非接触式电磁能量转换系统的设计与实现毕业设计.docx

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非接触式电磁能量转换系统的设计与实现毕业设计

毕业论文

GRADUATETHESIS

设计题目：

非接触式电磁能量转换系统的设计与实现

—

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

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1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

摘要

在提倡绿色为能源的倡导下电动车由于零排放无污染电池成本底被认为是认为能最有效解决由于CO2而引起的全球温室效应问题的方法之一，目前大部分的电动车都需要去专门的充电站去充电，或者用路边的充电桩进行充电，为电动汽车使用充电桩进行充电，但一般的快速充电多为直流充电,一次充电需要10-20分钟左右，10分钟左右把35KW的电池冲完需要250KW的发电功率，是一个办公大楼用电负荷的5倍，需求的公路非常大，而接触式充电在电动汽车普及以后是非常受限制的，首先是同时充电的汽车数目有限，其次是户外的有限充电桩容易收到侵害，建专门的充电站则需要大量的用地，在土地资源日益宝贵的今天是非常不划算的。

非接触式充电就显得非常有必要了,非接触式感应电能传输是一种新型电能电能传输技术，利用电磁感应理论实现电能有效、安全的传输，在交通运输、医疗器械、照明、便携式垫子产品、矿井和水下应用的场合有这广泛的应用前景，本文主要对公共场合对电动汽车充电做了研究。

，

关键词:

非接触电能传输　感应耦合　电磁机构　电力电子能量变换技术　磁场耦合技术　大功率高频变换技术

Abstract

inadvocategreenforenergyunderthesponsorshipbecausezeroemissionelectriccarbatterycostbottomisconsiderednopollutionisthoughttothemosteffectivesolvetheCO2andcauseglobalwarmingisoneofthemethods,themostoftheelectriccarallneedtogotoachargingstationtocharge,oruseroadsidechargingpilechargeforelectricvehiclechargingpiletochargetheuse,buttheruleofmorethanfastchargingdccharging,onetimechargeneed10to20minutes,10minutesorsoofthe35KWbatteryrushedoverto250KWpowergenerationpower,isanofficebuildingofelectricalload5timesofdemandtheelectriccarafterchargingpopularityisverylimited,thefirstisatthesametime,thechargingofthelimitednumberofcar,followedbyoutdoorlimitedchargingpileeasytoreceiveviolations,buildingthespecialchargingstation,needalotofland,inthelandofthepreciousresourcestodayveryexpensive.

Non-contactchargeisverynecessary,contact-lessinductivepowertransmissionisanewtypeofelectricenergypowertransmissiontechnology,usingthetheoryofelectromagneticinductionrealizeelectricenergyefficientandsecuretransmission,intransportation,medicalequipment,lighting,portablecushionproducts,minesandunderwaterapplicationoccasions,thispapermainlytothepublicchargingelectricvehicledidastudy.

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Non-contactchargeisverynecessary,contact-lessinductivepowertransmissionisanewtypeofelectricenergypowertransmissiontechnology,usingthetheoryofelectromagneticinductionrealizeelectricenergyefficientandsecuretransmission,intransportation,medicalequipment,lighting,portablecushionproducts,minesandunderwaterapplicationoccasions,thispapermainlytothepublicchargingelectricvehicledidastudy.

Keywordsnon-contactpowertransmission:

inductivecoupling:

ElectroMagneticStructure:

powerelectronicenergytransformtechnology:

magneticfieldcouplingtechnique:

technology

第1章绪论

1.1引言

长期以来，移动电设备（如工厂移动吊装设备，无轨电车、城市轻轨交通等城市载客交通工具、电力机车、矿井采掘与运输设备等）的供电都是采用接触式电能直接传导的传输方式（包括直接导线传输方式、滑动接触方式和滚动接触方式）将电能从供电网络传递给移动设备。

这些电能传输（取电）方式存在着设备移动灵活性差以及环境不美观等缺点，特别是滑动和滚动取电方式还带来了大气高频电磁污染（接触火花等）、机构磨损和大电流载体不安全裸露等影响环境清洁问题，同时给安全供电和环境安全问题带来了很大的影响。

