電動汽車動態(tài)無線充電及偏移檢測系統(tǒng)設(shè)計與仿真

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢430205）

電動汽車動態(tài)無線充電（DWC）技術(shù)是目前研究最為熱門的技術(shù)之一，該技術(shù)可以解決電動汽車?yán)m(xù)航不足等問題。但DWC 技術(shù)的主要缺點是車輛移動過程中收發(fā)線圈之間的橫向偏移過大會導(dǎo)致接收效率嚴(yán)重減小[1-3]。為了實現(xiàn)從電源到車載電池的高效率傳輸，必須保持接收與發(fā)射線圈一定的對準(zhǔn)范圍，減小偏差。因此首先要測量出線圈之間的橫向偏差，再對車輛或線圈進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。目前對于電動汽車偏差測量，其中主流的方法之一是通過高精度全球定位（GPS）來測量兩種線圈的橫向偏差[4-5]，但這種方法調(diào)節(jié)有延時和定位誤差；另一種方法是利用磁定位檢測技術(shù)來測量兩線圈的橫向偏差，但磁場強度會隨著永磁體與磁傳感器的距離增大而衰減，影響檢測的精度[6]。本文采用四線圈檢測模型以提高檢測精度，并在Maxwell、Simplorer 與Simulink 中進(jìn)行了聯(lián)合仿真試驗，驗證了該方案的有效性[7]。

1 動態(tài)無線充電系統(tǒng)架構(gòu)與控制策略分析

1.1 動態(tài)無線充電系統(tǒng)架構(gòu)

電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為四部分，分別為發(fā)射側(cè)電路、線圈耦合電路、接收側(cè)電路以及檢測電路。發(fā)射側(cè)電路是將市電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，由整流器、高頻逆變器、諧振補償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。線圈耦合電路由發(fā)射線圈、接收線圈以及4個檢測線圈構(gòu)成，發(fā)射線圈在高頻交流電的作用下產(chǎn)生電磁場，進(jìn)而與接收線圈和檢測線圈產(chǎn)生互感，并進(jìn)行電能傳輸。接收側(cè)電路由諧振補償網(wǎng)絡(luò)、整流電路、DC/DC 變換器以及充電電池構(gòu)成，該電路將接收到的交流電轉(zhuǎn)換成較為穩(wěn)定的直流電供電池充電[8-9]。檢測電路由諧振補償網(wǎng)絡(luò)、同步整流器、直流電壓檢測模塊構(gòu)成，該電路在車身處于不同情況下時，4個線圈會接收不同電壓，通過這4個大小不同的電壓來確定車身偏移的情況。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

1.2 動態(tài)無線充電系統(tǒng)接收側(cè)穩(wěn)壓控制策略

動態(tài)無線充電系統(tǒng)接收側(cè)穩(wěn)壓控制是該系統(tǒng)的重要組成部分。動態(tài)無線充電傳輸功率是不穩(wěn)定的，電壓和電流會隨電動汽車位置變化而變化。為增加電池循環(huán)次數(shù)，保持充電電壓恒定，動態(tài)無線充電系統(tǒng)的接收側(cè)將接收到的交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?。進(jìn)一步穩(wěn)壓使用帶電容的閉環(huán)DC-DC 降壓變換器，來保護(hù)電池與其他用電設(shè)備。該電路的閉環(huán)控制在仿真與實際生產(chǎn)中都非常實用且高效，通過改變開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間與頻率即可實現(xiàn)對電壓的控制。接收側(cè)變換器輸入電壓Uin、輸出電壓Uout以及占空比D的關(guān)系為

式中：Ton為開通時間；Toff為關(guān)斷時間。動態(tài)無線充電接收線圈的電壓隨著車輛位移而改變，所以Uin是一個變化的值，為了使得Uout穩(wěn)定，本文通過PI控制器對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓控制。

2 動態(tài)無線充電系統(tǒng)及偏差檢測理論分析

2.1 動態(tài)無線充電系統(tǒng)分析

系統(tǒng)的諧振補償網(wǎng)絡(luò)采用的是S-S型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振條件不受電動汽車位置影響。S-S 諧振式互感模型如圖2所示，C1是發(fā)射側(cè)諧振補償電容；R1是發(fā)射側(cè)電感的等效電阻；C2是接收側(cè)諧振補償電容；R2是接收側(cè)電感的等效電阻；RL是負(fù)載電阻；和是發(fā)射側(cè)輸入電壓與電流；和是接收側(cè)輸出電壓與電流；L1和L2分別是發(fā)射線圈和接收線圈自感；M為發(fā)射線圈與接收線圈的互感，諧振頻率為ω[8-9]。

