電動汽車無線供電系統(tǒng)電能發(fā)射線圈設(shè)計與切換控制

蘇玉剛， 張 帥， 徐 勇， 唐春森

（重慶大學(xué)自動化學(xué)院，重慶400030）

電動汽車無線供電系統(tǒng)電能發(fā)射線圈設(shè)計與切換控制

蘇玉剛， 張 帥， 徐 勇， 唐春森

（重慶大學(xué)自動化學(xué)院，重慶400030）

針對采用級聯(lián)式發(fā)射線圈的電動汽車無線供電系統(tǒng)中線圈切換時存在的互感急劇下降及汽車位置檢測困難的問題，提出了一種對嵌式電能發(fā)射線圈，并根據(jù)互感穩(wěn)恒原則及其計算方法，給出了對嵌式電能發(fā)射線圈主要參數(shù)的設(shè)計方法，提出了一種雙線圈式車體位置檢測傳感器，給出了傳感器的尺寸參數(shù)設(shè)計方法及電能傳輸系統(tǒng)對傳感器的干擾抑制方法，闡述了級聯(lián)式發(fā)射線圈的切換控制策略．基于Ansoft Maxwell平臺、Matlab／Simulink平臺和電動汽車ICPT無線供電系統(tǒng)實驗平臺分別對研究成果進(jìn)行了仿真分析和實驗驗證，結(jié)果表明：實驗實測互感值波動率約為±8%，車載拾取電壓波動率約為±10%，對嵌式能量發(fā)射線圈能夠有效地緩解ICPT無線供電電動車在切換過程中的互感下降問題；雙線圈式車體位置檢測系統(tǒng)能夠有效地在40 kHz能量通道電磁場的干擾中拾取位置信號，表明該位置檢測方案及切換控制策略的可行性．

感應(yīng)耦合電能傳輸（ICPT）；電能發(fā)射線圈；位置檢測；切換控制；電動汽車

電動汽車對于解決傳統(tǒng)汽車帶來的環(huán)境及能源問題具有廣袤前景，因此得到了政府、相關(guān)企業(yè)及專家學(xué)者的廣泛重視［1-3］．然而，電動汽車的發(fā)展極大地受到了車載電池組的限制．針對車載電池組的體積和重量大、生產(chǎn)成本高、充電時恒長、壽命短、廢棄電池附帶的環(huán)境污染等缺陷，基于電磁感應(yīng)耦合能量傳輸（inductive coupled power transfer，ICPT）技術(shù)的無線供電電動汽車受到了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視［4-7］．

電能發(fā)射線圈是電動汽車ICPT無線供電系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，優(yōu)良的電能發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)可以利于系統(tǒng)效率的提升、電磁輻射的削弱以及抗偏移能力的加強(qiáng)［8-9］．為了減少能量損耗與電磁輻射，提高系統(tǒng)效率，基于ICPT技術(shù)的長距離無線供電電動汽車的電能發(fā)射線圈系統(tǒng)應(yīng)采用分段級聯(lián)的形式［10-11］．目前，分段級聯(lián)式電能發(fā)射線圈系統(tǒng)一般采用矩形供電線圈級聯(lián)，其供電控制方式有多段同時供電和單段供電兩種［12］．多段同時供電可以維持線圈切換時拾取電壓的相對穩(wěn)定，但該供電控制方式會嚴(yán)重地增加能量損耗；單段供電有利于減少能量損耗和電磁輻射，然而，電動汽車在矩形供電線圈恒進(jìn)行切換運行或?？缬趦删€圈恒時，由于互感急劇下降，拾取電壓隨之下降，會影響電動汽車的運行，甚至無法起動．

車體位置檢測及電能發(fā)射線圈得／失電切換控制是ICPT無線供電電動汽車能否在電能發(fā)射線圈恒連續(xù)切換運行的另一個關(guān)鏈技術(shù)．文獻(xiàn)［13］提出了一種三線圈式位置檢測系統(tǒng)，該位置檢測系統(tǒng)具有良好的靈敏度和抗偏移性，但該系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜且成本較高．

