李盈　龔國(guó)慶　蔡立

摘 要：電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸問(wèn)題的研究對(duì)于解決電動(dòng)汽車電池瓶頸問(wèn)題具有重要意義。文章依據(jù)無(wú)線電能傳輸原理，設(shè)計(jì)了符合實(shí)際應(yīng)用條件的耦合結(jié)構(gòu)，確定了耦合結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)。通過(guò)仿真計(jì)算，分析了耦合系數(shù)變化規(guī)律以及磁場(chǎng)強(qiáng)度分布特點(diǎn)，計(jì)算了傳輸功率與效率，并對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)提出改進(jìn)建議。所提出的方法能夠滿足道路行駛條件，為耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，并為電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電導(dǎo)軌設(shè)計(jì)提供幫助。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;無(wú)線電能傳輸;耦合結(jié)構(gòu);實(shí)際應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-05-04

Abstract：?Research on the dynamic wireless power transfer problem of electric vehicles is of great significance for solving the bottleneck problem of electric vehicles. According to the principle of wireless power transfer， this paper designs a coupling structure that meets the practical application conditions and determines the basic parameters of the coupling structure. Through the simulation calculation， the variation law of the coupling coefficient and the distribution characteristics of the magnetic field intensity are analyzed， the transmission power and efficiency are calculated， and the improvement suggestions for the wireless power transfer system are proposed. The proposed method can meet the road driving conditions， provide a reference for the design of the coupling structure， and help the design of dynamic power transfer wireless charging rails for electric vehicles

.Keywords： Electric vehicle; Wireless power transfer; Coupling structure;

Practical applicationCLC NO.：?U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-05-04

前言

隨著人們生活水平不斷提高，環(huán)境與能源問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。國(guó)家針對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源危機(jī)發(fā)布了一系列的政策法規(guī)，鼓勵(lì)發(fā)展新能源汽車，并推進(jìn)高功率快充、無(wú)線充電、移動(dòng)充換電等技術(shù)。

近年來(lái)，越來(lái)越多的科研人員加入到無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer，WPT）的研究中來(lái)。其中部分科研人員致力于研究電磁耦合機(jī)構(gòu)，針對(duì)線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)（線徑、線圈半徑、匝數(shù)等）、線圈數(shù)量、線圈相對(duì)位置等方面進(jìn)行研究以提高無(wú)線電能傳輸功率和效率[1-4]。以上文章均沒(méi)有考慮到電動(dòng)汽車在路面上行駛進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸時(shí)，實(shí)際路面信息以及車身參數(shù)對(duì)耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

本文基于單發(fā)射單接收電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行分析。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用條件，設(shè)計(jì)一種符合實(shí)際使用條件的耦合結(jié)構(gòu)模型。利用有限元軟件對(duì)所設(shè)計(jì)模型進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的仿真分析，并驗(yàn)證其傳輸功率、效率是否滿足實(shí)際需要，并對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)提出改進(jìn)意見(jiàn)。

1?無(wú)線電能傳輸原理

1.1 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)選擇

電動(dòng)汽車無(wú)線供電導(dǎo)軌分為長(zhǎng)導(dǎo)軌式和分段導(dǎo)軌式[5]。長(zhǎng)導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、供電方便，但損耗嚴(yán)重、效率低。分段導(dǎo)軌式能減少電能損耗、利與維修。SS型諧振電路基本補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在負(fù)載較小時(shí)有較好的傳輸效率和功率[6]。因此，本文選取帶有SS型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分段導(dǎo)軌式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1.2 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)選擇

SS型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中US為電源，CP和CS分別為初級(jí)和次級(jí)的調(diào)諧電容，LP和LS分別為初級(jí)和次級(jí)的電感，RP和RS分別為初級(jí)和次級(jí)電路內(nèi)阻，RL為負(fù)載電阻。

2?耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 影響因素

電動(dòng)汽車在行駛時(shí)，其車身參數(shù)、道路條件均影響耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇，如表1所示。

結(jié)合上述影響因素和限制條件，得出設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

2.2 設(shè)計(jì)步驟

2.2.1 初、次級(jí)線圈尺寸范圍

電動(dòng)汽車車身參數(shù)中寬度范圍一般為1550mm-2100mm，汽車單側(cè)外后視鏡長(zhǎng)度160-180mm[7]，因此汽車所占寬度范圍為1870-2460mm。根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，一條機(jī)動(dòng)車道最小寬度應(yīng)符合：當(dāng)車速>60km/h時(shí)，大型車或混行車道為3.75m、小客車專業(yè)車道為3.5m;當(dāng)車速≤60km/h時(shí)，大型車或混行車道為3.5m、小客車專業(yè)車道為3m。

汽車行駛在機(jī)動(dòng)車道示意圖如圖3所示，當(dāng)汽車行駛至距地面鋪設(shè)耦合結(jié)構(gòu)橫向最遠(yuǎn)位置時(shí)，如保證兩耦合結(jié)構(gòu)向下垂直投影有重疊部分，耦合結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足如下條件：

式中：WC為機(jī)動(dòng)車道寬度;W為車輛寬度（包括兩側(cè)外后視鏡）;S1、S2分別為初、次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)基本尺寸。

