《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)線圈參數(shù)的仿真與設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
張 鑫,賈二炬,范興明
桂林電子科技大學(xué) 電氣工程及其自動(dòng)化系,廣西 桂林541004
摘要: 磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)能實(shí)現(xiàn)中等距離的大功率高效率的能量傳輸,更加適用于電動(dòng)汽車的無線充電。線圈作為該技術(shù)的核心部件,合理的線圈參數(shù)設(shè)計(jì)能夠有效地提高系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率。為此,首先介紹了該技術(shù)的工作原理并基于等效電路理論建模。其次描述了該技術(shù)在電動(dòng)汽車無線充電中的應(yīng)用。再次利用MATLAB仿真分析了線圈參數(shù)對系統(tǒng)傳輸性能的影響,得出結(jié)論:存在最佳匝數(shù)和平均半徑使系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率達(dá)到最大。隨后對適用于電動(dòng)汽車無線充電的線圈參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在傳輸距離為0.3 m時(shí),輸出功率為1.60 kW,傳輸效率可達(dá)到96%。最后通過Pspice仿真證明了參數(shù)設(shè)計(jì)的可行性。
中圖分類號: TM74
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.033
中文引用格式: 張鑫,賈二炬, 范興明. 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)線圈參數(shù)的仿真與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(3):132-136.
英文引用格式: Zhang Xin,Jia Erju,F(xiàn)an Xingming. Simulation and design of coil′s parameter in wireless charge system for EV[J].Application of Electronic Technique,2017,43(3):132-136.
Simulation and design of coil′s parameter in wireless charge system for EV
Zhang Xin,Jia Erju,F(xiàn)an Xingming
Department of Electrical Engineering & Automation,Guilin University of Electronic and Technology,Guilin 541004,China
Abstract: Magnetically-coupled resonant wireless power transmission(MCR-WPT) technology has the advantage of mid-range, high-power and high efficiency, which makes it more suitable for electric vehicle(EV) wireless charge. The coil works as a core in this technology, whose proper parameters′ design could effectively enhance output power and transmission efficiency. Firstly, the operation principle of MCR-WPT is introduced and theoretical model is built based on equivalent circuit theory. Subsequently,the application of this technology in EV is described.Based on theoretical analysis, the relationships between coil′s parameters and transmission properties are investigated through MATLAB.We can extract a conclusion that there are optimal turns and average radius which make the output power and efficiency maximal. Besides the coil′s parameters adjusted to EV′ wireless charge are devised.The designed system could achieve that the power is 1.60 kilowatt and the efficiency is 96 percent approximately when the transmission distance is 0.3 meter. Then the feasibility of designed parameters are verified with the help of Pspice.
Key words : electric vehicle(EV);magnetically-coupled resonant(MCR);wireless power transmission(WPT);equivalent circuit theory;parameters′ design

0 引言

    2009年我國汽車銷量達(dá)到1 364萬輛,同比增長46%,首次超過美國,成世界第一大新車市場。汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,在方便人類生活的同時(shí),也會(huì)給環(huán)境和能源帶來巨大的壓力。電動(dòng)汽車(Electric Vehicle,EV)可以很好地解決機(jī)動(dòng)車污染排放和能源短缺問題,是我國戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)。早在“十五”期間,我國啟動(dòng)了“863”計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng),建立了“三縱三橫”的開發(fā)布局。2010年6月,國家四部出臺了《關(guān)于開展私人購買新能源汽車補(bǔ)貼試點(diǎn)的通知》,在5個(gè)試點(diǎn)城市對私人購買新能源汽車進(jìn)行不同程度的補(bǔ)貼。我國政府的積極態(tài)度表明電動(dòng)汽車是未來社會(huì)發(fā)展的方向。