尤其要指出的问题是非可靠接触产生的电磁火花对于有些特殊场合（如含易燃易爆气体的厂矿、生产车间等）极为不利，可能给生产活动带来重大灾难。

以采矿业为例，在2002年中由于接触取电产生的电火花而导致的各种矿难事故死亡人数占整个工矿企业事故死亡人数（12554）中的46％[1]，电能直接传导的另一个问题是由于接触火花对周边环境产生的高频强电磁干扰。

事实证明，随着人们生活以及生产活动范围的扩大，传统的导线接触式电能传输模式已经不能满足生产和生活的要求，人们迫切地需要一种新型的电能传输技术来满足新型电气设备及各种特殊条件下的供电需求。

针对从固定电力系统向移动用电设备的供电问题，新西兰奥克兰大学Boys教授为首的课题组率先研究并实现了基于电磁耦合原理实现电力能量传导的技术，产生了感应耦合电能传输技术（InductiveCoupledPowerTransfer）[2][3]，简称为ICPT技术。

这是一种基于电磁耦合与感应原理，综合利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术、大功率高频变换技术（包括谐振变换技术和电磁兼容设计技术等），借助现代控制理论和方法，实现了电能从静止电网向移动设备的非接触传输技术，由此诞生了一种非接触式电能传输模式。

基于ICPT原理的非接触式电能接入技术是用电设备向固定电网系统获取电能的一种全新模式。

它的出现彻底改变了几百年来人们仅仅依赖于采用接触式电能传导方式的用电设备取电模式，实现了非接触式电能传输。

此外，这种供电方式的另一个重要意义是对其环境的亲和性：

一方面，它可以在非常恶劣的环境下运行，不受环境尘埃、潮湿及化学腐蚀物的影响；另一方面，它本身不对环境形成危害、或释放有害污染，如碳积，废气等。

它的出现打破了在化工、工矿、水下作业等特殊行业中电气设备馈电的限制，开拓了如电气化交通、医疗电子和办公家用电器等方面的应用，并带动了相关技术的发展，具有重要的科学意义，较高的实用价值和广阔的应用前景，可带来巨大的经济和社会效益，因此，专家认为，非接触式电能传输技术必将成为现代工业自动化领域的最新的具有重大意义的研究方向。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

早在20世纪80年代，E.Abel和S.M.Third就提出了非接触式功率传输概念，以替代利用炭刷或拖线获取电能的方式。

进入90年代，该问题引起学术界和工业界的极大关注。

新西兰、日本和德国等国家相继投入了一定的技术力量和经费从事该技术及系统的研究和实用化产品开发，经过十多年的发展，并与电力电子电能变换技术与现代控制技术的发展相结合，在理论与应用发面取得了重大的突破。

从上世纪90年代以来，新西兰奥克兰大学电子计算机工程系以J.T.Boys为首的团队在此领域作了较为深入的研究，其成员主要有呼爱国博士（PatrickAiguoHu）,G.A.Covic,O.H.Stielau,A.W.Green等，他们在IEEE期刊及会议上先后发表了二十余篇论文，对非接触电能传输技术从原理到设计以及在非接触供电轨道车及感应充电等应用方面进行了较为详尽的分析。

文献[5]综述了感应电能传输系统的理论与实际设计要点，因为很多实际ICPT系统的耦合效果都是介于紧耦合与松耦合之间，这种情况下，在设计过程中，必须仔细考虑耦合效应以使其对相位或者频率的影响最小。

对此文中提出了一种新的初级回路补偿设计方法并在一个非接触汽车电池充电器上进行了验证。

介绍了ICPT系统的框架。

该系统采用初、次级双谐振模式。

初级采用推拉式谐振电力变频电路将电力电源的频率提升到10KHz，并在传导介质中产生低畸变和低RFI的高频正弦波电流，从而产生交变磁场，而次级采用开关模式谐振变换器，在交变磁场中感应出电流，并实现电压、电流、频率的相应变换，以输出适当的电能驱动负载。

本文还对ICPT系统的初级与次级的控制方法作了一定的讨论，并对一个实验系统进行了仿真研究，得到了相应的仿真数据。

文献[4]介绍了一种用于150KW移动机构（电动汽车、移动起吊装置等）的多级拾取ICPT系统。

该系统初级采用推拉式谐振电力变换电路，次级采用开关模式谐振变换器，实现了从初级到次级的电压、电流和频率的相应变换，以输出适当的电能驱动负载。

文章对这种系统所表现出来的能量与频率及电路品质因数的关系、最大负载条件以及一定频率条件下的次级拾取线圈的数量等系统参数进行了分析，同时进行了系统相关特性的仿真研究。

