新能源汽车的非接触式远程无线充电系统

　　摘要

非接触供电是一种能以电气非接触方式，将功率从功率输送机提供到功率接收机的供电系统，其中功率输送组件连接到功率输送机以及功率接收组件连接到功率接收机。功率输送组件具有用于输送功率的多个输送侧线圈以及用于接通/断开输送侧线圈的操作的多个输送侧开关。功率接收组件具有用于接收功率的多个接收侧线圈、用于接通/断开接收侧线圈的操作的多个接收侧开关，另外，具有用于执行控制以便操作在实现最高功率输送效率的组合中的输送侧线圈的任何一个和接收侧线圈的任何一个的判定电路。

　　关键字:非接触供电;功率放大器;送输功率;电路设计

　　第一章课题来源

随着世界上能源的短缺以及环境污染问题越来越严重，人们开始研究新的能源来为自己使用，所以电动汽车作为现代的新能源的汽车已经受到了人们的广泛关注。但是目前仍然有许多的问题，如电池容量的限制，行驶的路程较短，充电的设施也没有完善。而如果我们使用传统的充电方式，则显得麻烦，所以为了解决这些弊端，新能源汽车的非接触远程无线充电系统开始应用于电动汽车上。

目前无线充电技术已经应用于许多技术上面，而无线充电技术给电动汽车充电可以省去许多不必要的麻烦和隐患。也能满足在各个环境下的充电，成功了弥补了电动汽车行驶路程短的缺点。

　　1.1研究的目的和意义

从目前来看，我国汽车行业已经在飞速发展，同样，为了节约能源，减少世界上环境的污染，电动汽车开始在世界各国进行广泛的推广。但由于电池的容量以及充电基础设施条件的限制，充电的问题成为了目前电动汽车发展的主要问题。但是我们又面临着新的问题，静态无线充电和有线充电存在着同样的问题，那就是充电次数频繁，同样续航的里程短，电池的容量以及成本过高的问题。尤其是我们现在经常乘坐的公交车，我们所需要的续航能力更加的重要。在这样的情况下，我们所需要研究的便是电动汽车非接触式远程无线充电系统设计。

随着新能源时代的带来，一定程度上势必对于电动汽车的充电方式的多样性和便利性做出更高的标准和要求。而无线充电技术作为一项才发展不久的技术，用在电动汽车领域，目前来说还算是一个比较全新的概念。随着以后无线充电技术会越来越成熟，电动的汽车市场将会有无穷的潜力。

　　1.2国内外发展状况、发展水平与存在问题

国外的发展现状：在日本的东京大学X对电动汽车无线充电的技术进行了深入的研究，并且橡树岭国家实验室和新西兰奥克兰大学也深入研究了电动汽车无线充电的难点，他们研究内容大致关于系统建立模型的方法，将电磁耦合进行改进设计、以及电磁屏蔽技术和电能拓扑结构的变换技术等。世界上第一台无线充电大巴的问世就是由新西兰奥克兰大学和德国康稳公司一同合作生产，这个无线充电大巴的功率为30KW，与此同时，研制出无线供电列车样本机器的功率是100KW，列车的长度达到了400m，其中，把用动态无线充电技术研制的电动车，KAIST将其叫做在线电动车。

日本东京大学研发出最大效率的管理方法，就是以直流/直流变换器的副边为基础，其主要原理就是原边等效阻抗同时进行在线估算耦合系数的值，实现最大功率的控制就是合理运用前馈控制器修改DC/dc变换器输入占空比。

在此之外，德国庞巴迪发明的电动汽车、有轨电车的技术在无线供电领域十分先进。

国内发展现状：在我国各个高校也相继开始研究无线电能传输技术，和无线电能传输技术的相关应用，并且中国科学协会资助召开了我国内第一个关于无线电能传输学术会议，这次会议在天津工业大学进行举办，会议主题就是关于无线电能传输关键技术问题和应用前景，随着关于无线传输技术研讨会在重庆的举行，无一不展示了我国对于无线电能传输技术的重视，并体现出国内市场的前景和潜力。

在我国高校内，研究的前期主要是大功率电力电子变换的研究以及拓扑结构的设计，和优化磁耦合机构，系统建模优化与控制以及相关理论，技术难点和关键问题的研究已经取得了一定的成果，并且已经研制出了原理样机。

虽然目前世界上许多国家机构仍然在不断进行深入研究电动汽车的动态无线供电技术，并且在不断推进相关的理论和技术的研究发展，但是其中依旧存在着一定的关键技术需要进行研究，以便能最大限度的提升系统的工作性能和保证可靠，高校，安全和稳定的运行。