    目前充電方式分為兩大類:有線充電和無線充電(Wireless Power Transmission,WPT)。與傳統(tǒng)的有線充電相比,WPT技術(shù)可以省卻繁瑣的充電作業(yè),提高充電系統(tǒng)的安全性和可靠性,同時(shí)還可適應(yīng)多種惡劣環(huán)境和天氣[1]。適用于EV的WPT技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式和磁耦合諧振式。電磁感應(yīng)式WPT技術(shù)雖然可實(shí)現(xiàn)大功率能量傳輸,但傳輸距離過短,同時(shí)汽車停車位置出現(xiàn)的微量橫向偏移也會(huì)很大程度上降低系統(tǒng)的傳輸效率[2]。磁耦合諧振式無線能量傳輸(Magnetically-Coupled Resonant Wire-less Power Transmission,MCR-WPT)技術(shù)與電磁感應(yīng)式相比傳輸距離遠(yuǎn),傳輸效率高,且對橫向偏移的適應(yīng)性更強(qiáng),更加適合應(yīng)用于電動(dòng)汽車[3]。日本東京大學(xué)設(shè)計(jì)了基于MCR-WPT技術(shù)的EV無線充電裝置,傳輸功率為1 kW,距離為30 cm,效率約為88%[4]。由于該技術(shù)研究尚不成熟,在實(shí)際應(yīng)用中還存在很大的困難。其中一個(gè)關(guān)鍵因素是線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)。線圈作為該技術(shù)的核心部件,其參數(shù)的大小對系統(tǒng)的輸出功率、傳輸效率及傳輸距離具有至關(guān)重要的影響。合理的線圈參數(shù)設(shè)計(jì),能夠充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大功率、高效率的傳輸,因此對線圈參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

    本文對基于磁耦合諧振式的電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)進(jìn)行介紹和研究。首先介紹了MCR-WPT技術(shù)的工作原理,用等效電路理論對系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。其次介紹了基于MCR-WPT技術(shù)的EV無線充電裝置,并仿真分析了線圈參數(shù)對系統(tǒng)傳輸性能的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上描述了線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)過程。為EV無線充電系統(tǒng)線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 MCR-WPT技術(shù)原理與基本理論

1.1 MCR-WPT技術(shù)原理

    MCR-WPT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為圖1。磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)主要由高頻電源、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路等組成。該技術(shù)主要是利用近場區(qū)的非輻射理論,使能量在具有相同諧振頻率的物體之間周期性地來回傳遞,而不同共振頻率的物體基本不受影響,因此可實(shí)現(xiàn)高效的能量傳輸。磁耦合諧振式WPT的具體工作原理是:高頻電源向發(fā)射天線輸出高頻交變電流,經(jīng)過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將能量傳遞給發(fā)射線圈。發(fā)射線圈在高頻交變電流的作用下發(fā)生諧振,產(chǎn)生高頻電磁場。當(dāng)合理設(shè)置收發(fā)線圈的參數(shù)時(shí),接收線圈也發(fā)生共振,產(chǎn)生同頻共振的電磁場,形成能量接收通道,繼而接收能量,接收到的電能經(jīng)過負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路處理后便可以給負(fù)載供電,從而實(shí)現(xiàn)無線輸電[5]。

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1.2 MCR-WPT系統(tǒng)等效電路理論

    忽略電源內(nèi)阻、趨膚效應(yīng)和毗鄰效應(yīng)的影響,得到簡化的兩線圈等效電路模型如圖2所示。

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    圖中, L1,L2,C1,C2,R1,R2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的等效電感、諧振電容和等效電阻。I1,I2分別為發(fā)射線圈和接收線圈中的電流,M為兩線圈間的互感,D為兩線圈間的距離,RL為等效負(fù)載,US為高頻電源。由系統(tǒng)等效電路圖根據(jù)基爾霍夫電壓定律可建立關(guān)系式(1):

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    式中,Z1,Z2分別為發(fā)射線圈與接收線圈回路的阻抗,由式(1)可得系統(tǒng)的輸出功率P,輸入功率PS與傳輸效率η的計(jì)算表達(dá)式為式(2):

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    當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈同時(shí)發(fā)生諧振時(shí),系統(tǒng)的功率和效率才最大[6],此時(shí)Z1=R1,Z2=R2+RL。

2 EV無線充電原理

    基于MCR-WPT的EV無線充電的結(jié)構(gòu)圖圖如圖3所示。該裝置由電網(wǎng)、發(fā)射裝置、接收裝置和負(fù)載等組成。在實(shí)際應(yīng)用中,常將發(fā)射線圈置于地面下,接收裝置安裝在汽車底盤下面,當(dāng)電動(dòng)汽車停在固定區(qū)域內(nèi)便可對其進(jìn)行無線充電。

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    基于MCR-WPT的EV無線充電的原理圖如圖4所示。充電原理是:從電網(wǎng)傳輸進(jìn)來的交流電由整流濾波電路濾去干擾信號后變成直流電,再經(jīng)過振蕩器變換成需要的高頻交流電,接著經(jīng)過功率放大器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將能量傳遞給發(fā)射線圈;接收線圈通過耦合諧振作用從發(fā)射線圈吸收能量,在接收端產(chǎn)生高頻交流電,經(jīng)過整流濾波電路變換成直流電,而后經(jīng)過電池充電裝置進(jìn)行電流電壓變換進(jìn)而給車載電池系統(tǒng)充電。由圖4可知:EV無線充電技術(shù)的核心部件為收發(fā)線圈,收發(fā)線圈參數(shù)設(shè)計(jì)的合理與否對提高系統(tǒng)的功率和效率具有重要意義。

