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1、摘 要 -I- 毕毕 业业 论论文文 GRADUATE THESIS 设计题目：非接触式电磁能量转换系统的设计与实现设计题目：非接触式电磁能量转换系统的设计与实现单击此单击此 处键入设计中文题名处键入设计中文题名 单击此处继续键入副题名或删除此提示单击此处继续键入副题名或删除此提示 河北理工大学信息学院 -II- 毕业论文（设计）原创性声明毕业论文（设计）原创性声明 本人所呈交的本人所呈交的毕业论毕业论文（文（设计设计）是我在）是我在导师导师的指的指导导下下进进行的研究工作及取得的研行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除文中已究成果。据我所知，除文中已经经注明引用的内容外，本注明引用的内
2、容外，本论论文（文（设计设计）不包含其他个人已）不包含其他个人已经经 发发表或撰写表或撰写过过的研究成果。的研究成果。对对本本论论文（文（设计设计）的研究做出重要）的研究做出重要贡贡献的个人和集体，均已在献的个人和集体，均已在 文中作了明确文中作了明确说说明并表示明并表示谢谢意。意。 作者作者签签名：名： 日期：日期： 毕业论文（设计）授权使用说明毕业论文（设计）授权使用说明 本本论论文（文（设计设计）作者完全了解）作者完全了解*学院有关保留、使用学院有关保留、使用毕业论毕业论文（文（设设 计计）的）的规规定，学校有定，学校有权权保留保留论论文（文（设计设计）并向相关部）并向相关部门门送交送交
3、论论文（文（设计设计） ） 的的电电子版和子版和纸质纸质版。有版。有权权将将论论文（文（设计设计）用于非）用于非赢赢利目的的少量复制并利目的的少量复制并 允允许论许论文（文（设计设计） ）进进入学校入学校图书馆图书馆被被查阅查阅。学校可以公布。学校可以公布论论文（文（设计设计）的）的 全部或部分内容。保密的全部或部分内容。保密的论论文（文（设计设计）在解密后适用本）在解密后适用本规规定。定。 作者作者签签名：名： 指指导导教教师签师签名：名： 日期：日期： 日期：日期： 摘 要 -III- 注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明
4、 3）中文摘要（300 字左右） 、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图纸、程序清单等） ， 文科类论文正文字数不少于 1.2 万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准 请他人代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符 合国家技术标
5、准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用 徒手画 3）毕业论文须用 A4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 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 河北理工大学信息学院 -IV- 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
6、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，
7、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 -V- Abstract in advocate green for energy under the sponsorship because zero emission electric car battery cost bottom is considered no pollution is thought to the most effective solve the CO2 and cause global warmin
8、g is one of the methods, the most of the electric car all need to go to a charging station to charge, or use roadside charging pile charge for electric vehicle charging pile to charge the use, but the rule of more than fast charging dc charging, one time charge need 10 to 20 minutes, 10 minutes or s
9、o of the 35 KW battery rushed over to 250 KW power generation power, is an office building of electrical load 5 times of demand highway is very large, and contact in the electric car after charging popularity is very limited, the first is at the same time, the charging of the limited number of car,
10、followed by outdoor limited charging pile easy to receive violations, building the special charging station, need a lot of land, in the land of the precious resources today very expensive. Non-contact charge is very necessary, contact-less inductive power transmission is a new type of electric energ
