電動汽車無線充電技術

電動汽車無線充電技術概述組長：向勇組員：曾金花、任源、張珊珊、池浩、范云飛、許策、李怡祥、黃鑫DSP課外研究課題2023/2/61主要內(nèi)容電動汽車無線充電技術研究背景1電動汽車無線充電技術工作原理2電動汽車無線充電技術應用實例3未來電動汽車無線充電技術展望42023/2/62電動汽車無線充電技術研究背景中國新能源汽車政策進程2023/2/63電動汽車無線充電技術研究背景新能源汽車（乘用車及輕型商用車）示范推廣補助標準（萬元/每輛）2023/2/64電動汽車無線充電技術研究背景十米以上城市公交客車示范推廣補助標準（萬元/每輛）2023/2/65電動汽車無線充電技術研究背景傳統(tǒng)汽車和純電動汽車節(jié)能減排比較無線充電技術研究背景2023/2/66燃料電池技術瓶頸：1.H2的制取、存儲、運輸難題。2.催化劑選取困難，成本太高。純電動汽車

目前更多的是發(fā)展電動汽車電動汽車電動汽車無線充電技術研究背景2023/2/671普通充電

多為交流充電，電壓220V或380V，一次需要8-10小時充滿。

一個有10個位置的電站一天

充30輛汽車，10萬輛汽車需多少個充電站？占用多少城市用地？？2快速充電多為直流充電，一次充電需要10-20分鐘左右。10分鐘左右把35Kw的電池充電完畢大約需要250Kw的充電功率，是一個辦公大樓用電負荷的5倍，不可能在家充！一個充電站開4個充電機，功率就能達到“兆瓦”級，是個難題??！3電池更換

更換電池，時間短，能保證汽車的正常行駛。

電池組標準化比較困難，電池組心就問題難以解決。電動汽車無線充電技術研究背景傳統(tǒng)電動汽車充電模式及其存在的問題2023/2/68同時充電的汽車數(shù)目有限戶外有線充電樁易受到侵害建專用充電站占用大量用地采用無線充電形式電動汽車無線充電技術研究背景充電樁充形式的缺點及其解決辦法2023/2/69電動汽車充電站及充電樁電動汽車無線充電技術研究背景2023/2/610無線充電式充電站電動汽車無線充電技術研究背景2023/2/611無線充電式停車場電動汽車無線充電技術研究背景2023/2/612電動汽車無線充電技術工作原理無線充電的發(fā)展歷史1.

19世紀30年代，邁克爾?法拉第就發(fā)現(xiàn)，周圍磁場的變化將在電線中產(chǎn)生電流。2.

19世紀90年代，愛迪生光譜輻射能研究項目的一名助手尼古拉?特斯拉就曾提出無線電力傳輸?shù)臉?gòu)想。3.香港城市大學電子工程學系許樹源教授在早幾年曾成功研制出“無線電池充電平臺”，需要產(chǎn)品與充電器接觸，它主要利用的是近場電磁耦合原理。4.2007年，美國麻省理工學院的馬林·索爾賈?？耍∕arinSoljacic）等人在無線傳輸電力方面取得了新進展，他們用兩米外的一個電源，“隔地”點亮了一盞60瓦的燈泡。5.最近，有幾家公司已經(jīng)生產(chǎn)出無線充電的手機、mp3、便攜式電腦。