圖2 S-S 諧振式互感模型Fig.2 S-S resonant mutual inductance model

圖2的電路網(wǎng)孔方程為

當(dāng)系統(tǒng)諧振時，可得：

則諧振條件為

由上式輸入回路的等效阻抗為

電流輸出比：

電壓輸出比：

發(fā)射側(cè)功率：

2.2 偏差檢測理論分析

由上文分析可知，傳輸功率的大小與互感有著極大的關(guān)系。線圈的偏移對互感有很大的影響，對線圈偏差分析是必要的，如圖3所示，對于單匝矩形發(fā)射線圈A1B1C1D1的長為2a1，寬為2b1，單匝接收線圈A2B2C2D2的長為2a2，寬為2b2，假設(shè)發(fā)射線圈和接收線圈中心點坐標(biāo)分別為（0，0，0）、（X，Y，H），則兩線圈的的互感為

由式（11）可知線圈尺寸越大，其積分區(qū)間越大，互感M越大；兩線圈相對偏移越大，即X、Y越大，積分項的分子越小，則互感M 就越小；兩線圈垂直距離H越大，積分項分母越大，則互感M 就越小。

3 動態(tài)無線充電系統(tǒng)電路設(shè)計

圖3 兩單匝線圈相對位置示意圖Fig.3 Diagram of relative positions of two coils

動態(tài)無線充電系統(tǒng)電路設(shè)計如圖4所示，基于S-S 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)射線圈經(jīng)高頻交流電源UO的驅(qū)動下與接收線圈和檢測線圈發(fā)生諧振。其中C1、C2、C3是這3個線圈的諧振電容，R1、R2、R3是這3個線圈的等效電阻，II、IO、I3分別為發(fā)射回路、接收回路與檢測回路的回路電流。整流電路和電容C6是將接收線圈接收到的交流電轉(zhuǎn)化為平滑直流電。整流后緊接的是buck 穩(wěn)壓電路，控制器通過控制驅(qū)動信號的占空比來調(diào)節(jié)MOS 管G5，使負(fù)載兩端的電壓穩(wěn)定。圖5 中負(fù)載電阻R6為電池內(nèi)阻。檢測電路的本質(zhì)其實就一個特殊的接收電路，它的采樣電阻R5比接收電路的負(fù)載電阻R6大很多，由式（4）～式（6）可知此時檢測電路的功率和電流I3都非常小，而檢測線圈兩端電壓基本都被該大電阻所分得，在檢測線圈接收到電能后為了檢測其電壓大小，本文采用了同步整流的方法，通過給同步整流電路的MOS 管G1、G2、G3、G3施加同步PWM 信號，使交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再經(jīng)過電容C5濾波得到平滑的直流電。通過前后兩對線圈的電壓大小可判斷車輛的偏移情況、車身的傾斜情況。

圖4 系統(tǒng)電路設(shè)計圖Fig.4 System circuit design drawing

4 系統(tǒng)的仿真與分析

4.1 線圈模型設(shè)計

為了實現(xiàn)電動汽車動態(tài)無線充電以及橫向偏移檢測，在Maxwell 軟件中設(shè)計了如圖5的線圈模型，該模型用2個發(fā)射線圈來模擬公路上的發(fā)射線圈，該線圈匝數(shù)設(shè)置為27 匝，發(fā)射線圈與接收線圈尺寸相同，內(nèi)側(cè)長寬分別為42 cm、22 cm，外側(cè)長寬分別為70 cm、50 cm，線圈為單層線圈，其高度為3 mm。4個檢測線圈的尺寸相同其長寬是接收線圈的十分之一，高度為3 mm，線圈匝數(shù)為37 匝。接收線圈與發(fā)射線圈垂直距離為15 cm，檢測線圈與發(fā)射線圈的垂直距離設(shè)為10 cm，同時為了減小檢測線圈對接收線圈的影響，應(yīng)該讓2種線圈水平距離相距較遠(yuǎn)，本文設(shè)定的距離為10 cm，該模型與實際模型相似度較高，也很容易實現(xiàn)。

圖5 線圈耦合模型圖Fig.5 Coil coupling model diagram

4.2 動態(tài)無線充電偏差檢測仿真

圖6為偏差檢測電路仿真圖，其發(fā)射線圈與檢測線圈的參數(shù)如4.1 節(jié)所述，由于整體電路圖比較大且4個偏差檢測電路結(jié)構(gòu)相同，所以圖6 只給出了1個檢測線圈的電路圖。在動態(tài)無線充電系統(tǒng)中，發(fā)射測利用頻率為100 kHz 且幅值為200 V的正弦電壓供電，其發(fā)射側(cè)與檢測側(cè)諧振電容C1、C3分別為5.4 nF 與28 nF，在諧振網(wǎng)絡(luò)的作用下使得發(fā)射線圈與檢測線圈產(chǎn)生諧振。此時檢測線圈上會有交流電產(chǎn)生，將交流電通過同步整流的方式變?yōu)橹绷麟?，本仿真是通過電壓表直接讀取采樣電阻R6兩端電壓，在工程應(yīng)用中可以通過采樣電路采取R6兩端電壓。圖7是接收線圈橫向偏移時左右兩檢測線圈在縱向中線上的互感變化圖，當(dāng)接收線圈偏移為0 mm時，左右接收線圈與發(fā)射線圈的互感大小相等，均為2.1 μH 左右。當(dāng)接收線圈向左或向右偏移150 mm時，左或右檢測線圈與發(fā)射線圈的互感會達(dá)到最大互感，此時檢測線圈的中心在發(fā)射線圈的正上方。