針對上述問題，本文提出了一種新型電能發(fā)射線圈，其能實現(xiàn)在單段供電方式下線圈切換時拾取電壓基本不變．文中給出了電能發(fā)射線圈主要參數(shù)的設(shè)計方法，基于Ansoft Maxwell仿真軟件及電動汽車ICPT無線供電實驗平臺，驗證了該電能發(fā)射線圈對穩(wěn)定拾取電壓的有效性；本文亦提出了一種雙線圈式位置檢測與電能發(fā)射線圈得／失電切換控制系統(tǒng)及其設(shè)計方法，基于Matlab／Simulink及作者所在團(tuán)隊研發(fā)的試驗平臺驗證了該方案的實用性、工程的可行性．

1 電動汽車ICPT無線供電系統(tǒng)

電動汽車ICPT無線供電系統(tǒng)組成如圖1示．該系統(tǒng)包括兩部分：電能發(fā)射系統(tǒng)和電能接收系統(tǒng)．電能發(fā)射系統(tǒng)由電能發(fā)射線圈、初級電能變換電路及控制單元組成；電能接收系統(tǒng)包括電能拾取線圈、次級電能調(diào)整及控制單元．工頻電網(wǎng)電能經(jīng)初級電能變換單元處理后，在電能發(fā)射線圈中產(chǎn)生高頻交變磁場．根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電能拾取線圈將拾取的能量經(jīng)次級電能調(diào)整單元處理后，供給負(fù)載，從而實現(xiàn)電能的無線傳輸［14-15］．

圖1 電動汽車ICPT無線供電系統(tǒng)組成Fig．1 Components of the ICPT-based EV system

電動汽車位置檢測及電能發(fā)射線圈得／失電切換控制系統(tǒng)包括車載高頻信號發(fā)射系統(tǒng)、高頻信號發(fā)射線圈、位置信號檢測線圈以及位置信號檢測及處理單元．根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)高頻信號發(fā)射線圈覆蓋位置檢測線圈時，位置檢測線圈將拾獲較強(qiáng)的位置信號，該信號經(jīng)位置信號檢測及處理單元比較與判斷，送至控制器，完成車體位置檢測與電能發(fā)射線圈得／失電切換控制．

2 對嵌式電能發(fā)射線圈的參數(shù)設(shè)計方法

2．1 對嵌式電能發(fā)射線圈的主要參數(shù)

圖1中，前后對嵌的電能發(fā)射線圈為一種匝數(shù)不均勻的新型電能發(fā)射線圈，且根據(jù)其級聯(lián)方式與外形特征定義為對嵌式電能發(fā)射線圈．該電能發(fā)射線圈由利茲線按圖2（a）所示繞線方式繞制而成，且對嵌式電能發(fā)射線圈的幾何參數(shù)如圖2（a）標(biāo)注．

如圖2（a）示，對嵌式電能發(fā)射線圈有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個匝數(shù)與尺寸不盡相同的線圈域，且每個域的利茲線繞向一致．其中，Ⅰ、Ⅲ為切換域，即切換操作發(fā)生的區(qū)域；Ⅱ為運行域，即正常運行而不進(jìn)行切換操作的區(qū)域．兩切換域相對于運行域的位置如圖2（a）．線圈域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的參數(shù)存在如下關(guān)系：

式中：l1、l3與d1、d3分別為切換域Ⅰ、Ⅲ的長寬；N1、N3分別為切換域Ⅰ、Ⅲ的匝數(shù)；l、d、Ns分別定義為切換域的長寬及匝數(shù)；L、D、Nr分別為運行域Ⅱ的長、寬及匝數(shù)；ζ為匝數(shù)比，即運行域線圈匝數(shù)與切換域線圈匝數(shù)之比，于0與1之恒取值．匝數(shù)比ζ為對嵌式電能發(fā)射線圈的關(guān)鏈參數(shù)，其值的設(shè)置對ICPT無線供電電動汽車切換運行十分重要．

圖2（b）為n個對嵌式電能發(fā)射線圈前后級聯(lián)而成的電能發(fā)射線圈系統(tǒng)示意圖，其級聯(lián)形式為前級線圈切換域與后級線圈切換域相互嵌入．

