新能源汽車中基于磁耦合諧振的無(wú)線電能傳輸線圈橫向錯(cuò)位影響分析及線圈自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

范祖良

摘? 要：針對(duì)新能源汽車基于磁耦合諧振無(wú)線充電技術(shù)為何傳輸功率小、充電效率低的問題展開研究。通過(guò)對(duì)磁耦合線圈耦合系數(shù)的推導(dǎo)分析和論證，發(fā)現(xiàn)發(fā)射線圈與接收線圈的橫向錯(cuò)位、縱向超距是造成磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸功率小、效率低的主要原因之一。提出了針對(duì)新能源汽車無(wú)線充電磁耦合線圈錯(cuò)位、超距能夠?qū)崿F(xiàn)線圈自動(dòng)調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;無(wú)線充電;磁耦合諧振;線圈錯(cuò)位;線圈自動(dòng)調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）21-0020-03

Abstract： This paper studies the problem of low transmission power and low charging efficiency of new energy vehicles based on magnetically coupled resonant wireless charging technology. Through the derivation， analysis and demonstration of the coupling coefficient of the magnetic coupling coil， it is found that the lateral dislocation and longitudal overdistance between the transmitting coil and the receiving coil is one of the main reasons for the low power and low efficiency of magnetic coupling resonant radio energy transmission. This paper puts forward a design scheme thatautomatic adjustment can be performed to the coil for the dislocation and overdistance of the electromagnetic coupling coil in the wireless charging of the new energy vehicle.

Keywords： new energy vehicle; wireless charging; magnetic coupling resonance; coil dislocation; coil automatic adjustment

引言

隨著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球油氣資源的日益枯竭和人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，新能源汽車迎來(lái)了很好的發(fā)展契機(jī)。目前中國(guó)在新能源汽車的生產(chǎn)和保有量上都處于世界領(lǐng)先地位，來(lái)源于新京報(bào)的數(shù)據(jù)截止至2019年底全國(guó)共計(jì)有新能源汽車約為400萬(wàn)輛而且這個(gè)數(shù)字還處于不斷的增長(zhǎng)中。但是目前全國(guó)現(xiàn)有的充電樁數(shù)約為102萬(wàn)個(gè)，新能源汽車數(shù)與充電樁數(shù)之比高達(dá)4：1。若不采取相應(yīng)的措施盡快縮小車樁比，將會(huì)流失未來(lái)潛在的新能源汽車客戶，從而制約新能源汽車的進(jìn)一步發(fā)展。

新能源汽車充電樁數(shù)偏少究其原因新建充電樁需要占用較大面積的土地，且位置會(huì)較偏僻。由于原有的地面充電樁或立體停車場(chǎng)預(yù)留空間有限無(wú)法通過(guò)加裝充電樁來(lái)進(jìn)行改造，即使將充電樁勉強(qiáng)安裝在停車場(chǎng)中往往也會(huì)遭遇車輛的剮蹭、碰撞出現(xiàn)損壞甚至發(fā)生人員觸電的危險(xiǎn)。所以本文提出新能源汽車采用無(wú)線充電技術(shù)，只需將充電線圈中的發(fā)射線圈埋設(shè)于地面停車位或者立體停車場(chǎng)中的車位托架上，新能源汽車只需正常的泊入車位即可進(jìn)行電能傳輸為汽車電池進(jìn)行充電。

1 無(wú)線電能傳輸技術(shù)

無(wú)線電能傳輸技術(shù)（wireless power transfer，WPT）是一種借助于物理空間中的能量載體，基于非導(dǎo)線接觸方式，實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)募夹g(shù)[1]。在眾多的無(wú)線充電技術(shù)中最常用且技術(shù)相對(duì)成熟的兩種方式是磁耦合諧振式與電磁感應(yīng)式，其具體功能參數(shù)如表1所示。目前新能源汽車在進(jìn)行無(wú)線電能傳輸充電時(shí)地面預(yù)埋線圈距離汽車底盤的實(shí)際傳輸距離在0.1～0.25米之間，充電功率約為120瓦。由此可見磁耦合諧振式無(wú)線充電技術(shù)在功率、傳輸距離上更符合新能源汽車無(wú)線充電的應(yīng)用場(chǎng)景需要，所以本文最終確定采用磁耦合諧振式無(wú)線充電技術(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)新能源汽車的無(wú)線充電系統(tǒng)的應(yīng)用探究。

2 磁耦合諧振式線圈無(wú)線電能傳輸原理

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)主要由電網(wǎng)電源、電能轉(zhuǎn)換器、磁耦合線圈、負(fù)載組成。電網(wǎng)交流電電能通過(guò)電能轉(zhuǎn)換器作用于發(fā)射線圈，當(dāng)交變電流通過(guò)發(fā)射線圈時(shí)產(chǎn)生高頻的交變磁場(chǎng)，處于高頻交變磁場(chǎng)中的接收線圈就會(huì)產(chǎn)生同頻的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從而實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳播。工作原理示意圖如圖1所示。

