無(wú)線充電系統(tǒng)線圈參數(shù)優(yōu)化與偏移特性研究

時(shí) 輝, 李維漢, 尹安東, 武慎春

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.汽車(chē)技術(shù)與裝備國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,安徽 合肥 230009)

電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)是通過(guò)收發(fā)端線圈之間的電磁耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸?shù)囊环N動(dòng)力電池充電技術(shù),主要包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)無(wú)線充電2種類(lèi)型[1-2]。相比于插電式充電,無(wú)線充電可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸電能傳輸,且無(wú)需人工插拔,智能化程度高。而動(dòng)態(tài)無(wú)線充電可以在汽車(chē)行駛過(guò)程中給動(dòng)力電池充電,有效地解決了電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程短的問(wèn)題。此外,該技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛電動(dòng)汽車(chē)的智能化充電。

當(dāng)前對(duì)耦合線圈的研究主要集中在線圈和鐵氧體的材料、形狀、尺寸的選擇與優(yōu)化等方面。文獻(xiàn)[3]研究了線圈匝數(shù)和外徑對(duì)線圈品質(zhì)因數(shù)和能量傳輸效率的影響,結(jié)果表明,線圈外徑越大,系統(tǒng)效率越高;文獻(xiàn)[4]對(duì)線圈的外徑、內(nèi)徑、匝數(shù)以及匝間距等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究,在150 mm的垂直間隙下,實(shí)現(xiàn)1 279 W充電功率,系統(tǒng)效率高達(dá)86%;文獻(xiàn)[5-6]研究了平板磁芯對(duì)耦合系數(shù)的影響,結(jié)果表明加入磁芯后可增強(qiáng)系統(tǒng)的抗水平偏移能力,提高了系統(tǒng)的傳輸性能。

然而,線圈及鐵氧體參數(shù)對(duì)收發(fā)端線圈耦合程度的影響呈高度非線性，線圈系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題過(guò)于復(fù)雜,難以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法描述。因此,本文首先在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-遺傳算法,來(lái)獲取最優(yōu)的耦合線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)組合;然后基于Simulink仿真模型,分析收發(fā)端線圈對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)傳輸功率和效率的影響;最后基于耦合線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果,搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī),驗(yàn)證線圈偏移特性。

1 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)分析

電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)原理

無(wú)線充電系統(tǒng)包括地面發(fā)射裝置和汽車(chē)接收裝置。來(lái)自電網(wǎng)的交流電經(jīng)過(guò)整流濾波、功率因數(shù)校正(power factor correction,PFC)和Buck電路后變成電壓可控的直流電;該直流電經(jīng)高頻逆變轉(zhuǎn)化為交流電,然后注入發(fā)射端線圈;通過(guò)收發(fā)端線圈之間的耦合諧振,將能量傳遞到接收端。

為了提高無(wú)線充電效率、系統(tǒng)有功功率和功率因數(shù),需要采用合適的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對(duì)收發(fā)端線圈進(jìn)行諧振補(bǔ)償[7-9]。無(wú)線充電系統(tǒng)雙邊串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無(wú)線充電系統(tǒng)雙邊串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

當(dāng)補(bǔ)償電容(Ci)與電感(Li)諧振時(shí),有

(1)

(2)

其中:ω0為L(zhǎng)C諧振角頻率;f0為系統(tǒng)諧振頻率;i=1表示發(fā)射端,i=2表示接收端。

若忽略線圈內(nèi)阻和磁損耗,系統(tǒng)工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí),接收端的輸出功率為:

(3)

其中:U1、U2分別為線圈輸入端和輸出端電壓基波的有效值;M為耦合線圈互感。

當(dāng)計(jì)算無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的效率時(shí),需考慮收發(fā)端線圈損耗,因此系統(tǒng)效率η為:

(4)

其中,r1、r2為發(fā)射線圈、接收線圈的內(nèi)阻。

(5)

此時(shí),無(wú)線充電系統(tǒng)效率的最大值ηmax為:

(6)