2023/2/613電動汽車無線充電技術工作原理無線輸電頻率相同的共振耦合現(xiàn)象電流震蕩：7兆赫范圍：1米傳輸效率：80%2023/2/614電子產(chǎn)品充電電動汽車無線充電技術工作原理松下產(chǎn)品無線電源聯(lián)盟2023/2/6151電磁感應式23電動汽車無線充電技術工作原理磁場共振式無線電波式三種無線充電方式2023/2/616電磁感應式充電電動汽車無線充電技術工作原理電磁感應——初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應在次級線圈鐘產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端2023/2/617電磁感應式充電系統(tǒng)框圖及應用電動汽車無線充電技術工作原理2023/2/618無線電波式充電電動汽車無線充電技術工作原理基本原理——類似于早期使用的礦石收音機，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，如圖，接收電路，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負載作出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。Powercast公司研制出可以將無線電波轉(zhuǎn)化成直流電的接收裝置，可在約1米范圍內(nèi)為不同電子裝置的電池充電。2023/2/619磁場共振電動汽車無線充電技術工作原理原理——由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當兩個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量。2023/2/620磁場共振式充電應用電動汽車無線充電技術工作原理2023/2/621三種充電方式對比2023/2/622電動汽車無線充電系統(tǒng)實際結(jié)構(gòu)及原理圖電動汽車無線充電技術工作原理系統(tǒng)由位于汽車外部主級電路和位于汽車的內(nèi)部的次級電路、整流器以及驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成。通常在充電的時候，帶有扁平鐵芯的主級線圈，即耦合器，是通過手動的方式被插在次級鐵芯中一個縫隙處，這樣，能量就能夠從安置在底層的主級電路被轉(zhuǎn)換到電池中。2023/2/623電動汽車無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理圖電動汽車無線充電技術工作原理2023/2/624電動汽車無線充電技術應用實例感應充電觀光車韓國首爾一座游樂園內(nèi)試運行一種新型電車。這種電車在鋪有電感應條的路面上行駛時可“無線”充電，不像傳統(tǒng)電車需通過路軌或頭頂電線獲得電力。

2023/2/625印度無線充電車(REVANXG)電動汽車無線充電技術應用實例REVANXG則是一款雙門運動車型，擁有玻璃車頂，最高時速達130公里，一次充電可持續(xù)行駛200公里，這款車預計2011年上市。2023/2/626日產(chǎn)魔方電動車電動汽車無線充電技術應用實例采用了可在供電線圈和受電線圈之間提供電力的電磁感應方式.即將一個受電線圈裝置安裝在汽車的底盤上，將另一個供電線圈裝置安裝在地面，當電動汽車駛到供電線圈裝置上，受電線圈即可接受到供電線圈的電流，從而對電池進行充電。目前，這套裝置的額定輸出功率為10kW，一般的電動汽車可在7-8小時內(nèi)完成充電。2023/2/627電動汽車無線充電技術應用實例日本無線充電式混合動力巴士電磁感應式，供電線圈是埋入充電臺的混凝土中的。車開上充電臺后，當車載線圈對準供電線圈后（重合），車內(nèi)的儀表板上有一個指示燈會亮，司機按一下充電按鈕，就開始充電。2023/2/628電動汽車無線充電技術應用實例日本無線充電式混合動力巴士結(jié)構(gòu)2023/2/629基于電磁感應原理的無接觸電能傳輸系統(tǒng)的分析與設計新型感應耦合式無接觸電能傳輸系統(tǒng)主要由三大部分組成，即能量發(fā)送端，無接觸變壓器和能量接收端，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。2023/2/630能量發(fā)送端主要由整流濾波電路、高頻逆變裝置和控制電路(調(diào)節(jié)逆變頻率及脈寬)構(gòu)成，其主要功能是產(chǎn)生交流能量并使之通過分離功率變壓器傳輸?shù)侥芰拷邮掌?。能量接收端與變壓器次級連接，具有可靈活移動的特點，由輸出整流濾波環(huán)節(jié)和控制電路構(gòu)成，提供負載所需的電能量。發(fā)送器和接收器之間相對獨立(無機械、電氣連接)，但又通過無接觸變壓器的磁場耦合具有能量相關性。系統(tǒng)工作時，在輸入端將工頻交流電經(jīng)過整流和濾波后進人逆變裝置(Inverter)轉(zhuǎn)換成高頻交流電流供給變壓器初級繞組。輸入能量經(jīng)過變壓器感應耦合后，次級端口輸出的是高頻電流，根據(jù)負載具體需求，將接收到的能量調(diào)節(jié)為滿足負載所需。DSP課外研究課題一、拓撲選擇在無接觸電能傳輸系統(tǒng)中，高頻變壓器的初級和次級是分離的，從而導致漏感較大，在電路上會產(chǎn)生很大的功率損耗、器件應力和開關損耗。為了解決這些問題，利用漏感作為諧振電感的諧振變換器為最好的選擇J。無接觸電能傳輸可以提供較好的正弦波形，吸收了變壓器漏感和功率器件的寄生電容，消除了電壓尖峰和浪涌電流，電磁干擾和電磁噪聲，降低了器件的開關應力，實現(xiàn)了零電流或零電壓開關。結(jié)合實際設計所需，選擇串聯(lián)諧振的ZVS半橋變換器，如圖2所示。2023/2/631二、無接觸變壓器模型分析2.1補償前無接觸變壓器模型分析2023/2/632二、無接觸變壓器模型分析2.2補償后無接觸變壓器模型分析對于普通的變壓器，由于初級和次級耦合較好，初、次級漏感都較小，可忽略不計，由方程(3)可知，系統(tǒng)電抗分量小，輸出電壓與負載無關。但是，對于無接觸變壓器，由于氣隙較大，耦合較差，初級和次級漏感很大，系統(tǒng)輸出電壓和輸出功率都相應減小，為改善系統(tǒng)傳輸性能，提高效率，可對次級進行補償，具體的方法有次級串聯(lián)電容補償和并聯(lián)電容補償。如圖4所示為次級串聯(lián)電容補償電路。2023/2/633DSP課外研究課題