3 耦合線圈正對(duì)面積、間距對(duì)無(wú)線電能傳輸效率、功率的影響分析

在靜態(tài)下利用無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)給新能源汽車電池進(jìn)行電能補(bǔ)充的設(shè)計(jì)方案：將磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈預(yù)埋停車位中，將接收線圈安裝在汽車底盤上。當(dāng)新能源汽車停車入位后，汽車底盤上安裝的接收線圈就處于發(fā)射線圈所激發(fā)的高頻磁場(chǎng)中從而在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸可以為新能源汽車電池進(jìn)行充電。

在利用磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸技術(shù)給新能源汽車電池進(jìn)行電能補(bǔ)充時(shí)，發(fā)射線圈與接收線圈的耦合程度，也就是互感系數(shù)M直接決定了電能無(wú)線傳輸?shù)墓β省⑿?。在影響磁耦合諧振線圈耦合程度的諸多因素中，發(fā)射線圈和接收線圈間的正對(duì)面積、線圈間距是一個(gè)影響很大的因素[2]。在公共停車場(chǎng)中的停車位，由于不同駕駛員、不同車輛在停放過(guò)程中車輛位置、車輛底盤的高低個(gè)體差異性較大，所以想要提高無(wú)線電能傳輸?shù)男屎蛯?shí)際功率滿足新能源汽車充電的實(shí)際需求就必須了解這些差異所帶來(lái)的影響，并設(shè)法解決這些個(gè)體差異性所帶來(lái)的問題。磁耦合諧振線圈橫向錯(cuò)位示意圖如圖2所示。

樣也與發(fā)射線圈與接收線圈的距離有關(guān)。當(dāng)線圈距離超過(guò)理論模型的最佳距離即，d'>d時(shí)也會(huì)引起M'

結(jié)論：當(dāng)兩線圈由于錯(cuò)位或線圈超距時(shí)將導(dǎo)致實(shí)際有效重疊的正對(duì)面積減小或者線圈距離增大，引起互感系數(shù)M減小從而引起無(wú)線電能傳輸效率和功率減小。由此可見，發(fā)射線圈和接收線圈的錯(cuò)位和超距不僅會(huì)造成電能的額外損失而且也會(huì)使新能源汽車充電時(shí)間延長(zhǎng)[4]。

4 發(fā)射線圈和接收線圈正對(duì)面積、距離的自動(dòng)調(diào)整方案設(shè)計(jì)

由于公共停車位的無(wú)線電能傳輸充電系統(tǒng)面對(duì)的對(duì)象是廣大停車駕駛技術(shù)水平參差不齊，底盤離地間距高矮不一的新能源汽車，所以固定不變的預(yù)埋式發(fā)射線圈設(shè)計(jì)顯然無(wú)法滿足新能源汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的大功率、高效率的要求。為了實(shí)現(xiàn)線圈間正對(duì)面積、高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)現(xiàn)提出以下兩種設(shè)計(jì)方案。

方案一：利用安裝在停車位中的液壓移位和升降設(shè)備實(shí)現(xiàn)車輛位置和高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)

該方案的具體實(shí)現(xiàn)方式是將發(fā)射線圈及電源電纜固定預(yù)埋在停車位的預(yù)定位置。在線圈兩側(cè)安裝液壓移位和升降裝置，當(dāng)新能源汽車駛?cè)胪＼囄缓笸ㄟ^(guò)停車位表面的壓力傳感器觸發(fā)安裝在發(fā)射線圈周圍的紅外線對(duì)射和測(cè)距裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。該紅外線裝置可用于判斷車輛底盤上的接收線圈是否與發(fā)射線圈完全正對(duì)、兩線圈之間的高度是否合適。若正對(duì)面積或高度不滿足預(yù)設(shè)參數(shù)則啟動(dòng)液壓移位和升降設(shè)備將汽車進(jìn)行水平移位和高度調(diào)節(jié)，直至滿足預(yù)設(shè)參數(shù)，進(jìn)而接通發(fā)射線圈電源進(jìn)入無(wú)線電能傳輸狀態(tài)。當(dāng)車輛駛離后壓力信號(hào)消失，液壓移位和升降設(shè)備及紅外設(shè)備復(fù)位并切斷發(fā)射線圈電源。

方案二：采用活動(dòng)式發(fā)射線圈，通過(guò)發(fā)射線圈的水平位置和高度的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)線圈耦合

