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.
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]。
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。
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):
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):
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。
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。
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。
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]:
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]:
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
參考文獻(xiàn)
[1] 曹玲玲,陳乾宏,任小永,等.電動(dòng)汽車高效率無線充電技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(8):1-13.
[2] 范興明,莫小勇,張鑫.無線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(10):2584- 2600.
[3] Imura T,Uchida T,Hori Y.Flexibility of contactless power transfer using magnetic resonance coupling to air gap and misalignment for EV[J].World Electric Vehicle Journal,2009(3):1-10.
[4] Shinohara N.Wireless power transmission progress for electric vehicle in Japan[C]//2013 IEEE Radio and Wireless Symposium(RWS).Austin,USA:IEEE,2013:109-111.
[5] 范興明,莫小勇,張鑫.磁耦合諧振無線電能傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀與應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(12):75-82.
[6] 傅文珍,張波,丘東元,等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(18):21-26.
[7] Ishizaki T,Komori T,Ishida T,et al.Comparative study of coil resonators for wireless power transfer system in terms of transfer loss[J].IECE Electronics Express,2011,7(11):785-790.
[8] 譚林林,黃學(xué)良,趙俊峰,等.一種無線電能傳輸系統(tǒng)的盤式諧振器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(8):1-6.
[9] 田立亭,史雙龍,賈卓.電動(dòng)汽車充電功率需求的統(tǒng)計(jì)學(xué)建模方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,34(11):126-130.
[10] SAE J1772-2001.SAE electric vehicle conductive charge coupler[S].2001.
[11] KURS A,Karalis A,Moffatt R,et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science,2007,317(5834):83-86.
[12] Beh T C,Imura T,Kato M,et al.Basic study of improving efficiency of wireless power transfer via magnetic resonance coupling based on impedance matching[C]//2010 IEEE International Symposium on Industrial Electronics(ISIE).Bari:IEEE,2010:2011-2016.
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)