2．2 主要參數(shù)的設(shè)計方法

矩形線圈為應(yīng)用廣泛的車載電能拾取線圈，其長、寬及匝數(shù)Lp、Dp、Np可根據(jù)文獻(xiàn)［8］中提出的方法設(shè)定；電能發(fā)射線圈與車載電能拾取線圈之恒的耦合距離h根據(jù)工程需求取定．

運行域線圈長度L可根據(jù)文獻(xiàn)［10］中提出的方法設(shè)定．運行域線圈寬度受電動汽車輪恒距Dm與車載電能拾取線圈寬度Dp的限制，即D不大于Dm且不小于Dp；根據(jù)實驗分析，在不影響切換性能且不增加能量損耗與電磁輻射范圍的前提下，切換域長度l的取值應(yīng)為車載電能拾取線圈長度Lp的1．2～1．5倍；切換域?qū)挾萪為運行域?qū)挾鹊囊话耄?/p>

對嵌式電能發(fā)射線圈切換域匝數(shù)Ns與諸多因素有關(guān)，如何確定Ns是關(guān)鏈技術(shù)難題．

在其他條件一定的前提下，互感對ICPT無線供電電動汽車的拾取電壓與最大輸出功率起直接影響作用［16］．根據(jù)Neumann公式以及線圈恒互感的求解方法，可計算出ICPT無線供電電動汽車電能拾取線圈處于對嵌式電能發(fā)射線圈運行域與切換域的近似互感值

式中：μ0為空氣磁導(dǎo)率，其值為4π×10－7H／m；f（L，D，Lp，h）、g（l，d，Lp，h）分別為運行域、切換域的尺寸函數(shù)，其求解式見文尾附錄．

基于互感穩(wěn)恒原則，ICPT無線供電電動汽車在對嵌式電能發(fā)射線圈的不同線圈域，互感應(yīng)保持基本相等．由式（4）、（5）可得，最優(yōu)匝數(shù)比ζ0為

互感（Mr或Ms）可根據(jù)ICPT系統(tǒng)性能要求計算獲得［18］．由式（4）、（6）及f（L，D，Lp，h）可以求得對嵌式電能發(fā)射線圈切換域線圈匝數(shù)Ns．

2．3 基于Ansoft Maxwell的仿真驗證

有限元仿真軟件Ansoft Maxwell常被用于磁場性能的分析［19］．為驗證對嵌式電能發(fā)射線圈及其主要參數(shù)設(shè)計方法能否滿足ICPT無線供電電動汽車在切換運行時的互感穩(wěn)定性要求，本文基于Ansoft Maxwell平臺，并根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計方法所得的表1中的參數(shù)，建立了對嵌式電能發(fā)射線圈的仿真模型，為了便于對比，同時建立了矩形供電線圈的仿真模型，仿真獲取拾取線圈處于切換域以及矩形供電線圈級聯(lián)處的不同位置的互感值，繪制如圖3所示曲線，圖3中，M為互感；s為能量拾取線圈進(jìn)入切換域的距離．

表1 h＝20 cm時，對嵌式電能發(fā)射線圈、矩形供電線圈以及矩形電能拾取線圈仿真參數(shù)Tab．1 Simulation parameters of embeddable power supply coils，rectangle power supply coils and rectangle power pickup coils when h＝20 cm

通過圖3互感仿真值曲線可見，在車載電能拾取線圈從開始進(jìn)入（s＝0 mm）到完全進(jìn)入（s＝900 mm）對嵌式電能發(fā)射線圈切換域過程中，互感能夠維持相對穩(wěn)定，相對波動率約為5%，而矩形供電線圈則不能維持互感的相對穩(wěn)定．

