电动汽车无线充电技术课件

LOGO电动汽汽车无无线充充电技技术概述概述组长组长：向勇：向勇组员组员：曾金花、任源、：曾金花、任源、张张珊珊、池浩、珊珊、池浩、范云范云飞飞、许许策、李怡祥、黄鑫策、李怡祥、黄鑫DSPDSP课课外研究外研究课题课题2024/7/81aLOGO主要内容主要内容 电动汽汽车无无线充充电技技术研究背景研究背景1电动汽汽车无无线充充电技技术工作原理工作原理2电动汽汽车无无线充充电技技术应用用实例例3未来未来电动汽汽车无无线充充电技技术展望展望42024/7/82aLOGO电动汽汽车无无线充充电技技术研究背景研究背景中国新能源汽中国新能源汽车政策政策进程程2024/7/83aLOGO电动汽汽车无无线充充电技技术研究背景研究背景新能源汽新能源汽车（乘用（乘用车及及轻型商用型商用车）示范推广）示范推广补助助标准（万元准（万元/每每辆）2024/7/84aLOGO电动汽汽车无无线充充电技技术研究背景研究背景十米以上城市公交客十米以上城市公交客车示范推广示范推广补助助标准（万元准（万元/每每辆）2024/7/85aLOGO电动汽汽车无无线充充电技技术研究背景研究背景传统汽汽车和和纯电动汽汽车节能减排比能减排比较无线充电技术研究背景2024/7/86aLOGO燃料燃料电池池技技术瓶瓶颈：1.H21.H2的制取、存的制取、存储、运运输难题。2.2.催化催化剂选取困取困难，成本太高。，成本太高。纯电动汽汽车 目前更多的是目前更多的是发展展电动汽汽车电动汽汽车电动汽汽车无无线充充电技技术研究背景研究背景2024/7/87aLOGO1普通充普通充电 多多为交流充交流充电，电压220V220V或或380V380V，一次需要，一次需要8-8-1010小小时充充满。一个有一个有1010个位置的个位置的电站站一天一天 充充3030辆汽汽车，1010万万辆汽汽车需多少个充需多少个充电站？站？占用多少占用多少城市用地城市用地？2快速充快速充电 多多为直流充直流充电，一次充，一次充电需要需要10-2010-20分分钟左右。左右。10 10分分钟左右把左右把35Kw35Kw的的电池充池充电完完毕大大约需要需要250Kw250Kw的充的充电功率，是一个功率，是一个办公公大楼用大楼用电负荷的荷的5 5倍，不可倍，不可能在家充！一个充能在家充！一个充电站开站开4 4个充个充电机，功率就能达到机，功率就能达到“兆瓦兆瓦”级，是个，是个难题！3电池更池更换 更更换电池，池，时间短，能保短，能保证汽汽车的正常行的正常行驶。电池池组标准化准化比比较困困难，电池池组心就心就问题难以解决。以解决。电动汽汽车无无线充充电技技术研究背景研究背景传统电动汽汽车充充电模式及其存在的模式及其存在的问题2024/7/88aLOGO同同时充充电的汽的汽车数目有限数目有限户外有外有线充充电桩易受到侵害易受到侵害建建专用充用充电站占用大量用地站占用大量用地采用无采用无采用无采用无线线充充充充电电形式形式形式形式电动汽汽车无无线充充电技技术研究背景研究背景充充电桩充形式的缺点及其解决充形式的缺点及其解决办法法2024/7/89aLOGO电动汽汽车充充电站及充站及充电桩电动汽汽车无无线充充电技技术研究背景研究背景2024/7/810aLOGO无无线充充电式充式充电站站电动汽汽车无无线充充电技技术研究背景研究背景2024/7/811aLOGO 无无线充充电式停式停车场电动汽汽车无无线充充电技技术研究背景研究背景2024/7/812aLOGO电动汽汽车无无线充充电技技术工作原理工作原理无无线充充电的的发展展历史史1.1.1919世世纪3030年代，年代，迈克克尔 法拉第就法拉第就发现，周，周围磁磁场的的变化将在化将在电线中中产生生电流。流。2.2.1919世世纪9090年代，年代，爱迪生光迪生光谱辐射能研究射能研究项目的一名助手尼古拉目的一名助手尼古拉 特斯拉就特斯拉就曾提出无曾提出无线电力力传输的构想。的构想。3.3.香港城市大学香港城市大学电子工程学系子工程学系许树源教授在早几年曾成功研制出源教授在早几年曾成功研制出“无无线电池池充充电平台平台”，需要，需要产品与充品与充电器接触，它主要利用的是近器接触，它主要利用的是近场电磁耦合原理。磁耦合原理。4.20074.2007年，美国麻省理工学院的年，美国麻省理工学院的马林林索索尔贾希克（希克（Marin SoljacicMarin Soljacic）等人）等人在无在无线传输电力方面取得了新力方面取得了新进展，他展，他们用两米外的一个用两米外的一个电源，源，“隔地隔地”点点亮了一亮了一盏6060瓦的灯泡。瓦的灯泡。5.5.最近，有几家公司已最近，有几家公司已经生生产出无出无线充充电的手机、的手机、mp3mp3、便携式、便携式电脑。2024/7/813aLOGO电动汽汽车无无线充充电技技术工作原理工作原理无无线输电频率相同的共振耦合率相同的共振耦合现象象电流震流震荡：7 7兆赫兆赫范范围：1 1米米传输效率：效率：80%80%2024/7/814aLOGO电子子产品充品充电电动汽汽车无无线充充电技技术工作原理工作原理松下松下产品品无无线电源源联盟盟2024/7/815aLOGO1 1电磁感磁感应式式2 23 3电动汽汽车无无线充充电技技术工作原理工作原理磁磁场共振式共振式无无线电波式波式三种无线充充电方式2024/7/816aLOGO电磁感磁感应式充式充电电动汽汽车无无线充充电技技术工作原理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2024/7/817aLOGO电磁感磁感应式充式充电系系统框框图及及应用用电动汽汽车无无线充充电技技术工作原理工作原理2024/7/818aLOGO无无线电波波式充式充电电动汽汽车无无线充充电技技术工作原理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。