研究了LCL负载谐振逆变器在感应电能传输系统中的应用，详细分析了电流断续模式下系统的功率传输特性，通过使用逆变器和谐振回路之间的功率平衡分析推导了稳态工作情况，理论预测了逆变器工作点并找到串联电感的最优值，分析结果在电动车非接触电池充电器中进行了实验验证。

文献研究了松耦合感应3电能传输系统的功率传输能力及系统存在的分岔现象。

另外，日本KumamotoInstituteofTechnology的HiroshiSakamoto,KoosukeHarada等人也对非接触电能接入技术进行了较为深入的研究，自1992年以来，他们先后在IEEE期刊及会议上发表十余篇论文。

文献[5]中研究了非接触电能传输系统中负载电压的稳定性。

日本东北大学的FumihiroSato等研究了移动机器人的非接触供电技术及植入式功能电子仿真模块中的非接触电能及信号传输技术，为人造器官的体外非接触供电以及信息传递进行了理论探索。

韩国KyungpookNationalUniversity的ByungchoChoi等研究了手机非接触充电装置的设计与制作，通过采用印刷电路板上刻制的线圈来大大减小初、次级线圈的体积，从而使得次级拾取及整流充电电路部分可以全部内置于手机。

美国DeltaProductsCorporation的YungtackJang及MilanM.Jovanovic研究了高性能的非接触电能传输技术，并将其应用到便携式电话的非接触充电中，实现了较高效率和功率密度传输。

日本日立研究实验室的HidekiAyano等对电磁能量传输机构的磁芯形状和绕圈的形状及绕制作了较为详细的研究；Byeong-MunSong等比较充分的研究了电磁机构的E-I型结构对耦合率的影响；美国的R.L.Steigerwald等对选择磁芯材料给出了依据；日本H.Sakamoto论述了提高耦合电感及减少涡流损耗的问题。

文献针对电动车的非接触电能传输系统设计提出了一种新的观念和充电方案，文章重点设计采用了一个基于软开关的谐振变换器，使系统初、次级耦合间距在10毫米，能达到较高效率的传输。

由此可看出国外对非接触电能传输技术已逐步展开，不断提出新的概念，新的理论，新的设计，不断完善系统的供电性能，不断优化改进磁耦合机构，以及不断开发新的应用领域

1.2.2国内研究现状

目前，国内对非接触式电能接入技术及装置的研究比较薄弱，更无成熟产品可言。

国内在该领域的研究起步较晚，西安石油学院的李宏在2001年第2期的《电气传动》上发表了一篇综述性文章。

香港城市大学的S.Y.Hui、H.Chung和S.C.Tang等人研究了非接触式电能接入技术及微型化应用，如手机充电器等。

近年来中科院5院士严陆光和西安交通大学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行了研究，并在国内杂志上发表了几篇文章。

文献[6]研究了可分离变压器传输能量的非接触电能传输系统，通过分析可分离变压器的工作特性，得出了影响传输功率的几个因数，并给出了采用串联谐振式逆变器和可分离变压器优化绕法的实验结果。

描述了非接触电能传输系统系统中出现的频率分岔显现，提出了一种在频率分岔现象下的次级并联补偿电容选择方法，得出了使用该方法选择的并联补偿电容能使系统传输效率显著增大。

对非接触电能传输系统稳定性进行了分析，建立了系统电磁耦合结构的互感模型，对系统中采用各种初、次级补偿拓扑所带来的系统稳定性进行了较深入的研究，得出了要保证系统的稳定性，零相角谐振频率必须是唯一的，并给出了仿真数据。

上述主要对非接触电能传输系统的可分离变压器、系统稳定性及出现的非线性现象等部分理论进行了分析，但在全系统的建模理论方面特别是基于软开关的系统建模理论及输出稳压控制等方面还没发现相关研究。

重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自2001年便开始了对国内外“非接触式电能接入技术”相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯（Pro.Boys）教授为首的课题组核心成员PatrickAiguoHu（呼爱国）博士进行了深层次的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破。