11、y power transmission technology, using the theory of electromagnetic induction realize electric energy efficient and secure transmission, in transportation, medical equipment, lighting, portable cushion products, mines and underwater application occasions have this wide application, this paper mainl
12、y to the public charging electric vehicle did a study. in advocate green for energy under the sponsorship because zero emission electric car battery cost bottom is considered no pollution is thought to the most effective solve the CO2 and cause global warming is one of the methods, the most of the e
13、lectric car all need to go to a charging station to charge, or use roadside charging pile charge for electric vehicle charging pile to charge the use, but the rule of more than fast charging dc charging, one time charge need 10 to 20 minutes, 10 minutes or so of the 35 KW battery rushed over to 250
14、KW power generation power, is an office building of electrical load 5 times of demand highway is very large, and contact in the electric car after charging popularity is very limited, the first is at the same time, the charging of the limited number of car, followed by outdoor limited charging pile
15、easy to receive violations, building the special charging station, need a lot of land, in the land of the precious resources today very expensive. Non-contact charge is very necessary, contact-less inductive power transmission is a new type of electric energy power transmission technology, using the
16、 theory of electromagnetic induction realize electric energy efficient and secure transmission, in transportation, medical equipment, lighting, portable cushion products, mines and underwater application occasions have this wide application, this paper mainly to the public charging electric vehicle
17、did a study. Keywords non-contact power transmission:inductive coupling:Electro Magnetic Structure: power electronic energy transform technology: magnetic field coupling Abstract -VI- technique:high-power high frequency conversion technology 目 录 -VII- 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论1 1.1 引言.1 1.2 国内外
18、研究现状.2 1.2.1 国外研究现状.2 1.2.2 国内研究现状.3 1.3 本文主要内容.4 1.4 本章小结5 第 2 章 ICPT 技术的工作原理及其基本结构.6 2.1 非接触式感应电能传输技术的原理.6 2.1.1 感应耦合电能传输(ICPT)技术的提出与发展.7 2.1.2 感应耦合电能传输技术的工作原理.8 2.2 感应电能传输技术的基本结构9 2.2.1 整流电路9 2.2.2 高频逆变电路及松耦合变压器.10 2.2.3 松耦合变压器的物理实现.11 2.2.4 负载侧电能参数调节及负载控制.11 2.3 本章小结.12 第 3 章 松耦合变压器的原理及其设计13 3.1
19、 松耦合变压器概述13 3.2 松耦合变压器数学模型13 3.3 松耦合变压器磁芯选型.14 3.4 松耦合变压器磁芯参数设计.15 3.5 松耦合变压器绕组设计.16 3.6 本章小结.16 第 4 章 非接触式电能传输系统的硬软件实现17 4.1 整流及逆变主电路.17 4.2 驱动电路设计.18 4.3 控制电路设计.19 4.3.1 DSP 控制器.19 4.3.2 DSP 的特点及资源.19 4.3.4 DSP 接口电路.20 4.4 保护电路.21 4.4 过压、欠压保护21 4.4.1.工作原理22 4.4.2 过流保护.23 4.4.3 故障信号的处理.23 4.5 电源模块设