2024/7/819aLOGO磁磁场共振共振电动汽汽车无无线充充电技技术工作原理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。2024/7/820aLOGO磁磁场共振式充共振式充电应用用电动汽汽车无无线充充电技技术工作原理工作原理2024/7/821aLOGO三种充三种充电方式方式对比比2024/7/822aLOGO电动汽汽车无无线充充电系系统实际结构及原理构及原理图电动汽汽车无无线充充电技技术工作原理工作原理 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。2024/7/823aLOGO电动汽汽车无无线充充电系系统结构及原理构及原理图电动汽汽车无无线充充电技技术工作原理工作原理2024/7/824aLOGO电动汽汽车无无线充充电技技术应用用实例例感感应充充电观光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。2024/7/825aLOGO印度无印度无线充充电车(REVANXG)(REVANXG)电动汽汽车无无线充充电技技术应用用实例例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。2024/7/826aLOGO日日产魔方魔方电动车电动汽汽车无无线充充电技技术应用用实例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。2024/7/827aLOGO电动汽汽车无无线充充电技技术应用用实例例日本无日本无线充充电式混合式混合动力巴士力巴士电磁感应式，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。2024/7/828aLOGO电动汽汽车无无线充充电技技术应用用实例例日本无日本无线充充电式混合式混合动力巴士力巴士结构构2024/7/829aLOGO基于基于电磁感磁感应原理的无接触原理的无接触电能能传输系系统的分析与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。能量能量发发送端主要由整流送端主要由整流滤滤波波电电路、高路、高频频逆逆变变装装置和控制置和控制电电路路(调节调节逆逆变频变频率及脉率及脉宽宽)构成，其构成，其主要功能是主要功能是产产生交流能量并使之通生交流能量并使之通过过分离功率分离功率变压变压器器传输传输到能量接收器。到能量接收器。能量接收端与能量接收端与变压变压器次器次级连级连接，具有可灵活移接，具有可灵活移动动的特点，由的特点，由输输出整流出整流滤滤波波环节环节和控制和控制电电路构路构成，提供成，提供负载负载所需的所需的电电能量。能量。发发送器和接收器之送器和接收器之间间相相对对独立独立(无机械、无机械、电电气气连连接接)，但又通，但又通过过无接触无接触变压变压器的磁器的磁场场耦合具有能耦合具有能量相关性。量相关性。系系统统工作工作时时，在，在输输入端将工入端将工频频交流交流电经过电经过整流整流和和滤滤波后波后进进人逆人逆变变装置装置(Inverter)(Inverter)转换转换成高成高频频交流交流电电流供流供给变压给变压器初器初级绕组级绕组。输输入能量入能量经过变压经过变压器感器感应应耦合后，次耦合后，次级级端口端口输输出的是高出的是高频电频电流，根据流，根据负载负载具体需求，将接收具体需求，将接收到的能量到的能量调节为满调节为满足足负载负载所需。所需。2024/7/830aLOGODSPDSP课课外研究外研究外研究外研究课题课题一、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。2024/7/831aLOGO二、无接触二、无接触变压器模型分析器模型分析2.1 补偿前无接触变压器模型分析2024/7/832aLOGO二、无接触二、无接触变压器模型分析器模型分析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。2024/7/833aLOGODSPDSP课课外研究外研究外研究外研究课题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。2024/7/834aLOGO无接触无接触变压器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。2024/7/835aLOGO四、控制策略四、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，系统的软开关以及对漏感的补偿，都可以固定工作在最佳状态，所以该方案有利于系统效率的提高，以及输出的稳定。2024/7/836aLOGODSPDSP课课外研究外研究外研究外研究课题课题2024/7/837aLOGO未来未来电动汽汽车无无线充充电技技术展望展望太空太空发电站站该太阳能电站将电能通过无线传输方式传递给空间飞行器或地球表面用户。2024/7/838aLOGODSPDSP课课外研究外研究课题课题2024/7/839a