電動汽車動態(tài)充電中耦合結構研究及其效率分析

吳曉康， 楊慶新， 張 獻， 祝麗花， 婁貴鑫

(電工電能新技術天津市重點實驗室， 天津工業(yè)大學， 天津 300387)

電動汽車動態(tài)充電中耦合結構研究及其效率分析

吳曉康， 楊慶新， 張 獻， 祝麗花， 婁貴鑫

(電工電能新技術天津市重點實驗室， 天津工業(yè)大學， 天津 300387)

針對電動汽車無線充電技術中充電電池體積大、充電時間長、續(xù)航能力不足等問題，本文提出了一套發(fā)射線圈可選擇性開斷的電動汽車動態(tài)充電方案。該方案基于近場諧振式無線電能傳輸原理，對發(fā)射線路和接收線路耦合結構進行研究。通過數學模型變換，探討了系統(tǒng)電能傳輸效率關系，并對系統(tǒng)實驗平臺進行搭建，經過分析電動汽車動態(tài)充電過程，得出接收線路不同位置時線路耦合情況及系統(tǒng)傳輸效率變化規(guī)律。經過實驗，得出在進一步改進線路結構后，系統(tǒng)電能傳輸效率平均提升18%，并在70%左右保持穩(wěn)定趨勢，滿足實際應用需要。

電動汽車; 動態(tài)充電; 耦合結構; 效率分析

1 引言

電動汽車具有清潔污染小、能量轉化效率高、結構簡單、維修便捷等優(yōu)點，被稱為“21世紀的綠色環(huán)保汽車”。傳統(tǒng)電動汽車充電時，充電電纜頻繁插拔過程中存在安全性隱患，通過充電樁充電的模式耗時長，且存在數量少、維修不便等問題[1]。因此，電動汽車的無線充電方式被認為是大勢所趨，未來將有可能成為電動汽車的主要充電方式之一[2]。

在當前技術中，電動汽車的無線充電方式主要分為駐車充電和動態(tài)充電。駐車無線充電是指汽車停放在特定位置進行靜態(tài)充電。20世紀90年代，美國通用汽車公司(GM)的分公司最先研制商業(yè)化電動汽車的感應耦合充電器，該技術用于靜態(tài)下GM的EV1型電動車充電。但受充電電池容量、能量密度等問題的限制，電動汽車的續(xù)航能力成為駐車無線充電技術的發(fā)展瓶頸[3,4]。動態(tài)無線充電技術概念是電動汽車在道路上行駛過程中自動充電。自2009年2月以來，韓國科學技術院(KAIST)陸續(xù)進行了包括高爾夫球車、大型巴士、SUV等多款車型在內的電動汽車駕駛中無線充電實驗，并在2015年開始全力開發(fā)1MW級的電動汽車動態(tài)充電技術，計劃5年內完成該技術的應用推廣[5,6]。

動態(tài)充電技術作為電動汽車的新型充電方式，其原理是將發(fā)射線路埋于路面之下，當裝有接收線圈的電動汽車通過該路面時，電能持續(xù)不斷地傳輸給電池，實現電動汽車動態(tài)充電。然而，在電動汽車的動態(tài)充電發(fā)射端設計中，往往使用兩條平行排列的直導線，這種線路雖然鋪設簡單，但是，當地面線圈長時間通電時，線路損耗存在較大的能源浪費，線路元器件連續(xù)工作也會嚴重縮短其使用壽命[7,8]。為解決上述問題，本文基于電磁共振式無線充電技術，提出了一套發(fā)射線路可選擇開斷的供電方案，即將一系列發(fā)射線路分隔一定距離埋入路面，線路可根據電動汽車行駛位置選擇性開斷，為電動汽車傳送能量，從而實現電動汽車動態(tài)充電過程中能量傳遞的節(jié)能、高效。在這套系統(tǒng)中，本文著重對發(fā)射線路及接收線路的拓撲結構模型進行研究分析，并模擬電動汽車動態(tài)充電過程，通過實驗驗證該線路結構的可行性。

2 發(fā)射線路選擇性供電拓撲結構原理分析

2.1 發(fā)射線路可選擇性開斷工作原理

發(fā)射線路選擇性開斷原理如圖1所示。當裝有接收線圈的電動汽車通過該路面時，電動汽車的車載通信與道路入口端的接口通信自動連接，入口通信控制安裝在所有發(fā)射線路上的傳感器開啟，此時與每個線路相連的傳感器都處于斷開狀態(tài)。當電動汽車行駛到發(fā)射線路L11(圖1(a)所示位置)時，線路L11通電工作，線路L12待機；當電動汽車行駛到圖1(b)所示位置時，發(fā)射線路L11、L12同時工作；當電動汽車行駛到圖1(c)所示位置時，線路L11斷電，線路L12繼續(xù)工作。依次類推，發(fā)射線路選擇性開斷，通電線路與車載接收線路近場諧振，通過無線電能傳輸方式把電能傳遞給車載端，分階段為電動汽車不斷充電，實現電動汽車動態(tài)充電過程。