由(3)式可知,采用雙邊串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)時(shí),無(wú)線充電系統(tǒng)的功率與耦合線圈互感值負(fù)相關(guān)。而根據(jù)(4)式,當(dāng)線圈內(nèi)阻及負(fù)載一定時(shí),增大互感值可以提高充電效率。因此,需要優(yōu)化線圈和鐵氧體的參數(shù),以獲得合適的耦合線圈互感值。

2 線圈系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

為了設(shè)計(jì)6.6 kW的無(wú)線充電系統(tǒng),根據(jù)(3)式,當(dāng)最大輸入電壓為450 V、最大輸出電壓為400 V時(shí),可得線圈互感值應(yīng)為41.39 μH。由于圓形線圈有助于改善功率傳遞性能并獲得更高的對(duì)中偏移容忍度,本節(jié)以圓形扁平螺旋線圈為基礎(chǔ),確定線圈材料,并優(yōu)化收發(fā)端線圈和鐵氧體結(jié)構(gòu),以獲得合適的耦合線圈互感。

2.1 耦合線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

在無(wú)線充電過(guò)程中,發(fā)射端線圈中的高頻交流電在周?chē)ぐl(fā)出交變磁場(chǎng),接收端線圈中感應(yīng)出電場(chǎng)。根據(jù)法拉第定律,有

(7)

其中:E為接收端線圈回路的電場(chǎng)強(qiáng)度;S為接收端線圈所圍面積。高頻交流電在線圈周?chē)ぐl(fā)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為B,并在接收端線圈回路中產(chǎn)生磁通鏈(Ψ21),則有耦合線圈互感值為:

(8)

其中:I1為發(fā)射端線圈電流;Φ21(n)為發(fā)射端線圈在接收端第n匝線圈中產(chǎn)生的磁通;N為接收端線圈匝數(shù)。根據(jù)(8)式,在無(wú)線充電耦合線圈系統(tǒng)中,除了線圈、鐵氧體形狀和材料外,線圈內(nèi)徑、外徑、匝數(shù)、單匝線徑以及鐵氧體覆蓋面積和厚度等均會(huì)影響耦合線圈的互感值。

2.1.1 線圈材料特性

由于趨膚效應(yīng)[10],發(fā)射端線圈中的高頻交流電能達(dá)到導(dǎo)線的徑向深度為:

(9)

其中:γ為電導(dǎo)率;μr為相對(duì)磁導(dǎo)率;μ0為真空磁導(dǎo)率。取用銅導(dǎo)線時(shí),γ=58×106S/m,μr=1。因此,在85 kHz工作頻率下,可得銅導(dǎo)線的趨膚深度約為0.227 mm。

考慮到線圈的耐流值,選用直徑0.1 mm×500股的利茲線,以降低趨膚效應(yīng)所造成的損耗。利茲線參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 利茲線參數(shù)

此外,這種結(jié)構(gòu)的利茲線能夠降低收發(fā)端線圈等效內(nèi)阻,從而提高無(wú)線充電系統(tǒng)的效率。

2.1.2 線圈和鐵氧體參數(shù)對(duì)于互感的影響

無(wú)線充電過(guò)程中,較大的線圈外徑有利于提高耦合線圈的抗偏移特性。但由于汽車(chē)底盤(pán)空間、無(wú)線充電裝置重量等因素的限制,需要合理控制接收裝置的尺寸。線圈及鐵氧體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)互感值的影響如圖3所示。

圖3 線圈及鐵氧體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)互感值的影響

當(dāng)線圈外徑一定時(shí),需要確定合適的線圈內(nèi)徑和匝數(shù),以獲得較優(yōu)的互感值。通過(guò)仿真確定線圈內(nèi)徑、匝數(shù)對(duì)耦合線圈互感值的影響,結(jié)果如圖3a所示。

根據(jù)(8)式,隨著線圈匝數(shù)增加,互感值顯著增大。隨著線圈內(nèi)徑增加,接收端線圈所圍面積增大,耦合線圈互感值逐漸增大。但由于無(wú)線充電裝置尺寸對(duì)鐵氧體外徑的限制,若線圈外徑不斷增大,則會(huì)造成部分線圈超出鐵氧體覆蓋區(qū)域,導(dǎo)致收發(fā)端線圈耦合減弱,互感值逐漸降低。