由于機(jī)動(dòng)車道越寬、汽車寬度越小，初、次級(jí)耦合結(jié)構(gòu)重疊部分越少，所設(shè)計(jì)耦合結(jié)構(gòu)尺寸越大。為適用于各類車型，本文選取極限數(shù)值，即WC為3750mm，?W為1800mm。最終算得耦合結(jié)構(gòu)尺寸S應(yīng)大于925mm，本文選取1000mm。

2.2.2 耦合結(jié)構(gòu)纏繞方式、匝數(shù)

螺旋狀耦合結(jié)構(gòu)與平面耦合結(jié)構(gòu)相比[8]耦合系數(shù)小，且所占空間大，不適宜導(dǎo)軌鋪設(shè)及車上安裝使用。因此，本文選取矩形平面螺旋結(jié)構(gòu)。線圈匝數(shù)越大，耦合系數(shù)越高。但線圈匝數(shù)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致耦合結(jié)構(gòu)質(zhì)量過(guò)大，材料使用過(guò)多。本文選取耦合線圈線徑R為0.2cm、匝數(shù)N為30匝。

2.2.3 耦合距離

電動(dòng)汽車最小離地間隙120-140mm居多，本文選取130mm。道路鋪設(shè)導(dǎo)軌時(shí)，耦合線圈位置距離地面還需要一定距離。兩線圈耦合距離選d為20cm作為研究對(duì)象。

綜上，本文選取初始模型（初、次級(jí)耦合結(jié)構(gòu)相同），其參數(shù)如表2所示。

3 仿真分析

按照上述設(shè)計(jì)流程對(duì)耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)后，利用有限元軟件Maxwell對(duì)所設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真分析，聯(lián)合Simplorer軟件，把所設(shè)計(jì)耦合模型放入SS型電路中，仿真計(jì)算傳輸功率、效率是否達(dá)到要求。

以添加參數(shù)的方式模擬汽車動(dòng)態(tài)行駛時(shí)耦合結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置。分別添加參數(shù)X、Y、Z模擬汽車沿側(cè)向偏移時(shí)的耦合狀態(tài)、汽車前進(jìn)行駛時(shí)的耦合狀態(tài)、底盤(pán)距初級(jí)線圈的距離變化。通過(guò)耦合系數(shù)大小來(lái)判斷傳輸效率高低[9]。

圖4中，汽車從遠(yuǎn)處逐漸行駛靠近初級(jí)線圈。初、次線圈完全重疊時(shí)，耦合系數(shù)最大為0.299。當(dāng)汽車左右偏移41cm時(shí)，耦合系數(shù)仍有0.1。即汽車在距離道路邊緣約有50cm的距離，為駕駛員防止汽車發(fā)生刮碰留出的安全距離。

如圖5中，在初、次級(jí)線圈相對(duì)距離越來(lái)越遠(yuǎn)時(shí)，耦合系數(shù)急劇變小。當(dāng)距離為20cm時(shí)，耦合系數(shù)仍有0.299。所設(shè)計(jì)耦合結(jié)構(gòu)可以滿足汽車無(wú)線電能傳輸。

耦合線圈材料為銅線，仿真材料采用純銅，其密度為8.93g/cm3。在Maxwell中，通過(guò)仿真計(jì)算，可以查看單側(cè)耦合結(jié)構(gòu)質(zhì)量7707g，遠(yuǎn)小于一般電動(dòng)汽車上電池質(zhì)量。

圖6為電路達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，耦合結(jié)構(gòu)周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。由圖可以看出，次級(jí)線圈能夠接收部分初級(jí)線圈發(fā)射的能量。圖7為諧振狀態(tài)下電源和負(fù)載電阻功率圖。從圖中可以看到，電源輸出功率約為200W，負(fù)載接收功率約為20W。即穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳輸效率為10%左右。

4 結(jié)果分析

由上述仿真結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)耦合結(jié)構(gòu)的傳輸功率、傳輸效率偏低。導(dǎo)致其傳輸功率、效率過(guò)小的原因由如下：

（1）仿真時(shí)采用的電路為簡(jiǎn)化的電路模型，缺少了無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中電能變換相關(guān)電路結(jié)構(gòu)，影響了傳輸功率、效率的數(shù)值大小。

（2）電路元器件參數(shù)的選擇對(duì)傳輸功率、效率具有很大影響。本文選取的部分參數(shù)并不是最優(yōu)參數(shù)，會(huì)影響傳輸功率、效率的數(shù)值大小，不能使傳輸效率最大化。

5 結(jié)論

本文提出結(jié)合實(shí)際應(yīng)用條件對(duì)耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)分析道路寬度、車身參數(shù)、最小離地間隙、材料使用、行駛安全等影響因素設(shè)計(jì)耦合結(jié)構(gòu)初始模型。結(jié)合仿真分析，把設(shè)計(jì)的耦合結(jié)構(gòu)放入電路中計(jì)算傳輸功率、效率。所設(shè)計(jì)的耦合結(jié)構(gòu)減小了材料的使用，能夠滿足道路行駛條件，但功率、效率還需提高。

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