电动汽车无线充电技术.ppt

2020 3 5 1 电动汽车无线充电技术概述 组长 向勇组员 曾金花 任源 张珊珊 池浩 范云飞 许策 李怡祥 黄鑫 DSP课外研究课题 2020 3 5 2 主要内容 2020 3 5 3 电动汽车无线充电技术研究背景 中国新能源汽车政策进程 2020 3 5 4 电动汽车无线充电技术研究背景 新能源汽车 乘用车及轻型商用车 示范推广补助标准 万元 每辆 2020 3 5 5 电动汽车无线充电技术研究背景 十米以上城市公交客车示范推广补助标准 万元 每辆 2020 3 5 6 电动汽车无线充电技术研究背景 传统汽车和纯电动汽车节能减排比较无线充电技术研究背景 2020 3 5 7 燃料电池技术瓶颈 1 H2的制取 存储 运输难题 2 催化剂选取困难 成本太高 纯电动汽车目前更多的是发展电动汽车 电动汽车 电动汽车无线充电技术研究背景 2020 3 5 8 电动汽车无线充电技术研究背景 传统电动汽车充电模式及其存在的问题 2020 3 5 9 同时充电的汽车数目有限 户外有线充电桩易受到侵害 建专用充电站占用大量用地 采用无线充电形式 电动汽车无线充电技术研究背景 充电桩充形式的缺点及其解决办法 2020 3 5 10 电动汽车充电站及充电桩 电动汽车无线充电技术研究背景 2020 3 5 11 无线充电式充电站 电动汽车无线充电技术研究背景 2020 3 5 12 无线充电式停车场 电动汽车无线充电技术研究背景 2020 3 5 13 电动汽车无线充电技术工作原理 无线充电的发展历史1 19世纪30年代 迈克尔 法拉第就发现 周围磁场的变化将在电线中产生电流 2 19世纪90年代 爱迪生光谱辐射能研究项目的一名助手尼古拉 特斯拉就曾提出无线电力传输的构想 3 香港城市大学电子工程学系许树源教授在早几年曾成功研制出 无线电池充电平台 需要产品与充电器接触 它主要利用的是近场电磁耦合原理 4 2007年 美国麻省理工学院的马林 索尔贾希克 MarinSoljacic 等人在无线传输电力方面取得了新进展 他们用两米外的一个电源 隔地 点亮了一盏60瓦的灯泡 5 最近 有几家公司已经生产出无线充电的手机 mp3 便携式电脑 2020 3 5 14 电动汽车无线充电技术工作原理 无线输电 频率相同的共振耦合现象电流震荡 7兆赫范围 1米传输效率 80 2020 3 5 15 电子产品充电 电动汽车无线充电技术工作原理 松下产品 无线电源联盟 2020 3 5 16 电动汽车无线充电技术工作原理 磁场共振式 无线电波式 三种无线充电方式 2020 3 5 17 电磁感应式充电 电动汽车无线充电技术工作原理 电磁感应 初级线圈一定频率的交流电 通过电磁感应在次级线圈钟产生一定的电流 从而将能量从传输端转移到接收端 2020 3 5 18 电磁感应式充电系统框图及应用 电动汽车无线充电技术工作原理 2020 3 5 19 无线电波式充电 电动汽车无线充电技术工作原理 基本原理 类似于早期使用的矿石收音机 主要有微波发射装置和微波接收装置组成 如图 接收电路 可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量 在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压 Powercast公司研制出可以将无线电波转化成直流电的接收装置 可在约1米范围内为不同电子装置的电池充电 2020 3 5 20 磁场共振 电动汽车无线充电技术工作原理 原理 由能量发送装置 和能量接收装置组成 当两个装置调整到相同频率 或者说在一个特定的频率上共振 它们就可以交换彼此的能量 2020 3 5 21 磁场共振式充电应用 电动汽车无线充电技术工作原理 2020 3 5 22 三种充电方式对比 2020 3 5 23 电动汽车无线充电系统实际结构及原理图 电动汽车无线充电技术工作原理 系统由位于汽车外部主级电路和位于汽车的内部的次级电路 整流器以及驱动系统构成 通常在充电的时候 带有扁平铁芯的主级线圈 即耦合器 是通过手动的方式被插在次级铁芯中一个缝隙处 这样 能量就能够从安置在底层的主级电路被转换到电池中 2020 3 5 24 电动汽车无线充电系统结构及原理图 电动汽车无线充电技术工作原理 2020 3 5 25 电动汽车无线充电技术应用实例 感应充电观光车 韩国首尔一座游乐园内试运行一种新型电车 这种电车在铺有电感应条的路面上行驶时可 无线 充电 不像传统电车需通过路轨或头顶电线获得电力 2020 3 5 26 印度无线充电车 REVANXG 电动汽车无线充电技术应用实例 REVANXG则是一款双门运动车型 拥有玻璃车顶 最高时速达130公里 一次充电可持续行驶200公里 这款车预计2011年上市 2020 3 5 27 日产魔方电动车 