節(jié)能減排-WiEV-作品說(shuō)明書

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電動(dòng)汽車諧振式動(dòng)態(tài)無(wú)線供/充電裝置設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)者：黃潤(rùn)鴻，王振亞，周麗萍，芮強(qiáng)，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(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套電動(dòng)汽車諧振式動(dòng)態(tài)無(wú)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(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力差，充電時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，通過(guò)利用諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電，特別是動(dòng)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(shí)間；另外這種無(wú)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(hù)成本。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使得電能無(wú)線傳輸部分的

2、效率達(dá)到90%以上1-2。整個(gè)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(dòng)機(jī)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(dòng)汽車內(nèi)，如圖2所示。(a) (b)圖1. 電動(dòng)汽車無(wú)線供/充電圖2. 電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)示意圖首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建立了等效電路模型，并對(duì)等效電路進(jìn)行了理論分析，設(shè)計(jì)最優(yōu)的傳輸功率和傳輸效率條件；根據(jù)實(shí)際條件設(shè)置了仿真參數(shù)，借助仿真軟件Ansoft HFSS 對(duì)發(fā)射線圈和接收線圈之間的高頻電磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真；通過(guò)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(gè)電動(dòng)小車的諧振式無(wú)線供電裝置，小車可以在沒(méi)有外部電池供電的情況正常轉(zhuǎn)動(dòng)，從而證明本設(shè)計(jì)是可行的。聯(lián)系人：黃潤(rùn)鴻，手機(jī)：，E-mail：huang.rh1. 研制背景及意義電動(dòng)汽車可以很好的解決機(jī)動(dòng)車污染排放和能源短缺問(wèn)題，符合國(guó)家節(jié)能減排的政策需求，因此受到了很多國(guó)家和政府的鼓勵(lì)和支持。傳統(tǒng)電動(dòng)汽車一般采用有線充電方式，但其要考慮很多問(wèn)題：如充電安全問(wèn)題，特別是下雨的時(shí)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(xiǎn)；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(hù)成本較高。針對(duì)電動(dòng)汽車有線充電存在

4、的種種弊端，電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)可以有效地解決上述問(wèn)題。使得電動(dòng)汽車的充電更加快捷、方便、安全，這有助于電動(dòng)汽車的進(jìn)一步推廣和普及。目前無(wú)線充電技術(shù)（或無(wú)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(wú)線充電技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，最早應(yīng)用在電動(dòng)牙刷充電上，最近20多年已經(jīng)在電動(dòng)汽車（主要包括轎車和公共汽車）領(lǐng)域得到了實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，其充電功率和效率都比較高，其缺點(diǎn)是需要精確對(duì)位，傳輸距離小，一般在厘米級(jí)別3-4；輻射式無(wú)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(duì)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(wú)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(wú)線電能傳輸技術(shù)，具有傳輸距離遠(yuǎn)（一般可達(dá)幾米），效率相對(duì)較高，頻率一般為幾MHz，對(duì)人體沒(méi)有輻射危害，空間自由度大等優(yōu)點(diǎn)。將諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用在電動(dòng)汽車的無(wú)線充電中，可以實(shí)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(wú)線電能傳輸對(duì)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(guò)設(shè)置多個(gè)充電裝置，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的動(dòng)態(tài)充電（在線充電online-charge）7。2. 設(shè)計(jì)方案電動(dòng)汽車諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)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(shí)，發(fā)射線圈的電流最大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)最強(qiáng)；此時(shí)接收線圈若有相同的自諧振頻率，則會(huì)通過(guò)磁場(chǎng)產(chǎn)生很強(qiáng)的耦合，從而實(shí)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(jìn)行充電。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)反饋控制環(huán)節(jié)來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。圖3. 電動(dòng)汽車諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)框圖2.1 諧振耦合無(wú)線電能傳輸原理諧振耦合無(wú)線電能傳輸利用電磁近場(chǎng)共振

7、耦合，把能量以“隧道”的形式從一個(gè)諧振線圈高效地傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)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(huì)返回發(fā)射端，從而不會(huì)對(duì)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(wú)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(jiǎn)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(jiàn)，諧振耦合無(wú)