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3 EV無線充電系統(tǒng)線圈設(shè)計(jì)

    目前,在MCR-WPT系統(tǒng)中,常用的線圈結(jié)構(gòu)類型有:平面螺旋型和圓柱螺旋管型。其中,平面螺旋線圈的耦合系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)都較高,更加適合無線電能傳輸[7],而且平面螺旋線圈安置在底盤下面更加方便,所以本次研究中采用平面螺旋線圈。平面螺旋線圈的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

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    圖中Dmax為線圈最大外徑,Dmin為線圈最小內(nèi)徑,N為線圈匝數(shù),S為線圈匝間距,W為導(dǎo)線直徑。平面螺旋線圈的性能參數(shù)計(jì)算公式為式(3)[8]

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式中,L是平面螺旋線圈的電感,R為線圈的等效電阻,R0為等效歐姆電阻,Ra為等效輻射電阻,Q為線圈的品質(zhì)因數(shù)。σ為導(dǎo)線的電導(dǎo)率,μ0為真空中的磁導(dǎo)率,ravg是線圈平均半徑,β是線圈的填充率,a是導(dǎo)線線徑,ω為系統(tǒng)角頻率。

    同軸放置的兩線圈間互感的計(jì)算方法為式(4)[8]:

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    EV充電功率不僅受到電池容量的限制,還受到充電設(shè)施功率等級的限制[9]。美國汽車工程協(xié)會(huì)(Society of Automotive Engineers,SAE)根據(jù)EV充電系統(tǒng)對充電功率的要求,制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。如SAE J1772-2001將充電設(shè)施分為AC120V/12A、AC240V/32A、DC600V/400A三個(gè)等級[10]。本文針對AC120V/12A這一功率等級對系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

    MCR-WPT系統(tǒng)的工作頻率為1~50 MHz[11],受到工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)(Industrial Scientific Medical,ISM)頻段的影響,工作頻率多為13.56 MHz[12]。在f=13.56 MHz,Us=120 V,D=0.3 m的條件下,選取銅線作為材料,線圈繞制導(dǎo)線線徑根據(jù)導(dǎo)線所能承受的最大電流值取4 mm。選取線圈匝數(shù)為1~30,平均半徑為0~0.4 m,間隔為0.01 m的參數(shù)范圍用MATLAB進(jìn)行仿真,得到線圈參數(shù)與系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率的關(guān)系,分別如圖6、圖7所示。

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    由圖6可知:在ravg為0~0.08 m的范圍內(nèi),輸出功率隨著線圈匝數(shù)的增加先增加后減?。辉趓avg為0.08~0.4 m的范圍內(nèi),輸出功率隨著線圈匝數(shù)的增加先減小后增加而后又減小。輸出功率隨著平均半徑的增加表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。由圖7可知:傳輸效率隨著線圈匝數(shù)、平均半徑的增加均是先增加后減小。即在一定范圍內(nèi)存在最佳匝數(shù)和平均半徑分別使系統(tǒng)輸出功率和傳輸效率達(dá)到最大。由于線圈匝數(shù)和平均半徑的變化范圍較大,為了兼顧輸出功率和傳輸效率,并能夠反應(yīng)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,只列出其中的部分?jǐn)?shù)據(jù),便于線圈參數(shù)的篩選,如表1、表2所示。

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    根據(jù)設(shè)計(jì)要求:傳輸功率為1.44 kW,效率不低于90%,結(jié)合表1、表2數(shù)據(jù)可知符合要求的參數(shù)有:(1)N=15,ravg=0.05 m;(2)N=16,ravg=0.05 m;(3)N=11,ravg=0.06 m; (4)N=5,ravg=0.09 m;(5)N=3,ravg=0.12 m。結(jié)合系統(tǒng)的損耗、傳輸效率、安全性及成本等因素,最終選擇線圈參數(shù)為:N=3,ravg=0.12 m。根據(jù)線圈參數(shù)對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,可得表3。

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    通過比較表中數(shù)據(jù)UL、I2與選取的設(shè)計(jì)功率等級AC120V/10A可知:設(shè)計(jì)的參數(shù)可以滿足系統(tǒng)的需求,效率可以達(dá)到96.32%。由于在本次設(shè)計(jì)中忽略了線圈在高頻下趨膚效應(yīng)和毗鄰效應(yīng)的影響,導(dǎo)致理論計(jì)算的結(jié)果略微偏大。