20、计.24 目 录 -VIII- 4.6 非接触式电源系统的软件实现.25 4.7 本章小结.26 结 论27 参考文献28 谢 辞29 第 1 章 绪论 -1- 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
21、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 461，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
22、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（Inductive Coupled Power Transfer）23，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
23、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 河北联合大学 XXXX 学院
24、 -2- 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，
25、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 （PatrickAiguo Hu）,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
26、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
27、 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 第 1 章 绪论 -3- 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
28、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 Kumamoto Institute of Technology 的 Hiroshi Sakamoto, Koosuke Harada 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 Fumihiro Sato 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
29、进行了理论探索。韩国 Kyungpook National University 的 Byungcho Choi 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 Delta Products Corporation 的 Yungtack Jang 及 Milan M. 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
30、状及绕制作了较为详细的研究；Byeong-Mun Song 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
31、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
32、了采用串联谐振式逆变器 河北联合大学 XXXX 学院 -4- 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
33、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 PatrickAiguo Hu（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
34、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
35、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。 第 1 章 绪论 -5-
36、 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
37、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。 河北联合大学 XXXX 学院 -6- 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。
38、 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，
39、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。 第 2 章 ICPT 技术的工作原理及其基本结构 -7- 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、矿井和水下应用的场合有这广泛的应用前景。 单相交流电经过单相整流和大电感平波后变为直流量，之后经过由、 1 S 构成的半桥逆变电路将直流逆变为高频交流量。通过变压器同名端的极性控 2 S 制，使得在变压器副端成正负交流输出。副边的交流再经过一级单相整流后， 由大电容滤波后直接给电动车电池充电。其中，由
40、、构成的吸收电 s L s D s C 路用于吸收变压器原边和开关管关断时续流，形成 ZVS 软开关。开关管用 max S 于在电压过高时切入电路，消耗过剩能量，起到保护的作用。 可以看出，非接触式能量传输系统与接触式能量传输相比，输入侧和负载 侧没有电气上和物理上的连接，更适合在在一些大功率的应用以及需要给移动 负载供电的场合，如电动汽车。 如果电池容量 160AH ，充电参数 420V160A， 输出功率 67.2W， 电压范 围 275-420V，电源是家用 220A，电池只数 110 只，可以按次计算出，非接触 式能量传输系统各器件参数。 取系统传输效率，功率因数，整流桥导通时间%90