圖1 發(fā)射線路選擇性開斷工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of selective opening of the emission coil

2.2 耦合結構拓撲原理分析

與用兩根直導線實現無線充電的供電器不同，本文對發(fā)射和接收線路結構進行新的設計，耦合結構拓撲結構圖如圖2所示。根據實際應用中道路寬度與電動汽車尺寸比例關系，在線路選取中，圖2(a)和圖2(b)分別代表發(fā)射線路和接收線路，發(fā)射線路L1i用8線圈串聯(lián)而成，而接收線路L2則用4個線圈串聯(lián)，線圈底部均加入了磁屏蔽裝置。

圖2 發(fā)射端可選擇性開斷拓撲電路圖Fig.2 Topology circuit diagram of selectively opened emitter

在電動動態(tài)充電過程中，電動汽車與接收端線路位置是時刻變化的，電能從發(fā)射線路傳到接收線路過程中，發(fā)射和接收電路漏感較大，勵磁電感較小，會導致系統(tǒng)傳輸效率下降[9,10]。因此，在電路拓撲結構中，發(fā)射和接收端線路中均采用電容串聯(lián)補償方式，發(fā)射端線路可選擇性開斷電路拓撲模型如圖2(c)所示。

圖2中，Us為電壓源，I1i、I2分別為發(fā)射端和接收端電流，Mi和Mi+1分別為發(fā)射線路L1i、L1(i+1)與接收線路L2之間互感，R0為電源內阻，R1i、R2分別為發(fā)射線路與接收線路內阻，RL為負載電阻，L1i、L2分別為發(fā)射線路和接收線路自感，Si、Si1和Si2代表不同的繼電器。由發(fā)射線路選擇性開斷工作原理可知，電動汽車動態(tài)充電過程可以分為以下兩個階段討論。

(1)當電動汽車移動到圖1(b)位置時，繼電器Si1、Si和S(i+1)2閉合，其他繼電器斷開，兩相鄰發(fā)射線路L1i、L1(i+1)串聯(lián)為電動汽車供電，此時I1i=I1(i+1)= I1，回路電壓方程的矩陣形式可表示為：

(1)

式中，i=1,2,…,n；Zt、Zs分別為初級回路與次級回路阻抗，可表示為：

(2)

式中，定義R1i=R1(i+1)=R1, L1i=L1(i+1)=L1, C1i=C1(i+1)=C1。本文采用有載品質因數來衡量線圈性能，并定義Q1=ωL1/(R0+R1)為發(fā)射回路的有載品質因數，Q2=ωL2/(R2+RL)為接收回路的有載品質因數。當系統(tǒng)發(fā)生諧振時，發(fā)射回路和接收回路的固有頻率相同，等于電源頻率，即

(3)

因此系統(tǒng)的電能傳輸效率ηb可表示為：

(4)

式中，耦合系數ki和ki+1定義為：

(5)

(2)當電動汽車移動到圖1(c)位置時，繼電器Si1、Si斷開，S(i+1)1、S(i+1)2閉合，只有單個發(fā)射線路L1(i+1)為電動汽車供電，此時，系統(tǒng)的電能傳輸效率ηc可表示為：

(6)

在電動汽車動態(tài)充電過程中，發(fā)射線路與接收線路的耦合系數k隨著電動汽車位置移動而時刻發(fā)生變化。由式(4)和式(6)可知，除耦合系數ki和ki+1外，其他參數近似為常數，系統(tǒng)的傳遞效率η主要與線路耦合系數成非線性關系，并隨著耦合系數ki和ki+1的增大而增大。

3 動態(tài)充電過程中系統(tǒng)效率數值仿真

當電動汽車行駛入充電線路充電過程中，隨著電動汽車位置的不同，線路耦合情況及系統(tǒng)傳輸效率也會發(fā)生變化。為研究整個動態(tài)充電過程中系統(tǒng)效率的變化情況，本文在電動汽車動態(tài)充電過程中，選取電動汽車從圖1(a)到圖1(c)過程進行代表性研究，其他位置效率變化情況同理。本文對電動汽車的耦合結構進行模擬搭建，在模擬動態(tài)充電過程中，使用阻抗分析儀對耦合結構互感進行實時測量，并根據互感值對相應位置下的耦合系數k及效率值η采用Matlab進行仿真分析。