以上為一般性分析，如果用于串聯(lián)諧振式半橋變換器電路中，還應該考慮初級串聯(lián)的諧振電容以及開關管的寄生電容。2023/2/634無接觸變壓器設計

無接觸變壓器的設計是系統(tǒng)設計的核心部分。在經(jīng)過初級諧振和次級補償之后，我們解決了初級和次級的漏感對系統(tǒng)電能傳輸?shù)挠绊?，系統(tǒng)次級的輸出只與電壓以及初次級的匝比有關。(1)鐵芯材料的選擇對非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)中松耦合變壓器的鐵芯材料的選擇，一般有以下幾個要求：①磁導率要高；②具有很小的矯頑力狹窄的磁滯回線；③電阻率要高；④有足夠大的飽和磁感應強度；⑤磁損率要小；⑥居里溫度要高。一般來講，鐵氧體、鐵鎳軟磁合金、非晶合金都能滿足非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)中變壓器鐵芯材料的要求。從性能上看，非晶合金總體性能優(yōu)于其他軟磁材料，非晶合金中的鐵基微晶是其中最優(yōu)的磁性材料。(2)氣隙大小氣隙大小是松耦合變壓器耦合系數(shù)的關鍵因素之一。在非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)中，應根據(jù)變壓器氣隙大小和變化范圍選取合適的變壓器結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，使變壓器在氣隙規(guī)定變化范圍內(nèi)，保證耦合系數(shù)變化較小，保持較高的耦合系數(shù)，這樣有利于系統(tǒng)的優(yōu)化設計和效率的提高。2023/2/635四、控制策略

普通的半橋串聯(lián)諧振式ZVS變換器一般采用PFM的控制策略。輸出電壓經(jīng)過光耦隔離，將電壓信號反饋到控制電路，控制電路根據(jù)反饋的電壓信號調(diào)節(jié)其輸出驅(qū)動信號的頻率，從而改變開關管的導通，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。然而，在感應耦合式無接觸電能傳輸系統(tǒng)中，初、次級是完全分開的，即使通過光耦隔離仍然是無法接受的，并且由于無接觸電能傳輸系統(tǒng)的漏感很大，頻率的變化將對補償效果影響很大。綜合以上考慮，我們設計了一種新型的控制方案—初級端固定控制信號的頻率與導通角，實現(xiàn)初級開關管的ZVS軟開關，以及Buck型降壓電路實現(xiàn)最好的補償效果；次級使用PWM控制的Buck型降壓電路，調(diào)節(jié)輸出電壓，以適應負載的需