此外,為提高線圈間耦合系數(shù),減少漏磁,通常在收發(fā)端線圈背面增加鐵氧體,以約束傳輸線圈間的磁通路徑。但由于充電裝置尺寸的限制,需要優(yōu)化鐵氧體的空間布置。文獻(xiàn)[11]基于圓形線圈,使用12個(gè)“T”形鐵氧體塊,實(shí)現(xiàn)3 kW的無(wú)線充電。本文在此基礎(chǔ)上,將鐵氧體區(qū)域劃分為若干部分,分別對(duì)每一部分填充鐵氧體,以確定不同區(qū)域的鐵氧體布置對(duì)互感值的影響。最終得到10個(gè)改進(jìn)的類(lèi)似“T”形鐵氧體模塊,以此研究鐵氧體內(nèi)徑和厚度對(duì)耦合線圈互感值的影響,結(jié)果如圖3b所示。

隨著鐵氧體厚度增加,耦合線圈互感值增大。但由于無(wú)線充電裝置尺寸限制,當(dāng)外徑一定時(shí),增大鐵氧體內(nèi)徑會(huì)使鐵氧體覆蓋區(qū)域減小,導(dǎo)致耦合線圈互感值逐漸降低。

因此,需要優(yōu)化線圈及鐵氧體參數(shù),以獲得合適的耦合線圈互感值,從而滿足無(wú)線充電系統(tǒng)傳輸功率的要求。

2.2 線圈及鐵氧體參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

為保證輸出功率,根據(jù)(3)式,需要獲得合適的耦合線圈互感,使其等于或略高于目標(biāo)互感值。同時(shí),減小線圈及鐵氧體的質(zhì)量有助于實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電裝置的輕量化,并降低制造成本。因此,為優(yōu)化線圈及鐵氧體參數(shù),以合適的互感值為主要目標(biāo),同時(shí)盡量降低耦合線圈系統(tǒng)總質(zhì)量。設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為:

Fo=αf1(rcoil,N,rFe,hFe)+

βf2(rcoil,N,rFe,hFe)

(10)

其中:f1、f2分別為線圈互感值以及線圈、鐵氧體質(zhì)量的目標(biāo)函數(shù);α、β分別為互感值和系統(tǒng)質(zhì)量的權(quán)重系數(shù),可以根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整?？紤]到線圈內(nèi)徑rcoil、匝數(shù)N以及鐵氧體內(nèi)徑rFe、厚度hFe對(duì)于互感值和質(zhì)量的影響,將這些變量及其取值區(qū)間組合構(gòu)成變量域u,并設(shè)定優(yōu)化區(qū)域中的變量點(diǎn)為w(u)[12]。則優(yōu)化目標(biāo)為:

(11)

其中,Mopt為最優(yōu)的耦合線圈互感值。線圈質(zhì)量mcoil與鐵氧體質(zhì)量mFe之和為:

mcoil+mFe=λlizerLcoil+ρFeSFehFe

(12)

其中:λlizer為利茲線線密度;ρFe為鐵氧體體密度;SFe為鐵氧體覆蓋表面積;Lcoil為螺旋線圈總長(zhǎng)度。Lcoil表達(dá)式為:

(13)

其中:ρ(θ)=rcoil+hcoil(n-1.5+θ/(2π));hcoil為單匝線圈直徑。由于電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)空間對(duì)于無(wú)線充電裝置尺寸的限制,設(shè)定線圈外徑作為約束條件,即router≤200 mm。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)

本文采用反向傳播(back propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)耦合線圈互感值進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)影響互感值的因素,確定輸入層包括線圈內(nèi)徑、匝數(shù)以及鐵氧體內(nèi)徑、厚度4個(gè)神經(jīng)元,而耦合線圈互感值為輸出層唯一的神經(jīng)元。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-遺傳算法優(yōu)化流程[13]如圖4所示。根據(jù)圖4的耦合線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的尋優(yōu)流程,基于線圈內(nèi)徑、匝數(shù)以及鐵氧體內(nèi)徑、厚度的不同組合,繪制正交實(shí)驗(yàn)表,結(jié)果見(jiàn)表2所列。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法優(yōu)化流程