存在的问题：磁耦合机构设计与优化，能量传输鲁棒控制技术，电磁兼容技术，多导轨充电技术

　　1.3研究目标、内容及拟解决的关键问题

研究目标：设计并优化磁耦合结构，能量传输鲁棒控制技术的研究，电磁兼容技术研究，多导轨充电技术研究。

研究内容：现在有的动态无线供电导轨大致分为以下几类：分立形式的连续单线圈结构，矩形长线圈型与双磁极型。从动态无线电能传输控制技术方面来看，将传输控制分为原边控制、副边控制、以及双边控制等三种方式；其中，通过高频率强磁场完成电脑的无线传输工作的方式称之为动态无线电能传输，这种传输方式，工作频率高，电磁的工作环境也比较复杂，所以电磁兼容设计也是一项重要的内容，具体也包括了磁屏蔽设计，频率设计，接地设计，剩磁设计，软件抗干扰设计等等。

拟解决的关键问题：高性能耦合机构设计问题：与单极性长线圈型导轨相比，双极供电导轨具有功率密度较高，尺寸更紧凑，侧移适应性强，对轨道两侧磁场暴露水平低等特点，而且施工难度更小，磁极磁芯用量少，施工成本较低，但是双极性导轨磁场分布不均匀，存在藕合零点问题，造成能量传输不连续，这样就会影响系统的稳定性，也会大大降低能量传输功率与效率，因此，就需要推进结构优化设计工作的进行，旨在提高动态无线传输电平均传输效率以及平均传输功率。

能量传输鲁棒控制问题：在双极型供电导轨动态无线供电系统中，由于藕合机构相对的位置变化，分段导轨间磁场的不均匀分布，路基介质不同等多参数扰动的影响，能量传输处于快速非线性变化过程，如何来提高系统稳定性，提升系统的响应速度是我们的研究目标。

电磁的兼容：电磁的兼容问题以及能量的传输质量都会对系统产生电磁的干扰，也会对人们的身体产生影响，因此，为了保证系统的安全性、可靠性，有效解决电磁兼容问题是十分关键的。可见，如何在最小限度影响系统效率的情况下，高效，可靠地保证系统的电磁兼容性成为研究的主要内容。

　　1.4研究方法

先了解非接触式远程无线充电系统在国内研究的历程和成果，以及寻找文献。

罗列出非接触式远程无线充电系统在新能源汽车里要实现所需要涉及的各个系统设计

详细的去了解研究这些系统并细化分析出所需运作方式的那一部分，去加以转换用以自己的总体系统里。

设计所有所需系统在项目中实现的方案

开始方案实现，做出假想并以实验

　　第二章汽车发展与无线技术发展

　　2.1汽车发展

2.1.1能源种类

汽车发展其能源不断更新变化，从蒸汽时代算起，历经蒸汽汽油液化石油气液化天然气压缩天然气乙醇燃料电池混合动力以及新能源的氢能源和纯电动能源以及太阳能等等。

2.1.2汽车能耗以及能源储备

汽车的不断发展使得能耗由最开始的急剧浪费而到现在的小排量和混合能源运用减少了能耗问题，其能源不断的更新换代，以原基础的石油为例本身极为出色的理想动力能源，但不得不因为地球储备量的不断减少而去开发新型能源作为汽车动力到后面出现的氢能源，太阳能源和电能源。

　　2.2无线技术发展

2.2.1微波无线能量传输

微波WPT就是一种无线传输能量的技术，其原理就是电磁波频率在300MHZ到300GHZ之间进行自由空间内的传输电磁能量。通过微波能源的原理把电能转化为微波，经过一段时间的传输，最后由天线接收，再运用微波整流器将其转化为电能。微波频率传输具有定向特点，可穿透电离层特点，在上世纪六十年代，人们已经关注并研究了这种能量的传输方式，在远程应用中，其应用十分广泛，在超距离能量场景中的使用也有着重要的意义。微波WPT的应用领域主要是微波飞机和卫星太阳能电站，卫星太阳能电站作为X和日本等国家的重点航天项目，也是人们面对能源危机的有效方式。现阶段，微波WPT技术发展的阻碍就是高效微波整流器件对生态环境影响以及大功率微波天线对生物安全性的影响、大功率微波电磁场对生物安全性的影响等基本问题，因为工作频率过高，系统的效率太低，导致了微波WPT不适合运用在短距离能量传输的情况中。