41、98 . 0 cosmst3 计算电池最大充电功率kWPout 2 . 67160420 max 1）输入整流桥二极管 额定电流 A V P V P I ac out ac in Diode 6 . 33298 . 0 2209 . 0 67000 coscos maxmax 额定电压 河北联合大学 XXXX 学院 -8- 取 1.5 倍余量， 取 600VVVV acDiode 38022202 2）输入整流桥电感 额定电流A V P V P I ac out ac in Diode 6 . 33298 . 0 2209 . 0 67000 coscos maxmax 3）开关管、 1 S
42、2 S 如果忽略输入级功率损耗，开关管的选型和整流桥一致，即额定电流 332.6A，额定电压 600V，可以选择相应功率的 IPM 模块。 4）输入整流桥二极管 额定电流 A V P I ac out Diode 29998 . 0 220 67000 cos max 额定电压 取 1.5 倍余量， 取 800VVVDiode420 5）输出滤波电容 mF V TI C dc 7 . 1 600 103 6 . 332 3 电压取 800V 2.1.1 感应耦合电能传输(ICPT)技术的提出与发展 随着移动电气设备的应用领域越来越广泛，而传统的滑、滚动取电方式存 在其固有的缺点，因此寻求一种非
43、接触式的电能传输方法显得非常必要，而非 接触式电源技术的出现正是迎合了人们的这一需求，非接触式电源技术主要利 用了电磁感应耦合原理。最早的有关感应电能传输技术是日本国家研究院与 Yaksawa 电气公司于 20 世纪八十年代联合提出来的，到了九十年代初期，新西 兰奥克兰大学电子与电气工程系电力电子学研究中心以 Pro.Boys 为中心的课题 小组开始对其展开研究，并将其正式定名为感应耦合电能传输技术 (InduetiveCoupledpowerTrnasefr，简称 cIPT)。在这之后，Por.Boys 及他所领导 的课题小组对感应耦合电能传输技术进行了一系列的深入研究，系统地探索了 谐振技
44、术在 ICPT 技术中的应用，电流传输频率与系统的稳定性之间的关系， 多负载控制问题、电路品质因数对于整个系统的影响、电流谐振环问题、 10KHz 的 ICPT 系统实现问题等，在理论上与实践上取得了的重大突破，并获 第 2 章 ICPT 技术的工作原理及其基本结构 -9- 得了多项专利技术，为此 Pr.oBoys 获得了新西兰的皇家勋章以表彰他在此领域 的突出成就。与此同时，非接触式的电能传输技术迅速成为电气自动化领域中 的研究热点，日本、德国、法国及美国等国家的科学家相继在该领域里展开了 科学研究，并且取得了一系列的成果。如日本的工厂行车、电动机车，德国 BWM 公司的装配机器人、美国及英
45、国的无线充电器等产品都是非接触式感应 耦合电能传输的一些典型应用。 2.1.2 感应耦合电能传输技术的工作原理 非接触式感应耦合电能传输技术利用了现代的电磁理论如电磁感应理论与 变压器理论，结合了当今最新的电力电子技术与微机实时控制技术，实现了电 能的非接触式传输。其原理框图如图 2.3 所示:利用交流工频电源作为非接触式 电源的能量供应源，可采用两相或者三相的工频电源，具体情况根据实际的电 源容量要求进行合理的选择，工频电源在经过整流环节之后向逆变电路提供平 稳的直流电流，该直流电流经过逆变电路的高频逆变之后向松耦合变压器的原 边提供高频交变电流，松耦合变压器作为非接触式电源的关键部位，其原
46、边线 圈中通过的高频电流向外界辐射电磁能量并在副边线圈中产生电磁感应，在副 边线圈中得到的感应电动势在通过交一直或交一直一交等变换后向用电设备提 供 U、I 参数适合的电源，从而完成非接触式电源的整个能量传输过程。 交流 电源 整流 电路 逆变 电路 UI 变换 负载 松耦 变压器 图 2.3 非接触式电源技术与传统的电源能量供应模式相比较最为突出的优点是能 够实现电能的非接触式传递，而这一点的实现是通过高频电流向空间辐射电磁 波的形式来实现的，这就要求在松耦合变压器中其原边线圈与副边线圈之间相 隔有一段较长的空气磁路，这也是松耦合变压器与传统的变压器之间的区别。 根据磁路的欧姆定律及安培环路
47、定律，考虑到空气的磁阻远大于铁芯的磁阻， 因此磁路的磁动势降主要分布在空气磁路部分，随着空气段磁路磁阻的增加， 需要在松耦合变压器的原边产生较大的激磁电流，而激磁电流的增大一方面会 增加整个变压器的体积，另一方面会降低整个变压器的能量传送效率。为了提 高整个电源系统的电能传输效率，缩小器件的体积，提高能量密度，这就要求 在松耦合变压器的原边中通过高频电流，利用高频化来提高整个电源系统的能 量密度，减小器件体积，提高能量传输效率。因此需要在电路中加入整流及高 频逆变环节，提高松耦合变压器的原边中的电流频率，从而减小激磁电流，达 河北联合大学 XXXX 学院 -10- 到缩小电源体积提高电能传输效
48、率的目的。 2.2 感应电能传输技术的基本结构 本文所介绍的非接触式电源主要由原边整流电路部分、高频逆变电路部分、 松耦合变压器部分、副边能量接收线圈的整流及稳压部分、用电设备的供电控 制部分等五部分所组成。工频交流电流经过整流及滤波电路之后向高频逆变器 提供平稳的直流电源，直流电源在经过高频逆变之后向松耦合变压器的原边输 送高频交变电流，逆变器输出的交变电流在松耦合变压器的原边(能量发射线圈)中 流过时会产生高频的电磁辐射，利用合理设计的松耦合变压器的副边(能量接收 线圈)产生感应电动势，该感应电动势在经过整流滤波等电流电压参数调节之后 向负载传送稳定的电能，考虑到多个能量接收线圈的存在，必
49、须在用电设备端 加上负载供电控制单元以保证整个电源系统运行的稳定性与可靠性。整个非接 触式电源的基本结构如图 2.4 所示。 电能 变换 整流 电路 开关 模式 控制 器 交流电源 原边导轨电感 直流输出 图 24 2.2.1 整流电路 整流电路部分如图 2.5 所示。根据实际需要可以选用 380V 的三相工频交流 电源作为供电电源，则经过整流滤波等环节后得到 34lV 的直流电源;也可以选 用 220V 单相工频电源作为供电电源，则得到 198V 的直流电源。考虑到非接触 式电源的实际特点与本文的要求，这里选取 220V 的单相工频电源作为系统的 供电电源，在经过整流滤波后得到 198V 的直流电源，供给高频逆变器进行高 频逆变。 第 2 章 ICPT 技术的工作原理及其基本结构 -11- 220V 图 2.5 2.2.2 高频逆变电路及松耦合变压器 如前所述，整流电路所得到的直流电须经过高频逆变电路逆变之后才能向 松耦合变压器的原边供电，而考虑到整个电