表2 耦合線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2中的因素和水平進(jìn)行仿真,得到線圈和鐵氧體的不同參數(shù)組合及其對(duì)應(yīng)的互感值,將其作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本,得到可預(yù)測(cè)線圈互感值的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。當(dāng)輸入u=[rcoilNrFehFe]T時(shí),輸出互感值Mout為:

(14)

其中:θj、θout為相應(yīng)神經(jīng)元的閾值;wij、wj,out為神經(jīng)元連接權(quán)值。

設(shè)定目標(biāo)互感值M0,若其與Mout間存在誤差,則進(jìn)行誤差信號(hào)的反向傳播。逐層更新wij、wj,out以及θj、θout,使輸出互感值盡可能接近目標(biāo)互感值M0。網(wǎng)絡(luò)對(duì)T個(gè)訓(xùn)練樣本的總體誤差為:

(15)

當(dāng)誤差滿足設(shè)定精度時(shí)停止訓(xùn)練,用得到的最優(yōu)權(quán)值閾值的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)輸出。

2.4 遺傳算法優(yōu)化

本文以線圈內(nèi)徑、匝數(shù)以及鐵氧體內(nèi)徑、厚度作為優(yōu)化變量,通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性擬合,預(yù)測(cè)上述耦合線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的互感值。根據(jù)(11)式,設(shè)定個(gè)體i的適應(yīng)度值為:

fFit(i)=α(M-Mopt)2+βm(i)/m0

(16)

其中:m(i)為當(dāng)前線圈與鐵氧體的總質(zhì)量;參考質(zhì)量m0=7.731 6 kg,為線圈、鐵氧體參數(shù)組合對(duì)應(yīng)的最大質(zhì)量。耦合線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的遺傳算法優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖5 迭代次數(shù)與適應(yīng)度關(guān)系

經(jīng)過(guò)235次迭代,算法最終收斂。得到最佳適應(yīng)度值個(gè)體,其對(duì)應(yīng)的輸入?yún)?shù)即為優(yōu)化解:線圈內(nèi)徑為138.48 mm,匝數(shù)為16.08;鐵氧體內(nèi)徑為58.88 mm,厚度為8.06 mm。實(shí)際線圈內(nèi)徑取138 mm,匝數(shù)取16匝;鐵氧體內(nèi)徑取59 mm,厚度取8 mm。將參數(shù)優(yōu)化結(jié)果導(dǎo)入圖6a所示的Maxwell模型中,仿真得到耦合線圈互感值為41.136 8 μH,接近于期望互感值41.380 0 μH。由(12)式可得,線圈和鐵氧體總質(zhì)量為5.712 5 kg?；诰€圈及鐵氧體的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果,設(shè)計(jì)耦合線圈系統(tǒng),如圖6b所示。

圖6 無(wú)線充電耦合線圈系統(tǒng)

3 線圈偏移對(duì)自感和互感的影響

道路環(huán)境以及人為駕駛等不確定性因素,汽車(chē)行駛過(guò)程中接收端線圈必然存在橫向移動(dòng),導(dǎo)致其與發(fā)射端線圈發(fā)生水平偏移[14]。此外,汽車(chē)載重量、輪胎氣壓、路況等因素會(huì)影響底盤(pán)離地間隙,導(dǎo)致收發(fā)端線圈的垂直間隙發(fā)生改變。當(dāng)收發(fā)端線圈出現(xiàn)偏移時(shí),線圈自感和互感也會(huì)發(fā)生改變,從而影響無(wú)線充電系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率。因此,本節(jié)基于設(shè)計(jì)的耦合線圈系統(tǒng),研究收發(fā)端線圈的水平、垂直偏移特性。