电动汽车无线充电技术应用实例 采用了可在供电线圈和受电线圈之间提供电力的电磁感应方式 即将一个受电线圈装置安装在汽车的底盘上 将另一个供电线圈装置安装在地面 当电动汽车驶到供电线圈装置上 受电线圈即可接受到供电线圈的电流 从而对电池进行充电 目前 这套装置的额定输出功率为10kW 一般的电动汽车可在7 8小时内完成充电 2020 3 5 28 电动汽车无线充电技术应用实例 日本无线充电式混合动力巴士 电磁感应式 供电线圈是埋入充电台的混凝土中的 车开上充电台后 当车载线圈对准供电线圈后 重合 车内的仪表板上有一个指示灯会亮 司机按一下充电按钮 就开始充电 2020 3 5 29 电动汽车无线充电技术应用实例 日本无线充电式混合动力巴士结构 2020 3 5 30 基于电磁感应原理的无接触电能传输系统的分析与设计 新型感应耦合式无接触电能传输系统主要由三大部分组成 即能量发送端 无接触变压器和能量接收端 系统构成如图1所示 能量发送端主要由整流滤波电路 高频逆变装置和控制电路 调节逆变频率及脉宽 构成 其主要功能是产生交流能量并使之通过分离功率变压器传输到能量接收器 能量接收端与变压器次级连接 具有可灵活移动的特点 由输出整流滤波环节和控制电路构成 提供负载所需的电能量 发送器和接收器之间相对独立 无机械 电气连接 但又通过无接触变压器的磁场耦合具有能量相关性 系统工作时 在输入端将工频交流电经过整流和滤波后进人逆变装置 Inverter 转换成高频交流电流供给变压器初级绕组 输入能量经过变压器感应耦合后 次级端口输出的是高频电流 根据负载具体需求 将接收到的能量调节为满足负载所需 2020 3 5 31 DSP课外研究课题 一 拓扑选择在无接触电能传输系统中 高频变压器的初级和次级是分离的 从而导致漏感较大 在电路上会产生很大的功率损耗 器件应力和开关损耗 为了解决这些问题 利用漏感作为谐振电感的谐振变换器为最好的选择J 无接触电能传输可以提供较好的正弦波形 吸收了变压器漏感和功率器件的寄生电容 消除了电压尖峰和浪涌电流 电磁干扰和电磁噪声 降低了器件的开关应力 实现了零电流或零电压开关 结合实际设计所需 选择串联谐振的ZVS半桥变换器 如图2所示 2020 3 5 32 二 无接触变压器模型分析 2 1补偿前无接触变压器模型分析 2020 3 5 33 二 无接触变压器模型分析 2 2补偿后无接触变压器模型分析对于普通的变压器 由于初级和次级耦合较好 初 次级漏感都较小 可忽略不计 由方程 3 可知 系统电抗分量小 输出电压与负载无关 但是 对于无接触变压器 由于气隙较大 耦合较差 初级和次级漏感很大 系统输出电压和输出功率都相应减小 为改善系统传输性能 提高效率 可对次级进行补偿 具体的方法有次级串联电容补偿和并联电容补偿 如图4所示为次级串联电容补偿电路 2020 3 5 34 DSP课外研究课题 以上为一般性分析 如果用于串联谐振式半桥变换器电路中 还应该考虑初级串联的谐振电容以及开关管的寄生电容 2020 3 5 35 无接触变压器设计 无接触变压器的设计是系统设计的核心部分 在经过初级谐振和次级补偿之后 我们解决了初级和次级的漏感对系统电能传输的影响 系统次级的输出只与电压以及初次级的匝比有关 1 铁芯材料的选择对非接触感应电能传输系统中松耦合变压器的铁芯材料的选择 一般有以下几个要求 磁导率要高 具有很小的矫顽力狭窄的磁滞回线 电阻率要高 有足够大的饱和磁感应强度 磁损率要小 居里温度要高 一般来讲 铁氧体 铁镍软磁合金 非晶合金都能满足非接触感应电能传输系统中变压器铁芯材料的要求 从性能上看 非晶合金总体性能优于其他软磁材料 非晶合金中的铁基微晶是其中最优的磁性材料 2 气隙大小气隙大小是松耦合变压器耦合系数的关键因素之一 在非接触感应电能传输系统中 应根据变压器气隙大小和变化范围选取合适的变压器结构和工作状态 使变压器在气隙规定变化范围内 保证耦合系数变化较小 保持较高的耦合系数 这样有利于系统的优化设计和效率的提高 2020 3 5 36 四 控制策略 普通的半桥串联谐振式ZVS变换器一般采用PFM的控制策略 输出电压经过光耦隔离 将电压信号反馈到控制电路 控制电路根据反馈的电压信号调节其输出驱动信号的频率 从而改变开关管的导通 以达到稳定输出电压的目的 然而 在感应耦合式无接触电能传输系统中 初 次级是完全分开的 即使通过光耦隔离仍然是无法接受的 并且由于无接触电能传输系统的漏感很大 频率的变化将对补偿效果影响很大 综合以上考虑 我们设计了一种新型的控制方案 初级端固定控制信号的频率与导通角 实现初级开关管的ZVS软开关 以及Buck型降压电路实现最好的补偿效果 次级使用PWM控制的Buck型降压电路 调节输出电压 以适应负载的需求 该方法由于使用两级控制 对普通电源来说效率会有所降低 但对于无接触电能传输系统 由于初级频率的固定 系