8、線電能傳輸系統(tǒng)存在過(guò)耦合、臨界耦合和欠耦合三個(gè)區(qū)域。在過(guò)耦合區(qū)域，S21會(huì)出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象，過(guò)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(dòng)汽車無(wú)線供/充電的距離應(yīng)該設(shè)計(jì)在臨界耦合點(diǎn)處，此時(shí)保證電動(dòng)汽車得到最大的輸出功率?；蛘吒鶕?jù)電動(dòng)汽車底盤與地面距離的需要，設(shè)計(jì)發(fā)射和接收線圈的尺寸，同樣實(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(chǎng)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(wú)線發(fā)射線圈和接收線圈處于非諧振狀態(tài)時(shí)，由磁場(chǎng)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(shí)，傳輸效率可以達(dá)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(chǎng)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(méi)有有效的解析方法來(lái)確定，有限元分析則提供了很好的方法。以單個(gè)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(jì)提供指導(dǎo)，避免通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法反復(fù)測(cè)量和設(shè)計(jì)造成時(shí)間的浪費(fèi)。圖7. S參數(shù)曲線2.3高頻逆變器設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，理論轉(zhuǎn)換效率為100%，實(shí)際可以做到96%左右。開關(guān)管T采用MOS管，正常工作時(shí)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(shí)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(shí)，其工作模態(tài)可以分為四個(gè)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(jì)開關(guān)管T從關(guān)斷到開通的過(guò)程中，它的漏極電壓會(huì)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(gè)負(fù)載阻尼系數(shù)QL=L/R，當(dāng)QL過(guò)低時(shí)，開關(guān)管的漏極電壓會(huì)在關(guān)斷時(shí)刻還沒(méi)下降到零，從而會(huì)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(guò)高時(shí)，由于負(fù)載網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)二階的系統(tǒng)，會(huì)使開關(guān)管的漏極電壓下擺到負(fù)值，從而可能會(huì)造成開關(guān)管反向擊穿。根據(jù)文獻(xiàn)10，Q

11、L應(yīng)取510，其他參數(shù)的設(shè)計(jì)為： (4) (5) (6)根據(jù)以上關(guān)系，可以設(shè)計(jì)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(jì)無(wú)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。考慮到實(shí)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(wú)線充電線圈形狀實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的線圈與電動(dòng)小汽車大小相當(dāng)，尺寸約為20*10（單位：cm），為了增強(qiáng)發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合且便于后面計(jì)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(shí)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(cè)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(jì)由于在動(dòng)態(tài)充電過(guò)程中接收線圈的電壓波動(dòng)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(guó)國(guó)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(dá)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(hào)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(dòng)小汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。根據(jù)以上各個(gè)模塊的參數(shù)分析，設(shè)計(jì)制作的電動(dòng)小汽車無(wú)線充電裝置可以正常工作，作品實(shí)物照片如圖13所示。發(fā)射線圈在有機(jī)玻璃的下層，接收線圈在有機(jī)玻璃的上層。左圖發(fā)射線圈和接收線圈錯(cuò)開，右圖發(fā)射線圈和接收線圈上下重合。電動(dòng)汽車模型的電池已經(jīng)拆除并放置在旁邊。電動(dòng)汽車的工作狀態(tài)見(jiàn)附件的視頻。圖13. 作品實(shí)物圖3. 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用針對(duì)電

14、動(dòng)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(wèn)題。電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)諧振式無(wú)線充電技術(shù)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，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(méi)有電火花和觸電危險(xiǎn)；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(jìn)利用諧振式無(wú)線充電技術(shù)可以使電動(dòng)汽車隨時(shí)隨地充電，省去了有線充電繁瑣的過(guò)程。3）降低了各種成本由于充電裝置固定于地面以下，沒(méi)有凸起的充電站，不影響道路視線，節(jié)省了空間；無(wú)積塵和接觸損耗，無(wú)機(jī)械磨損，沒(méi)有相應(yīng)的維護(hù)問(wèn)題，節(jié)省

15、了人力成本；另外動(dòng)態(tài)諧振式無(wú)線充電，可以使電動(dòng)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(wú)線充電技術(shù)可以用于電動(dòng)轎車和電功公共汽車充電，也可以用于中小功率用電器無(wú)線充電，如手機(jī)、電腦、機(jī)器人等，應(yīng)用前景光明。5）對(duì)人體無(wú)害諧振式無(wú)線輸電屬于近場(chǎng)非輻射能量傳輸，對(duì)于人體和周圍非諧振體基本上不會(huì)產(chǎn)生任何危害，可以保證安全。本設(shè)計(jì)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(chǎng)的鎳氫電池成本為5萬(wàn)、電動(dòng)汽車為500萬(wàn)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(méi)有統(tǒng)一，額外的投資將會(huì)超過(guò)這個(gè)數(shù)。2）

16、無(wú)線充電有利于電網(wǎng)的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的智能化互動(dòng)。以調(diào)峰調(diào)頻為例，對(duì)于100萬(wàn)輛電動(dòng)汽車和722.73萬(wàn)kW的峰谷差的情形，可以節(jié)約255.01萬(wàn)kW調(diào)峰容量，調(diào)峰投資現(xiàn)值節(jié)約56.25億。3）無(wú)需日常人工維護(hù)，節(jié)省人工費(fèi)用。以廣州將建200個(gè)充電樁為例，每個(gè)站需要5個(gè)人，人均月薪4000元，一年需要4800萬(wàn)。參考文獻(xiàn)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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