圖6 偏差檢測電路仿真圖Fig.6 Simulation of deviation detection

圖7 兩縱向?qū)ΨQ檢測線圈與發(fā)射線圈的互感曲線Fig.7 Mutual inductance of a pair of receiving detect coils

圖8是接收線圈處于不同橫向偏差時檢測到的電壓波形圖，當(dāng)橫向偏移為0 mm時，左右檢測線圈檢測到的電壓基本一致，此時檢測線圈與發(fā)射線圈互感剛好與圖7 中交點相對應(yīng)，汽車前方或后方每對線圈的互感相等，同時也可得到前方或后方每對線圈的電壓相等，當(dāng)橫向右偏移為140 mm時，線圈的互感也會隨之改變，橫向右偏會導(dǎo)致右邊的線圈與發(fā)射線圈的互感減小，左邊的線圈與發(fā)射線圈的互感增加，在圖中可以看到右偏140 mm時，左線圈的電壓接近8 V，右線圈的電壓不到2 V，這一規(guī)律也適合其他點電感和電壓的測量。

圖8 不同橫向偏差時檢測到的電壓波形Fig.8 Voltage waveforms detected with lateral deviations

4.3 動態(tài)無線充電系統(tǒng)接收側(cè)穩(wěn)壓仿真

圖9是通過Simplorer、Maxwell 和Simulink 聯(lián)合仿真的仿真圖，圖9（a）是Simplorer 中的仿真電路圖，其中Simplorer 負(fù)責(zé)電路仿真，其中負(fù)載等效電阻R10=50 Ω。圖9（b）是在Simulink 中搭建的DC/DC 變換器PI控制電路模型，實現(xiàn)對接收側(cè)50 V 穩(wěn)壓控制。線圈模型在Maxwell 軟件仿真，發(fā)射線圈與接收線圈的參數(shù)與模型如4.1 節(jié)所述，發(fā)射側(cè)電路與第3 節(jié)中相同，接收側(cè)的諧振電容為5.4 nF，此時發(fā)射線圈與接收線圈互感強度較大。

圖9 Simplorer、Maxwell 和Simulink 聯(lián)合仿真圖Fig.9 Joint simulation of Simplorer，Maxwell and Simulink

圖11為有或無檢測線圈時發(fā)射線圈與接收線圈的互感，其中有檢測線圈時收發(fā)線圈的互感是要略小于無接收線圈時收發(fā)線圈的互感的，這一結(jié)果也說明了四檢測線圈在水平距離接收線圈為10 cm時對收發(fā)線圈有一定的影響但影響很小。本仿真分別檢測了收發(fā)線圈中心點橫向偏差為100 mm、200 mm、250 mm時接收線圈所接收的電壓（此時縱向偏差為0 mm），根據(jù)圖10所示這3個位置所對應(yīng)的互感為114 μH、63.6 μH、37 μH，圖12是有發(fā)射線圈時接收線圈接收到的電壓通過整流電路后得到的直流電壓波形圖，此圖可以很明顯看出互感越大其接收側(cè)的接收電壓就會越大，DC/DC 變換器的調(diào)節(jié)時間就越長，但總體來看接受側(cè)最終的直流電壓是得到了有效的控制，在整個仿真過程中，其最大的電壓都小于60 V，與目標(biāo)值相差較小。

圖10 收發(fā)線圈相互偏移時的互感圖Fig.10 Mutual inductance diagram of transceiver coils offset from each other

圖11 發(fā)射線圈與接收線圈的互感Fig.11 Mutual inductance of transmitter and receiver coils

圖12 接收側(cè)輸出電壓Fig.12 Receive side output voltage

5 結(jié)語

本文針對電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)的設(shè)計以及在運行過程中出現(xiàn)橫向偏移這一問題進(jìn)行了分析與探究。通過在Maxwell、Simplorer 和Simulink中進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗證了上述理論。首先，電動汽車在行駛的過程中難免會出現(xiàn)橫向偏移，當(dāng)橫向偏移大于100 mm，發(fā)射線圈與接收線圈的互感會出現(xiàn)嚴(yán)重下降，會導(dǎo)致電能傳遞效率的下降，所以電動汽車的橫向偏移不得超出100 mm。其次電動汽車出現(xiàn)橫向偏差時，檢測線圈的互感以及檢測到的電壓會隨之迅速的改變，根據(jù)上述的實驗結(jié)果，通過四個對稱線圈的檢測是完全可以實時確定電動汽車的偏移情況的，該檢測是解決電動汽車動態(tài)無線充電橫向偏差問題的第一步，也是最為重要的一步，必須得到精確的測量結(jié)果。本文是通過矩形線圈進(jìn)行的仿真，對于圓形線圈的仿真其原理與上文相同。