2.2.2电磁感应式无线传输

电磁感应式WPT的运用是以电磁感应原理为基础，通过使用原边分离器和副边分离器实现短距离无线传输功能的一种技术。现阶段，市场上比较成熟的无线充电方式都运用电磁感应WPT技术，比较经典的运用实例就是新西兰国家地热公园旅客电动运输车（功率30KW），以及Splashpower公司的无线充电器等，不难发现，电磁感应式WPT的使用不仅能够运用在小功率消费电子产品中，还可广泛运用造大功率EV无线供电系统。但是，关于电磁感应WPT技术仍然存在不少的问题，比如传输的距离太短，当随着传输距离的增大，效率就会骤然下降，传输效率也会对非接触变压器的原边错位、副边错位及其灵敏。

2.2.3电磁共振式无线能量传输

在2007年，XMITSoljai领导的研究小组研究的突破性技术就是电磁共振式WPT，所谓的变压器就是运用两个固定的谐振频率相同的铜线圈，当激励频率和固定谐振频率相同时，简称共振激励条件之下，设置其距离在两米处，将一个60W的灯泡点亮，这时，变压器效率成功达到了40%。由此，减弱了压器绕组之间错位的灵敏度，其中，日本长野公司提供了原边绕组垂直实验图片和副边绕组垂直图片；除此之外，合理运用共振模式对激励频率要求很严格这一个特性，设置合适的激励频率，专门给相应的电器提供电量，以此保证电器的安全性、稳定性。所以，现阶段关于电磁共振的研究停留在理论层面，和实验阶段，对于实际应用和工程设计方面还缺乏着一定的指导意义，不可否认的是，WPT技术研究的一个关键点就是其电磁共振式WPT能量的高效耦合特性。通过以上阐述，磁耦合谐振式无线能量传输的传输距离特性比非接触感应式充电技术具备绝对的优势，另外，磁耦合谐振式无线能量传输和电磁波形式的无线能量传输技术相比较来说，前者具备无辐射特性和不敏感方向特性等两个优点。

　　第三章磁耦合谐振式无线能量传输系统

　　3.1能量传输系统的构成 

电源端和负载端组成了能量传输系统，电源端由导线绕制和电容并联的线圈、以及给线圈提供电能的电源一同组成，隔一段距离后，接收端也包括导线绕制和电容并联线圈以及负载组成，负载会一定程度上消耗线圈电磁能。

　　3.2耦合谐振系统

导线绕制线圈可以当做谐振体，是由电感和电容一同连接的组成，在电场中和磁场中，谐振体拥有的能量会以一种谐振频率在空间随意振荡，会生成一种时变磁场，通过围绕线圈为核心，把空气当做传输介质，当和这个谐振体相差一段距离后，会有一个谐振体感应的磁场，共同产生相同的谐振频率，能感应到的磁场也会以一种自谐振频率在电场和磁场中间自由震荡，与此同时，两个谐振体之间产生磁场的交换，这就产生了围绕线圈为核心，把空气当做传输介质的时变磁场。

两个谐振体所包含的电场能和磁场能能够以一种相同的频率进行能量交换，所以，两个谐振体就一同构成了耦合谐振系统。

　　3.3能量传输过程及其遵循的准则

通过正弦电流、线圈电感，源线圈就会产生时变磁场，与此同时，给电容充电，这时，接收线圈就会感应到磁场，以此产生电动势，便可给电容充电。假设线圈的谐振频率和正弦电流的频率一样时，源线圈的电流方向发生改变，随之交变磁场的方向也发生改变，线圈从而产生电动势，接收线圈的电容就会放电。正弦电流的方向就会发生周期性改变，接收线圈的电流被放大后，相应的接收线圈的电磁也能被放大。假设，系统不存在负载去损耗能量，接收线圈和源线圈两端具有的能量来回交替从而产生最大值。

　　第四章非接触供电系统

　　4.1高频振荡电路设计方案

振荡电路作为交变电路的一种交变电流，其显著特点就是频率极其高，不能利用线圈在磁场中产生电流，仅仅只能通过振荡电路产生电流。

振荡电路有以下两个个过程:

充电过程：随着电磁能的不断增加，磁场能的不断减少，系统回路中电流不断在减小，电容器中的电量就在不断增加，站在能量的角度看，磁场能不断向电场能变换。

放电过程：随着电场能不断减少，磁场能的不断增加，系统回路中的电流也在不断增加，电容器中的电量就在不断的减少，站在能量的角度看：电场能不断向磁场变换。

其中，正弦波振荡器由LC振荡电路、石英晶体振荡电路、以及RC振荡电路三部分组成。因为RC振荡电路其工作频率很低，电路稳定度太低，因此，将其排除。接下来，重点对比LC振荡电路和石英晶体振荡电路，进行取舍。