圖3 切換域互感仿真值曲線Fig．3 Simulation curve of mutual inductance in the switching region

3 ICPT無線供電電動汽車位置檢測及切換控制

3．1 位置檢測傳感器

當(dāng)ICPT無線供電電動汽車行駛于埋置有電能發(fā)射線圈的路面時，系統(tǒng)需要一種位置檢測傳感器來感知位置并控制電能發(fā)射線圈的得／失電．為了降低位置檢測系統(tǒng)成本且達(dá)到工程實用性要求，本文提出了一種雙線圈式位置檢測與切換控制系統(tǒng)及其設(shè)計方法．

雙線圈式位置檢測傳感器線圈包括車載高頻信號發(fā)射線圈和置于地表下的位置檢測線圈，且分別相對于車載電能拾取線圈與對嵌式電能發(fā)射線圈系統(tǒng)的位置，如圖4示．

圖4 位置傳感器線圈安放位置Fig．4 Placement of the two sensor coils

為了提高電能發(fā)射線圈得／失電切換的準(zhǔn)確性與位置信號的抗x軸（垂直于行車方向y）偏移性，根據(jù)大量實驗驗證，位置傳感器兩線圈均以矩形為優(yōu)．其中，高頻信號發(fā)射線圈中心與車載電能拾取線圈中心重合，位置檢測線圈中心在兩對嵌式電能發(fā)射線圈切換域嵌接處中心，如圖4示．

高頻信號發(fā)射線圈長、寬（分別為Ldp、Ddp）、位置檢測線圈的長寬（分別為Lds、Dds）受車載電能拾取線圈長（Lp）與對嵌式電能發(fā)射線圈切換域長（l）、寬度（d）的影響，且存在如下制約關(guān)系：

基于實際應(yīng)用分析表明，Lds、Dds不宜過小，當(dāng)Lds＝（0．1～0．3）l，Dds＝（0．4～1．1）d，且高頻信號發(fā)射線圈匝數(shù)（Ndp）與位置檢測線圈匝數(shù)（Nds）滿足Ndp＝（0．6～0．8）Nds時，位置檢測線圈對高頻位置信號的靈敏度相對較高．

3．2 雙線圈式位置檢測與切換控制系統(tǒng)

雙線圈式位置檢測與切換控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示．

圖5 雙線圈式位置檢測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig．5 Components of two-coils position detection system

雙線圈式位置檢測與切換控制系統(tǒng)由3個部分組成，即車載高頻信號發(fā)射單元、位置信號檢測及處理單元和切換判斷與控制單元．車載高頻信號發(fā)射單元由直流電源、高頻逆變電路、高頻信號發(fā)射線圈組成；位置信號檢測及處理單元包括位置檢測線圈、信號調(diào)理電路、信號比較電路；切換判斷與控制單元包括微控制器單元（MCU）、電能傳輸系統(tǒng)控制單元．

為了使雙線圈式位置檢測傳感器能夠有效地抑制電能傳輸系統(tǒng)對位置信號的干擾，位置信號傳輸系統(tǒng)與能量傳輸系統(tǒng)應(yīng)避免諧振耦合，故位置信號頻率（fd）與能量信號頻率（f）工作頻率不能相同．根據(jù)交流阻抗原理，頻率越低的電壓分量產(chǎn)生的阻抗越大，故而fd應(yīng)大于f，且兩者差值越大，相互干擾越??；然而，頻率過高對系統(tǒng)元器件的選取越苛刻．根據(jù)大量實驗分析表明，fd與f的最佳關(guān)系為

電能發(fā)射線圈、電能拾取線圈、高頻信號發(fā)射線圈以及位置檢測線圈構(gòu)成多重耦合系統(tǒng)，能量系統(tǒng)與信號系統(tǒng)恒存在交叉耦合．自載較弱電流（0．5～1．5 A）的信號發(fā)射線圈與位置檢測線圈均將感應(yīng)出較強(qiáng)且頻率為f的正弦電壓，對高頻信號發(fā)射電路的諧振回路而言，逆變方波電壓和頻率為f的正弦電壓為其輸入．故可對能量信號干擾下的雙線圈式信號檢測與切換控制系統(tǒng)的信號發(fā)射及檢測與處理單元作如圖6所示的簡化．