3.1 接收端線圈偏移對(duì)自感和互感的影響

仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的線圈電感值如圖7所示。圖7a反映了接收端線圈水平偏移對(duì)自感、互感的影響。當(dāng)垂直間隙固定為150 mm時(shí),接收端線圈在0～200 mm偏移過(guò)程中,線圈自感值最大僅變化3.31 μH,不足總體的1.35%。因此,水平偏移對(duì)線圈自感影響較小。由于仿真過(guò)程中忽略了尼龍線的厚度以及鐵氧體的磁損耗,仿真值略高于測(cè)量值。當(dāng)水平偏移量小于60 mm時(shí),線圈互感值緩慢下降,且依然保持在41.39 μH(目標(biāo)互感值)以上。但是隨著接收端線圈水平偏移量繼續(xù)增大,互感值快速降低。

圖7 接收端線圈偏移對(duì)自感和互感的影響

圖7b所示為接收端線圈垂直偏移對(duì)線圈自感、互感的影響。隨著垂直間隙增大,線圈自感值逐漸下降直至趨于穩(wěn)定,總體變化量約為6.5%。與水平偏移結(jié)果相比,收發(fā)端線圈自感對(duì)垂直方向上的偏移更敏感。根據(jù)(2)式,需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率以實(shí)現(xiàn)收發(fā)端線圈的耦合諧振。

由圖7b可知,隨著收發(fā)端線圈垂直間隙的增大,互感值逐漸降低,且變化幅度較大。在垂直間隙從80 mm升高到150 mm的過(guò)程中,互感值減小約1.8倍;在垂直間隙從150 mm升高到200 mm的過(guò)程中,互感值減小48.1%。

3.2 線圈偏移對(duì)無(wú)線充電功率和效率的影響

互感值對(duì)水平和垂直偏移都較敏感。根據(jù)(3)式,采用雙邊串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)時(shí),隨著線圈偏移量增大,互感值逐漸減小,無(wú)線充電功率逐漸增加。因而在線圈偏移過(guò)程中,需調(diào)節(jié)Buck電路輸出電壓和系統(tǒng)工作頻率,以減小或消除線圈互感值變化對(duì)充電功率的影響。根據(jù)(4)式和線圈偏移對(duì)互感值的影響,當(dāng)系統(tǒng)工作在諧振頻率下,無(wú)線充電系統(tǒng)效率隨線圈偏移量增大而逐漸降低。其變化率可用效率η對(duì)互感值M的導(dǎo)數(shù)表示:

(17)

4 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真結(jié)果

無(wú)線充電系統(tǒng)Simulink仿真模型如圖8所示。將線圈自感和互感的測(cè)量值導(dǎo)入該仿真模型中,通過(guò)調(diào)節(jié)Buck電路輸出電壓以及系統(tǒng)工作頻率進(jìn)行仿真,測(cè)量輸入功率以及負(fù)載充電功率,并求得系統(tǒng)充電效率。

圖8 無(wú)線充電系統(tǒng)Simulink仿真模型

接收端線圈水平偏移對(duì)輸入、輸出功率和系統(tǒng)效率的影響如圖9a所示。由圖9a可知:當(dāng)水平偏移量在0～160 mm范圍內(nèi)變化時(shí),輸出功率最大波動(dòng)僅1.8%;同時(shí),當(dāng)偏移量超過(guò)134 mm時(shí),系統(tǒng)傳輸效率低于90%。因此,實(shí)際充電過(guò)程中需采取有效的對(duì)準(zhǔn)措施,以減小接收端線圈的橫向偏移。由于智能車(chē)具有良好的道路循跡功能,易于控制行駛路線,未來(lái)可將無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用于智能車(chē),以提高無(wú)線充電系統(tǒng)的效率。

另一方面,本文以150 mm為初始離地間隙,對(duì)線圈及鐵氧體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因而當(dāng)垂直間隙接近150 mm時(shí),電能傳輸效率較高,并在其附近出現(xiàn)效率峰值,結(jié)果如圖9b所示。當(dāng)垂直間隙從150 mm逐漸增加時(shí),互感值逐漸減小,可調(diào)低Buck電路輸出電壓,以獲得額定的輸出功率;此時(shí)系統(tǒng)效率逐漸降低,但是始終維持在90%以上。但是,當(dāng)垂直間隙低于150 mm時(shí),線圈互感值高于目標(biāo)互感值,而此時(shí)Buck電路輸出電壓已達(dá)最大值,因此系統(tǒng)輸出功率將急劇降低。