該方案的具體實(shí)現(xiàn)方式是將活動(dòng)式的電源電纜終端和發(fā)射線圈安裝在由兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)軌支架上，示意圖如圖3所示。該支架能在這兩個(gè)水平和豎直伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)水平和豎直方向的移位和升降。當(dāng)新能源汽車駛?cè)胪＼囄缓?，停車位表面的壓力傳感器觸發(fā)啟動(dòng)發(fā)射線圈周圍的紅外線對(duì)射和測(cè)距裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。與方案一相同，該紅外線裝置也是用于判斷車輛底盤上的接收線圈是否與發(fā)射線圈完全正對(duì)、兩線圈之間的高度是否合適。若正對(duì)面積或高度不滿足預(yù)設(shè)參數(shù)，則啟動(dòng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)支架按照先水平后豎直的工作邏輯來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射線圈位置直至正對(duì)面積和線圈間距滿足預(yù)設(shè)參數(shù)。當(dāng)車輛駛離后壓力信號(hào)消失，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)支架和紅外設(shè)備復(fù)位并切斷發(fā)射線圈電源。

通過(guò)比較以上兩種方案可知：（1）功能實(shí)現(xiàn)情況：兩種方案都能夠?qū)崿F(xiàn)諧振線圈耦合的自動(dòng)控制功能;（2）節(jié)能

環(huán)保情況：兩種方案都有考慮到節(jié)能問題，發(fā)射線圈都可以實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)上電和斷電功能;（3）各方案施工難度：方案一中為實(shí)現(xiàn)液壓移位和升降設(shè)備的安裝需要在發(fā)射線圈兩邊實(shí)施挖溝作業(yè)，同時(shí)也要額外的為液壓設(shè)備配備液壓油儲(chǔ)油坑、布放液壓管道等導(dǎo)致施工難度較大施工周期較長(zhǎng);方案二只需在預(yù)埋發(fā)射線圈時(shí)加裝伺服電機(jī)及支架、額外布放少量控制電線即可，施工簡(jiǎn)單施工周期也較短;（4）方案成本：方案一中由于施工難度大人工成本較高，液壓設(shè)備也較為昂貴導(dǎo)致成本較高;方案二中人工成本較方案一而言相對(duì)較低，同時(shí)基于伺服電機(jī)在方案二中的作用僅是為發(fā)射線圈移位和升降提供動(dòng)力所以也可選用控制精度適中、扭矩適中、價(jià)格合理的伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以便更加合理的控制成本;（5）方案后期維護(hù)難度與成本：方案一中組成的配件多、分布廣，液壓裝置更是采用隱蔽工程安裝方式這將大大增加工程后期的維護(hù)難度、維護(hù)時(shí)間和維護(hù)成本;方案二中發(fā)射線圈、電源電纜、安裝支架及伺服電機(jī)等安裝位置相對(duì)集中，而且都為地面式安裝方式方便后期維護(hù)，維護(hù)周期短成本低。（6）適用性：方案一只適用于地面停車場(chǎng)的加裝改造，對(duì)于立體停車場(chǎng)顯然是不適合的;方案二針對(duì)現(xiàn)有的地面和立體停車位都能夠輕松實(shí)現(xiàn)改造。

綜上，基于磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的新能源汽車充電系統(tǒng)采用方案二，即發(fā)射來(lái)進(jìn)行發(fā)射線圈和接收線圈的正對(duì)面積和距離的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)就能大大提高諧振線圈的耦合系數(shù)，從而在一定程度上提高系統(tǒng)的充電效率和功率，同時(shí)降低電能損耗縮短汽車充電時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)下新能源汽車充電樁極度短缺的情況進(jìn)行細(xì)致的原因分析，并針對(duì)目前城市土地短缺的實(shí)際情況提出了在現(xiàn)有的地面和立體停車場(chǎng)中加裝新能源汽車無(wú)線充電設(shè)備方式。通過(guò)這種方式就能在短期內(nèi)迅速增加新能源汽車充電樁數(shù)量，進(jìn)而大大緩解新能源汽車充電難的狀況，為新能源汽車的普及打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)研究得出新能源汽車無(wú)線充電技術(shù)擬采用的磁耦合諧振方式所面臨的充電功率小、效率低的一部分具體原因是發(fā)射線圈與接收線圈橫向錯(cuò)位和縱向超距。針對(duì)這兩個(gè)問題，提出了利用安裝在停車位中的液壓移位和升降設(shè)備實(shí)現(xiàn)車輛位置和高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)、采用活動(dòng)式發(fā)射線圈，通過(guò)發(fā)射線圈的水平位置和高度的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)線圈耦合兩種控制方案。通過(guò)多個(gè)方面的比較，采用活動(dòng)式發(fā)射線圈，通過(guò)發(fā)射線圈的水平位置和高度的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)線圈耦合的調(diào)節(jié)方案在能夠同樣完成目標(biāo)線圈調(diào)節(jié)的情況下，施工難度、成本、后期維護(hù)等方面都更勝一籌，是更適合的磁耦合諧振式線圈自動(dòng)調(diào)節(jié)方案。

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