由文獻[11]可知，根據電動汽車非接觸式充電系統(tǒng) “J2954”標準，本文將系統(tǒng)工作頻率設定為85kHz，該電路拓撲模型參數值如表1所示。

在模擬動態(tài)充電過程中，根據互感測量及Matlab仿真結果，近場諧振系統(tǒng)的耦合系數及效率值隨電動汽車水平位移變化的波形如圖3所示。

由圖3可以看出，在模擬電動汽車動態(tài)充電中，隨著接收線路從0位移逐漸進入發(fā)射線路過程，發(fā)射和接收線路的耦合系數及系統(tǒng)的效率逐漸提升，完全進入發(fā)射線圈范圍后，發(fā)射和接收線路的耦合系數基本保持穩(wěn)定，系統(tǒng)的傳遞效率也維持在70%以上并基本保持恒定。但是，當接收線路移動到兩個發(fā)射線圈空隙位置時，發(fā)射和接收線路的耦合系數有明顯的下降，系統(tǒng)的傳遞效率也出現較大波動，從70%下降到5%。

表1 電動汽車在線充電系統(tǒng)實驗參數Tab.1 Coil parameters of transmitting coil and receiving coil

圖3 耦合系數及效率隨接收線圈位移變化Fig.3 Coupling coefficient and efficiency variation with displacement of receiving coil

4 接收線圈結構改進

由圖3可以看出，實驗過程中，系統(tǒng)效率出現了不穩(wěn)定情況。接收線路在兩發(fā)射線路空隙位置移動時，隨著磁場強度減小，耦合系數ki和ki+1隨互感變化急劇下降，由式(4)可知，系統(tǒng)效率與ki+ki+1成正相關，所以效率值隨之出現嚴重波動。

因此，為了解決上述問題，本文在發(fā)射線路及接收線路各參數保持不變情況下，對接收線路的結構進行改進，改進后的接收線路結構如圖4所示，此時D=50mm。本文通過改變D值后，當接收線路在兩發(fā)射線路的空隙位置時，仍處于兩發(fā)射線路有效磁場強度范圍之內，ki+ki+1不會出現驟降，減緩了ki+ki+1的變化趨勢，從而減小系統(tǒng)效率波動。

圖4 接收線圈結構改進前后對比圖Fig.4 Comparison of receiving coil before and after improvement

為區(qū)別表示，下文將改進前后的接收線路分別簡化為接收線路Ⅰ、接收線路Ⅱ表示。為驗證改進接收線路后系統(tǒng)效率變化情況，現對改進后線路耦合系數及效率值進行仿真分析。接收線路Ⅱ耦合系數和效率隨水平位移變化的仿真結果如圖5所示。

圖5 耦合系數及效率隨接收線圈Ⅱ位移變化Fig.5 Coupling coefficient and efficiency change with displacement of receiving coil Ⅱ

當接收線路Ⅱ在兩發(fā)射線路空隙位置移動過程中，ki隨發(fā)射線路有效磁場距離的增大而成對數指數下降，進入下一個發(fā)射線路有效磁場范圍后又隨距離增大成對數指數上升，因此圖5中曲線會出現兩次極值。同時，由圖5可以看出，在接收線路結構改進后，發(fā)射和接收線路的耦合系數沒有像接收線路Ⅰ(圖3)那樣出現明顯的下降，達到了減小系統(tǒng)效率波動的目的。

5 系統(tǒng)實驗驗證

本文中，為驗證電動汽車動態(tài)充電過程數值仿真的準確性，改進接收線路理論分析的合理性，以及改進接收線路后系統(tǒng)整體性能變化，對電動汽車動態(tài)充電的系統(tǒng)模型進行搭建。系統(tǒng)實驗平臺如圖6所示。圖6中標注從左到右依次為：數字電源、頻率自跟蹤電源、功率計、電動汽車、發(fā)射線路。接收線路安裝在電動汽車的底盤之下，發(fā)射線路與接收線路垂直距離為5cm，電動汽車運行功率為20W。為避免空間漏磁場對電動汽車與電腦終端實時通信裝置影響，在接收端線圈與汽車底盤之間加入了磁屏蔽裝置。

圖6 電動汽車動態(tài)充電系統(tǒng)實驗平臺Fig.6 Experimental platform of online charging system for electric vehicle

該實驗樣機中，發(fā)射及接收端都安裝有四通道可實時通信示波器，該通信裝置可在電動汽車動態(tài)移動過程中實時檢測發(fā)射及接收端的電壓、電流及效率變化關系。在電動汽車動態(tài)充電實驗過程中，隨機選取一組示波器數據波形，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)實驗電壓與電流參數波形圖Fig.7 System experimental voltage and current parameters