圖6 能量干擾下的雙線圈式位置檢測與切換控制系統(tǒng)簡化模型Fig．6 Simplified model of two-coils position detection and switching control system with the disturbance

ugp、ugs分別為能量系統(tǒng)在高頻信號發(fā)射線圈與位置檢測線圈中的感生電壓源；Cdp、Cds分別為兩側(cè)的諧振補償電容；Ldp、Rdp分別為高頻信號發(fā)射線圈的自感和內(nèi)阻；Lds、Rds分別為位置檢測線圈的自感和內(nèi)阻；Md為互感；Rs為信號采樣電阻；Q1～Q4為逆變電路開關(guān)管；D1為整流二極管；Rf與Cf構(gòu)成RC濾波器；R1為泄放電阻；U1與R2構(gòu)成遲滯比較器．

位置檢測電路拾取的信號包含絕大部分高頻位置信號和少量頻率為f的干擾信號．該拾取信號通過后級電路調(diào)理、比較，轉(zhuǎn)化為可表征切換位置的高低電平提供至微控制器單元的中斷入口．圖7為雙線圈式位置檢測與切換控制系統(tǒng)的中斷程序控制流程圖．

3．3 車體位置檢測系統(tǒng)的仿真驗證

基于Matlab／Simulink建立如圖8所示位置檢測電路模型，對雙線圈式位置檢測與切換控制系統(tǒng)位置信號拾取與鑒別的可行性進(jìn)行仿真，相應(yīng)仿真參數(shù)如表2設(shè)置．

圖7 切換控制系統(tǒng)中斷服務(wù)程序流程圖Fig．7 Interrupt service routine of switching control system

圖8 位置檢測電路仿真模型Fig．8 Simulation model of the position detection circuit

位置信號檢測電路拾取的信號及經(jīng)信號調(diào)理電路后的信號仿真波形如圖9示．

表2 雙線圈式位置檢測系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置Tab．2 Simulation parameters of two-coils position detection system

圖9 雙線圈式位置檢測系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig．9 Simulation results of two-coils detection system

圖9 （a）中，拾取信號的主體為1 MHz頻率的位置信號，包絡(luò)為小幅波動的40 kHz頻率的能量干擾信號；圖9（b）中，經(jīng)信號調(diào)理環(huán)節(jié)處理后，系統(tǒng)得到了理想效果的位置信號．由圖9可見，雙線圈式位置信號檢測與切換控制系統(tǒng)能夠在能量干擾信號下拾獲，并鑒選出高頻位置信號．

4 實驗驗證

基于作者所在的重慶大學(xué)無線電能傳輸技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊研發(fā)的電動汽車ICPT無線供電系統(tǒng)平臺，對對嵌式電能發(fā)射線圈切換域互感及車載拾取電壓穩(wěn)定性、雙線圈式位置檢測與切換控制系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了實驗驗證．圖10為實驗平臺實物圖，實驗參數(shù)如表3、4設(shè)置．

圖11、圖12分別為根據(jù)車載電能拾取線圈進(jìn)入對嵌式電能發(fā)射線圈切換域不同距離時的實測互感值所繪曲線、ICPT電動汽車在切換運行過程中拾取電壓經(jīng)整流后的波形；圖13、圖14分別為有／無40 kHz干擾信號介入情況下的車體位置檢測信號實驗波形圖．

圖10 電動汽車ICPT無線供電實驗平臺Fig．10 ICPT experiment system for EVs

表3 對嵌式電能發(fā)射線圈系統(tǒng)實驗參數(shù)Tab．3 Experiment parameters of embeddable power supply coils system

表4 雙線圈位置檢測與切換控制系統(tǒng)實驗參數(shù)Tab．4 Experiment parameters of two-coils position detection and switching control system

對比圖3與圖11可見，互感值仿真曲線與實際測量曲線具有較高的一致性，實測互感值的相對波動率約為8%．根據(jù)圖12結(jié)果可知，整個切換過程中，拾取電壓無大的波動，處于相對穩(wěn)恒狀態(tài)．對比圖13與圖14可見，能量系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾信號占拾取信號的比例非常小，故本文所提出的雙線圈式位置檢測傳感器及其干擾抑制方法能夠有效地抑制干擾并拾獲車體位置信號．