课题组先后获得重庆科技计划项目和重庆自然科学基金重点项目支持（3项）。

在国内核心科技期刊和国内外重要学术会议上共发表学术论文十余篇，申报发明专利3项，并多次在科技竞赛中获奖。

戴欣博士在《单轨行车新型供电方式及其相关技术分析》文中，详细分析和探讨了非接触电能传输技术应用在单轨行车系统中存在的工作频率的选定、多负载控制、效率特性、谐波影响等问题，并给出了相应的解决方案；在《广义状态空间平均法在CMPS系统建模中的应用》文中，建立了系统的平均化模型，并应用于系统中对其性能进行了分析研究；在发表于《自动化学报》的《自治分段线性振荡系统的离散映射数值建模与稳定性分析》一文中，对系统中出现的非线性特性进行了详细探讨，并推导出了用于判断系统周期闭轨稳定性的Jacobian矩阵求解模型，对系统稳定性进行了分析，得出了系统的稳定条件，为非接触电能传输系统的研制提供了理论依据。

杜雪飞在《非接触式移动电源新技术》文中，对非接触电源系统原理及实现的关键性问题进行了研究。

在系统频率稳定性方面，王智慧同学探讨了次级拾取回路分别为并联调谐和串联调谐模式时对初级主回路工作频率的影响，并于2005年在《电工技术学报》上发表了论文《非接触电能传输系统的频率稳定性研究》，提出了在初级主回路中并联附加相控电感电路，运用动态调谐方式实时调节回路固有谐振频率。

1.3本文主要内容

自从感应耦合电能传输（ICPT）技术概念提出以来，众多国外专家学者纷纷展开了非接触式电源技术的研究，并且在理论与实践上都取得了重大的突破。

而目前我国在这方面的研究工作绝大部分都集中在对于逆变器的研究上，对于非接触式感应电能传输技术的研究迎合了工业生产和人们生活电气化与智能化发展的需求，在工业生产、智能家电、个人消费类电子产品、电气化交通工具和医疗电子等各行各业具有广阔的应用前景。

对非接触式电源技术的研究将填补国内空白，推动我国电气自动化技术的巨大进步。

本课题的研究目标就是非接触式电源即电能的非接触式传输技术及其DSP实现，具体包括如下内容:

1）非接触式的感应电能传输技术的原理

2）高频滑动松耦合变压器原理及设计

3）非接触式的感应电能传输系统的DSP软、硬件具体实现

1.4本章小结

本章对非接触电能传输技术进行了较为详细的综述，研究了国内外在这项技术方面的现状，经过分析论证，明确了论文研究的方向，即对非接触电能传输系统的电磁机构进行研究，并提出了该项研究的主要内容。

第2章ICPT技术的工作原理及其基本结构

2.1非接触式感应电能传输技术的原理

常规的对于移动电气设备的供电一般通过滑动或者滚动的方式，如前所述，这种传统的通过导体直接接触来为移动电气设备供电会形成安全隐患及环境污染及电磁污染等一系列的问题。

非接触式电源技术主要利用电磁感应原理与现代化的电力电子变流技术及微机实时控制技术，实现了电能从静止设备向移动电气设备的非接触式传输。

图2.1

上图是传统的接触式充电系统示意图，由三相电网引进的电能经过有源滤波后，经三相整流桥将交流量整为直流。

之后脉动的直流经过大电感续流和大电容滤波后变为平滑的直流。

然后经过一级DC-DC将其电压范围变为电动车电池充电电压。

可以看出，此种结构下要想对多辆电动车同时充电，需求的电网功率是非常大的。

一般的快速充电多为直流充电，一次充电需要10-20分钟左右，10分钟左右把35KW的电池冲完需要250KW的发电功率，是一个办公大楼用电负荷的5倍。

而接触式充电在电动汽车普及以后是非常受限制的，首先是同时充电的汽车数目有限，其次是户外的有限充电桩容易收到侵害，建专门的充电站则需要大量的用地，在土地资源日益宝贵的今天是非常不划算的。

图2.2

上图为非接触式感应电能传输系统。

它是一种新型电能电能传输技术，利用电磁感应理论实现电能有效、安全的传输，在交通运输、医疗器械、照明、便携式垫子产品、矿井和水下应