    根據(jù)線圈各參數(shù)間的關(guān)系,考慮線圈匝間絕緣、空氣擊穿電壓等因素并結(jié)合線圈的總體尺寸確定匝間距為10 mm,最終確定線圈參數(shù)如表4所示。

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4 仿真驗(yàn)證

    由表4中的線圈參數(shù),在工作頻率為13.56 MHz,傳輸距離為0.3 m的條件下,對兩線圈的性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算可得表5。

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    表5中,L、C、R、M及k分別為兩線圈的電感、諧振補(bǔ)償電容、內(nèi)阻、兩線圈間的互感及耦合系數(shù)。由此用Pspice搭建仿真電路模型如圖8所示。

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    在圖8中,標(biāo)定V1上端為in,RL上端為out。由圖8對電路進(jìn)行暫態(tài)分析,通過分別捕獲Vin和Vout兩點(diǎn)電位可以得到高頻信號源的輸出電壓及負(fù)載的電壓波形。為了能夠比較清晰準(zhǔn)確地顯示結(jié)果,設(shè)置時(shí)間長度為0.8 μs,最大掃描步長為1 ns,最終結(jié)果如圖9所示。

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    圖9中,正方形標(biāo)記的是系統(tǒng)的輸出電壓波形,乘號標(biāo)記的是輸入電壓波形。由圖9可知,輸出電壓的峰值為178.43 V,有效值為126.17 V,與表3中計(jì)算得到UL=126.39 V基本上相等。輸入電壓的峰值為169.72 V,有效值為120 V。負(fù)載兩端電壓與電源電壓相位相差90°,這是因?yàn)橛墒?1)可得I1與I2相位相差90°,當(dāng)系統(tǒng)工作在共振狀態(tài)時(shí),Vin與I1同相,Vout與I2同相,因此Vin與Vout相位相差90°,仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果比較吻合。

    分別對圖8中的Iin和Iout進(jìn)行捕獲,可得到發(fā)射回路和接收回路的電流波形,結(jié)果如圖10所示。

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    圖10中,正方形和加號標(biāo)記的分別是發(fā)射回路和接收回路電流的波形。由圖10可知,發(fā)射回路電流與圖9中高頻電源電壓的相位相同,說明系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài);與接收回路的電流相位相差90°,與理論分析結(jié)果一致。發(fā)射回路與接收回路電流的峰值分別為19.83 A和17.84 A,有效值分別為14.02 A和12.61 A,仿真結(jié)果與理論計(jì)算值基本吻合。

    結(jié)合圖9和圖10對系統(tǒng)的輸入功率和輸出功率仿真分析,得到結(jié)果如圖11所示。正方形和乘號標(biāo)記的分別為系統(tǒng)輸出功率和輸入功率的波形。由圖9可知,系統(tǒng)輸入功率的峰值為3.308 kW,有效值為1.65 kW;輸出功率的峰值為3.184 kW,有效值為1.59 kW,系統(tǒng)的傳輸效率為96.25%,與表3中的計(jì)算結(jié)果基本上保持一致。

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    由仿真結(jié)果可知:設(shè)計(jì)的線圈參數(shù)在系統(tǒng)正常工作時(shí),負(fù)載兩端的電壓、收發(fā)回路電流及系統(tǒng)的輸入、輸出功率從相位到幅值均與理論計(jì)算結(jié)果比較吻合,設(shè)計(jì)的線圈參數(shù)能夠較好地滿足系統(tǒng)的傳輸性能,表明設(shè)計(jì)方法的可行性。

5 總結(jié)

    MCR-WPT技術(shù)的中等距離傳輸能力使其更加適用于EV的無線充電。利用等效電路理論對系統(tǒng)進(jìn)行建模分析,并對基于MCR-WPT技術(shù)的EV無線充電原理進(jìn)行了介紹。通過分析線圈參數(shù)對系統(tǒng)傳輸性能的影響,在傳輸距離為0.3 m時(shí),設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)AC120V/12A功率等級的EV無線能量傳輸系統(tǒng)的線圈參數(shù),傳輸效率可達(dá)到96%。最后通過Pspice仿真證明了設(shè)計(jì)參數(shù)的有效性,對線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

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作者信息:

張  鑫,賈二炬,范興明

(桂林電子科技大學(xué) 電氣工程及其自動(dòng)化系,廣西 桂林541004)

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