圖7中，由輸入電壓電流以及接收端諧振電壓電流波形可以看出，電流、電壓波形穩(wěn)定，系統(tǒng)處于完全諧振狀態(tài)。同時，由示波器中顯示的諧振頻率可以看到，在電動汽車動態(tài)充電過程中，系統(tǒng)諧振頻率基本維持在85.34kHz左右，滿足電動汽車無線充電頻率標準[12,13]。

為驗證改進接收線路結構后系統(tǒng)效率變化關系，在電動汽車動態(tài)充電過程中，該樣機分別對接收線路Ⅰ時系統(tǒng)效率η1與改進后接收線路Ⅱ時系統(tǒng)效率η2進行對比實驗。接收線路Ⅰ與接收線路Ⅱ在動態(tài)移動過程中系統(tǒng)效率對比如圖8所示。

圖8 接收線圈Ⅰ、Ⅱ下系統(tǒng)效率對比圖Fig.8 Comparison of efficiency of receiving coil I and II

可以看出，η的實驗值與仿真結果保持一致的趨勢，由于仿真分析中忽略了器件內阻，會存在一定誤差，而且實驗過程中，電動汽車速度及行駛過程中車體震動都會對實驗結果產生影響。當電動汽車速度較快時，會減小ki的變化趨勢，因此圖8中效率曲線更加平滑，波動更小。經過實驗可以得出，當系統(tǒng)穩(wěn)定工作之后，接收線路Ⅱ與接收線路Ⅰ相比較，傳輸效率平均提升18%，最大提升達到58%。當接收線圈移動到兩個發(fā)射線圈空隙位置時，系統(tǒng)的傳輸效率也在70%左右并保持穩(wěn)定趨勢。

6 結論

在線式無線充電技術作為電動汽車的新型充電方式，解決了目前電動汽車充電電池體積大、充電時間長、續(xù)航能力不足等問題。在電動汽車動態(tài)充電過程中，本文著重對發(fā)射線路及接收線路的結構模型進行設計，并通過實驗分析線路結構可行性，得出了如下結論：

(1)通過電動汽車動態(tài)充電模式，提出了一套發(fā)射線路選擇性開斷供電方案，研究并分析了一種新型發(fā)射線路和接收線路結構，該方案能夠分階段為電動汽車不斷充電，實現電動汽車動態(tài)充電過程中能量傳輸的節(jié)能、高效。

(2)通過發(fā)射端選擇性開斷原理，對松耦合變壓器數學模型進行變換，得到了電動汽車動態(tài)充電過程中，系統(tǒng)效率與線路間耦合系數、發(fā)射接收回路品質因數、接收線路及負載內阻等參數之間的關系。該效率值主要受相鄰線路間耦合系數ki和ki+1影響，兩數值之和越大系統(tǒng)效率越高。

(3)通過接收線路的結構進行改進，經實驗分析得出，在電動汽車動態(tài)充電過程中，改進后的接收線路與改進前相比，系統(tǒng)電能傳輸效率平均提升18%，在兩發(fā)射線路空隙位置，效率提升最大達到58%，并穩(wěn)定保持在70%左右，不會出現明顯波動，符合實際應用需求。

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Coil structure study and efficiency analysis for the driving wireless charging system of electric car

WU Xiao-kang, YANG Qing-xin, ZHANG Xian, ZHU Li-hua, LOU Gui-xin

(Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387, China)

In view of the weakness of wireless charging technology in the application of electric car, such as too large volume of battery, long charging time and low mileage, the paper proposes a new charging design. The emission coil of the charging system is featured that it can selectively be connected and cut. Based on principle of near field electromagnetic resonance in the wireless transmission theory, the emission coil and receiving coil have been reconstructed. The efficiency of electric energy transmission is studied through mathematical model and an experimental platform is constructed. By the analysis of EV dynamic charging process, the relation between the coupling of circuits at different locations of the receiving circuit and the efficiency of transmission is obtained. The experiment shows that after the improvement of the circuit construction the power transmission efficiency of the system can be increased by an average of 18%, and can be maintained stably at about 70%, which meets the needs of practical application.

electric car; charging in driving; coupling structure; efficiency analysis

2016-01-12

國家自然科學基金項目(51477117； 51307120； 51237005)、 天津市自然科學基金青年項目(15JCQNJC01900)

吳曉康(1991-)， 男， 河南籍， 碩士研究生， 研究方向為無線電能傳輸； 楊慶新(1961-)， 男， 河北籍， 教授， 博士， 研究方向為工程電磁場與磁技術。

TM72

A

1003-3076(2016)09-0008-06