第一种方案：运用LC谐振回路所产生的频率，其优势在于能够生成任何所需要的载波，其劣势是频率的稳定性很低。

第二种方案：选择有源的晶振。将有源晶振连接一个电源就会生成稳定载波，频率规则，起伏小。其优势就是具有简单的电路，稳定的频率；其缺点就是不能满足任意频率的载波。

LC谐振振荡电路图有源晶振振荡电路图

　　4.2功率放大器设计

运用三极管电流控制功能，或者场效应管的电压控制功能能够将电源的功率变换为随着输入信号变化的电流。由于声音是属于振幅不同、频率不同的波，就是交流信号电流，三极管的集电极电流是基极电流的β倍，三极管的交流放大倍数用β表示，基于这一点，在基极中输入小信号，那么集电极的电流值的1/β就是基极电流的值，随后，把这个信号运用隔直电容隔离，就得到了是原来β倍的电流值或者电压值，这个情况就是三极管放大作用原理，通过将电流不断的放大，其功率就放大了。

4.2.1功率放大器原理

发射级的末端就是运用高频功率放大器，其主要功能就是把高频已经调波信号的功率不断放大，从而达到了发送功率的要求，随后通过天线把它辐射到空间，以此保证接收级在一定的区域中接到满意的信号电平，也不会打扰到相邻信道之间的通信。通信系统中用于发送装置的重要器件就是高频功率放大器，其中，高频功率放大器的指标有输出功率、效率、功率、功率增益率、带宽以及信号失真度，以上介绍几个指标之间相互矛盾，因此，关于放大器的设计方面，首先应该重点彰显一些指标，兼备其他指标。但是在实际电路中，电路主要矛盾是禁止干扰，也要求高度的谐波抑制性，并且适度的降低谐波带宽的要求。一个重要的问题就是功率放大器的效率问题，放大器的工作状态直接影响着效率的高低。将放大器的工作状态分为三种类型，甲类、乙类、丙类；一般情况下，将放大器的工作状态调整到乙类和丙类，或者是将晶体管工作延展到非线性区域，以此提高放大器的运作效率。

4.2.2功率放大器分类

功率放大器拥有五中类型的放大器；分别是A类、B类、AB类、D类、T类。

其中，A种类型放大器的典型特质就是：将放大器的工作点设置在负载的中心点，晶体管就会在输进信号的周期内疏通。放大器的工作方式分为两种：单管工作和推挽工作。因为放大器的工作范围在特性曲线范围内，因此出现瞬态失真和交替失真的可能性小。电路简单，调试方便。所以，效率比较低的情况下，晶体管功耗比较大的情况下，功率的最大值达到了25%，存在很大程度的非线性失真。正是因为效率很低，这种设计在实际情况中，不再采用。

B种类型的放大器典型特质就是：在(VCC，0)坐标处，是放大器的静态点，再这个点附近，没有信号输入时，输出端就不会消耗功率。处在Vi的正半周期时，这时Q1导通，Q2截止，就会输出端正半周正弦波；同样的原理，如图虚线所示，当Vi代表负半波正弦波，选择采用两管推挽工作。主要特质就是他的效率极高，达到了78%，由于放大器的工作一部分处于非线性的区间中，特具有的劣势就是“交越失真”很大。即当信号在-0.6V~0.6V之间时，Q1Q2均无法导通导致的，因此，B种类型放大器被放弃。

AB类型的放大器主要特质就是：晶体管的导通时间远远大于半周期，势必采用两管推挽进行工作，可以避免交越失真。当交替失真越来越大时，一定程度上能够消除部分的偶次谐波失真。当放大器的效率很高时，晶体管功耗就会很小。

D类型放大器的工作原理就是把输入的模拟音频信号、PCM信号转换成PWM、PDM两个脉冲信号，随后，运用脉冲宽度调制或者脉冲密度调制脉冲信号管理大功率开关器件以及通断音频功率器件，这种也叫作开关放大器。D类放大器的优势总结如下四点：

1.具有很高的效率，通常能够达到85%以上。

2.体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。

3.无裂噪声接通。

4.低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。

脉冲调制的D类功率放大器产生的功率输出电路和T类功率放大器产生功率是一样的，功率晶体管的工作处在开关模式，其效率等同于D类放大器。但是和一般的D类功率放大器又存在着三点差异：第一，它不运用脉冲调宽的方式；第二，它相关功率晶体管切换频率是灵活的，在比较宽的频带上分布着无用分量的功率谱，而不是集中在载频两侧狭窄的频带之间；第三，T类功率放大器有着范围宽广，频率的响应很平稳。