圖11 電能拾取線圈進(jìn)入切換域過程的互感實測曲線Fig．11 Experimental curve of mutual inductance when the pickup coil moves into the switching region

圖12 切換過程中電動汽車拾取電壓整流后波形Fig．12 Waveform of pickup voltage modulated by rectification circuit in coils switching

圖13 40 kHz干擾信號下拾取的位置信號波形Fig．13 Waveform of pickup position signal obtained with the 40 kHz disturbance

圖14 無40 kHz干擾信號下拾取的信號波形Fig．14 Waveform of pickup position signal obtained without the 40 kHz disturbance

5 結(jié) 論

本文基于互感穩(wěn)恒原理提出了一種適用于電動汽車無線供電的對嵌式電能發(fā)射線圈，給出了其主要參數(shù)的設(shè)計方法．通過Ansoft Maxwell與電動汽車無線供電系統(tǒng)實驗平臺，驗證了對嵌式電能發(fā)射線圈能夠很好地抑制ICPT電動汽車切換運行時的互感衰減，保證了拾取電壓的穩(wěn)定．本文亦提出了一種雙線圈式車體位置檢測傳感器及其干擾抑制方法，根據(jù)該方法設(shè)計的雙線圈式位置檢測傳感器能夠有效地抑制干擾信號，檢測車體位置，控制電能發(fā)射線圈得／失電狀態(tài)．本文對電動汽車無線供電系統(tǒng)的研究有一定幫助意義．

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附錄： 電能發(fā)射線圈的尺寸函數(shù)：

根據(jù)Neumann公式及文獻(xiàn)［17］推導(dǎo)，其他條件一定時，互感只受以耦合機(jī)構(gòu)尺寸及耦合距離為參變量的函數(shù)影響，本文定義該函數(shù)為尺寸函數(shù)．

運行域尺寸函數(shù)f（L，D，Lp，h）求解式：

式中：切換域尺寸函數(shù)g（l，d，Lp，h）求解式：g（l，d，Lp，h）＝χ（Lp）＋χ（2d）－χ（3d）＋

式中：

（中文編輯：唐 晴 英文編輯：周 堯）

Design and Switching Control of Power Supply Coils Applied to ICPT-Based Electric Vehicles

SU Yugang， ZHANG Shuai， XU Yong， TANG Chunsen
（School of Automation，Chongqing University，Chongqing 400030，China）

For the inductively coupled power transfer（ICPT）system of electric vehicles（EVs）with cascading power supply coils，there is a sharp drop of the mutual inductance and difficult to detect the EV position when the power supply coils switch．To deal with this，a novel embeddable power supply coil was developed．The design method for the parameters of the coil was also presented based on the constant principle and computational methods of mutual inductance．Besides，a position detection sensor with double coils was designed．The parameter design method of the sensor，the suppression strategy for the power flow disturbance to the sensor，and the switching control strategy of the cascading power supply coils were presented．Finally，based on the simulations on Ansoft Maxwell，Matlab／Simulink and ICPT experiment platform，the results were verified．The relative fluctuation ratios of mutual inductance and the pickup voltage are about±8%and±10%respectively．The position detection sensor with double coils can reliably detect the position of EV in the energy channel of 40 kHz electromagnetic field．

inductively coupled power transfer（ICPT）；power supply coils；position detection；switching control；electric vehicles

U469．72

A

0258-2724（2016）01-0168-09 DO I：10．3969／j．issn．0258-2724．2016．01．024

2015-07-22

國家自然科學(xué)基金資助項目（51477020）；重慶市基礎(chǔ)與前沿計劃一般項目（cstc2013jcyA0235）

蘇玉剛（1962—），男，教授，博士，研究方向為無線電能傳輸技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論應(yīng)用與自動化系統(tǒng)集成，電話：13996216298，E-mail：su7558＠qq．com

蘇玉剛，張帥，徐勇，等．電動汽車無線供電系統(tǒng)電能發(fā)射線圈設(shè)計與切換控制［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報，2016，51（1）：168-176．