main operation principle, research status and development trends are introduced. Some design guide lines are discussed based on the structure of the system. The magnetic circuit of the separate transformer is analyzed on the base of the introduction of the characteristics
6、and types of the separate transformer. The characteristics of the full bridge series resonant converter with the separate transformer and the resonant frequency are analyzed. The full bridge series resonant converter is analyzed by circuit simulation. The final simulation results will meet the syste
7、m requirements and work stability to achieve the desired goals.Key Words： Contactless inductive power transfer system; Separate transformer; Magnetic circuit model; full bridge series resonant converter目 录摘 要iAbstractii第一章 绪 论- 1 -1.1 论文选题背景- 1 -1.2 非接触感应能量传输系统的研究现状及发展趋势- 2 -1.2.1 非接触感应能量传输系统的研究现状-
8、2 -1.2.2 非接触感应能量传输系统的发展趋势- 3 -1.3 本文研究的意义及内容- 4 -1.3.1 本文研究的意义- 4 -1.3.2 本文研究的内容- 4 -第二章 非接触感应电能传输系统基本特性研究- 5 -2.1 非接触感应电能传输系统的构成- 5 -2.2 非接触感应电能传输的原理及优点- 5 -2.3 非接触感应电能传输系统的设计准则- 5 -第三章 可分离变压器概述与新型非接触变压器的磁路模型及其优化- 7 -3.1 可分离变压器概述- 7 -3.1.1 可分离变压器特点- 7 -3.1.2 可分离变压器的分类- 7 -3.2 改进型非接触变压器- 8 -3.2.1 磁芯
9、形状- 8 -3.2.2 绕组布置- 9 -3.3 改进型非接触变压器的磁路模型- 11 -3.3.1 原有磁路模型的限制- 11 -3.3.2 改进型磁路模型- 11 -3.4 非接触变压器的优化- 13 -3.4.1 变压器优化方法- 13 -3.4.2 边沿扩展平面U型非接触变压器- 14 -第四章 非接触感应电能传输系统全桥串联谐振变换器的电路特性分析- 16 -4.1 功率变换器的模型- 16 -4.1.1 可分离变压器的等效电路模型- 16 -4.1.2 变换器副边等效电路- 17 -4.1.3 变换器的补偿电路- 18 -4.2 带可分离变压器的全桥串联谐振变换器电路特性分析-
10、20 -4.2.1 带可分离变压器的全桥串联谐振变换器的作用及优点- 20 -4.2.2 带可分离变压器的全桥串联谐振变换器的谐振频率- 20 -4.2.3 移相控制带可分离变压器的全桥串联谐振变换器的分析- 23 -4.3 采用移相控制方式的全桥串联谐振变换器电路仿真- 27 -第五章 总结与展望- 31 -5.1 本文主要工作总结- 31 -5.2 后续研究工作展望- 31 -参考文献- 32 -致 谢- 33 - 32 - 第一章 绪 论1.1 论文选题背景 随着“汽车社会”的逐渐形成，汽车保有量在不断地呈现上升趋势，而石油等资源却捉襟见肘，另一方面，吞下大量汽油的车辆不断排放着有害气体
11、和污染物质。最终的解决之道当然不是限制汽车工业发展，而是开发替代石油的新能源，几乎所有的世界汽车巨头都在研制新能源汽车。新能源汽车的发展方向有多种，从技术发展成熟程度和中国国情来看，纯电动汽车应是大力推广的发展方向。电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不会产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染”。 众所周知，内燃机汽车废气中的CO、HC及NOX、微粒、臭气等污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾。电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。噪声对人的听觉、神经、心血管、消化、内
12、分泌、免疫系统也是有危害的。电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车。特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。有些研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。另一方面，电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外，如果夜间向蓄电池
13、充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。传统电动汽车充电模式有：普通充电，多为交流充电，电压220V或380V，一次需要8-10小时充满；存在问题：需要大量的充电站，占用许多城市用地。快速充电，多为直流充电，一次充电需要10-20分钟左右；存在问题：在短时间内充电完毕需要一个兆瓦级的充电站，难以实现。电池更换，时间短，能保证汽车的正常行驶；存在问题：电池组标准化比较困难，电池组心的问题就难以解决。利用充电桩充电的形式会有以下缺点：同时充电的汽车数目有限，户外有线充电桩易受到损坏，建专用充电站占用大量用地。因此，我们可以采用无线充电形式1。电动汽车无线充电技术有三种模式：电磁感应
14、式、磁场共振式、无线电波式。非接触能量传输系统（感应耦合）-原副边完全分离的非接触变压器，通过磁场的耦合传输电能，使得能量传递过程中供电侧和用电侧没有物理链接。随着功率半导体器件和功率变换技术的发展，一种新型的感应电能传输技术使大气隙的非接触传输成为可能。除传统的导线连接传输外，非接触电能传输包括感应传输、容性传输、电磁波传输。非接触电能传输可通过磁场或电场实现，紧耦合的传输形式如变压器、电容，可以实现无电气连接的能量传输，但是由于磁场铁芯和电场媒质的限制，它们不适合向运动的物体进行大气隙的能量传输。在变压器松耦合的方式下，如果工作频率足够高，磁场的变化率将在原、副边绕组之间引起很强的电磁感应
15、，这使大气隙的能量传输变得可行，这是感应电能传输的基本概念。与感应电能传输类似，容性电能传输可以利用高频变化的电场实现大气隙的电能传输。但是受电场强度和介电常数以及介电材料的限制，容性电能传输的工程实用还有待进一步研究。类似于无线通讯，非接触电能传输也可以采用电磁波的形式，但是采用传统的微波引导和天线在空气中长距离进行能量的传输非常困难，能量的控制也很复杂。在现有的功率变换技术的基础上，感应电能传输技术是工程上最可行的方式。因此本文将对非接触感应电能传输技术进行研究5。1.2 非接触感应能量传输系统的研究现状及发展趋势1.2.1 非接触感应能量传输系统的研究现状自从1831年法拉第揭示电磁感应现象以来，电能的传输主要是由导线直接接触进行的，电气设备一般通过插头和插座等电连接器的接触进行供电4。这种传输方式由于存在摩擦、磨损和裸露导线，很容易产生接触火花，影响了供电的安全性和可靠性，缩短了电气设备的使用寿命。在矿井、油田钻采等场合，采用传统的导线直接接触供电方式，