4.2.3设计方案

方案一，采用集成芯片。现有许多高顿大功率的集成放大器(如AD815)可以:用来设计高频功放。集成功放具有稳定度高，需要调整的参数少的特点，缺点是效率较低(集成功放一般采用线性放大),不满足系统对功耗及传输距离的要求。

方案二，采用分立元件的功率放大器。采用分立元件的高频电路受分布参数影响大，而且不易调整，但其电路结构比较灵活，对应于不同要求的信号，可以设计不同结构的放大器以获得最大的效率，而且输出功率可以设计的较大，价格也相对低廉。采用功放管，前级的缓冲级，一是控制能量发射模块的增益，二是给提供足够的驱动功率。

　　第五章电路总图

电源电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射、接收线圈和高频整流滤波等五个部分一同组成了无线供电系统。通过非接触供电系统框给电池充电，根据无线电路传输的原理可知，伴随着电场和磁场的周期性变化，通过电磁波的方式在空间内传播，产生电磁波的条件是产生电磁振荡，随着电磁波的频率的越快，电磁波在空间辐射能力就会越强，电磁振荡的频率设置大于100KHZ，如此产生大量的电磁辐射。

NE555D买抽发生器模块

如图1，根据T=（R1+Rp）C1,f=1/T,我们调节Rp使得NE555D输出一个36.7KHZ的脉冲频率。

图5-1功率放大及其无线发射模块

NE555D器件会生成一个36.7KHZ的脉冲功率，将这个脉冲功率放大，通过发射圈发射，设置脉冲为高电压，Q12为高电平，将Q12导通，这时Q8处于饱和状态，Uceq的电压值为0.67V，Q1的栅极电压经过D10-4148处理后，电压值为0，设置脉冲为低电压时，将Q12截止，电流就会被R16.D10.Q1器件导通。而在这整个过程中Q1与Q12均以一开一关的形式进行工作。电路如图2：

图5-2感应线圈模块

如图3所示，假设感应线圈靠近发射线圈的时候，这时就会产生感应的电流，经过全波的整流后，不同产品的充电电压就会不会，专门为其选择不同的耳机管稳压，随后经过三极管Q100将电流放大，以此给不同电子产品充电。

图5-3充电检测模块

如图4所示，当存在感应负载的时候，电阻R20器件的电压值会发生变化，不断增高，通过运放U2A放大A=1+R5/R6=23倍之后，电压值再次发生明显的变化，通过1N4148整流滤波，将电压UI和基准源UO进行对比，当电压大于基准源的时候，运放输出的UI就是高电压，指示灯开始闪烁；假设出现感应到负载充满电，或者没有感应到负债的情况下，这个时候电压值小于基准源，运放输出的UI是低电压，这时绿灯指示灯就会亮起。

图5-4智能断电模块

如图5所示，S2开关断开时，表示充电器在进行智能的充电，启动充电器后，继电器K1就会闭合，继电器K2就会断开。当感应到负载时，会有指示灯闪烁，ui表示高电平，Q5表示饱和状态，电压值Uceq是0.67V，电压值低于Q2+Q4时，导通电压为1.34V，Q2和Q4一同组成了达林顿，与此同时Q2和Q4截止，K1继电器吸合；感应负载的电量充足时，绿灯亮起，表示UI为低电平状态，这时Q3也是截止状态，电容C5和电容R9一起组成了充电电路RC，如果Q2和Q4导通电压和电容充电电压值相同时。Q2就导通，Q4就饱和，系统的继电器工作电压就是0.67V，把继电器断开后，系统的整个电路就会处于断开状态。电路断开，K2继电器就会闭合，由C5和R13一同组成放电电路，以此让C5以最快的速度放电。当按压轻触复位开关，就会重新启动充电器。当感应负载充满电时，电容C5充电，电压为Ut,当S2闭合时，整个充电电路处于手动断电过程。

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　　致谢

经历了将近两个月的时间，我们小组终于完成了这篇论文，而在这论文的写作的过程中我们也遇到了许许多多的困难和障碍，但是经过我们小组的努力和老师的帮助下我们顺利度过了。特别要感谢的就是论文的指导老师，不仅认真帮我修改论文，帮助我发现问题并解决。再者，感谢我同学和朋友给予我学业上的帮助，帮助我度过一个又一个的困难，由此完成了毕业论文的撰写。在这里，真诚的感谢我的老师、同学们。