圖9 接收端線圈偏移對(duì)輸入、輸出功率和系統(tǒng)效率的影響

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線充電樣機(jī)最大輸出功率為6.6 kW。但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制和考慮安全因素,在下文的實(shí)驗(yàn)中,將無(wú)線充電器的輸出功率降到3.3 kW來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的輸出性能。采用雙邊串聯(lián)補(bǔ)償無(wú)線充電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示,其中負(fù)載為21 Ω的電阻。

圖10 雙邊串聯(lián)補(bǔ)償無(wú)線充電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖11所示。

當(dāng)接收端線圈無(wú)水平偏移時(shí),輸入到發(fā)射端線圈中的電壓U1、電流I1以及接收端線圈輸出的電壓U2、電流I2的波形如圖11a所示。其功率分析儀顯示界面如圖11c所示,此時(shí)直流輸入電壓Uin=403.01 V,負(fù)載電壓Uo=262.91 V。由于實(shí)際補(bǔ)償電容值的差異,為保證系統(tǒng)工作在軟開(kāi)關(guān)條件下,主電路工作頻率為90 kHz。此時(shí),輸入功率為3.496 6 kW,輸出功率為3.297 0 kW,系統(tǒng)的效率為94.29%。

接收端線圈水平偏移50 mm時(shí),輸入到發(fā)射端線圈以及接收端線圈輸出的電壓、電流波形如圖11b所示。其功率分析儀顯示界面如圖11d所示,此時(shí)輸入功率為3.545 9 kW,輸出功率為3.322 0 kW,系統(tǒng)的效率為93.68%。與收發(fā)端線圈正對(duì)時(shí)相比,效率僅降低了0.61%。因此,當(dāng)線圈水平偏移量較小時(shí),該無(wú)線充電系統(tǒng)的效率能夠維持在較高的水平。

在線圈水平偏移過(guò)程中,調(diào)節(jié)直流輸入電壓,獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)輸出功率為3.3 kW。通過(guò)測(cè)量無(wú)線充電系統(tǒng)輸入功率和輸出功率,求得系統(tǒng)效率,試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。當(dāng)水平偏移量低于100 mm時(shí),無(wú)線充電系統(tǒng)的效率均能維持在90%以上;當(dāng)水平偏移量高于100 mm時(shí),隨著偏移量增加,無(wú)線充電系統(tǒng)效率急劇降低。在試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān),因而無(wú)線充電系統(tǒng)收發(fā)端電路并未工作在完全諧振狀態(tài)下。此外,考慮到收發(fā)端線圈和電路元器件的寄生電阻,因而實(shí)際中無(wú)線充電系統(tǒng)的效率低于仿真時(shí)的效率,但總體變化趨勢(shì)相同，即隨著收發(fā)端線圈的偏移,無(wú)線充電系統(tǒng)的效率逐漸降低,且下降趨勢(shì)逐漸增大。

圖12 實(shí)際輸入、輸出功率和系統(tǒng)效率隨線圈水平偏移量的變化

5 結(jié) 論

本文在分析電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上,提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-遺傳算法的線圈及鐵氧體參數(shù)優(yōu)化方法,研究了無(wú)線充電系統(tǒng)的偏移特性。得到無(wú)線充電系統(tǒng)的偏移特性如下:

(1) 線圈自感對(duì)水平偏移敏感度低,對(duì)垂直偏移敏感度較高。

(2) 互感對(duì)線圈水平、垂直偏移敏感度都較高,互感與偏移量負(fù)相關(guān),但是在目標(biāo)范圍內(nèi),仍能滿足無(wú)線充電系統(tǒng)的要求。

(3) 功率與偏移量正相關(guān),可通過(guò)功率調(diào)節(jié)電路控制輸出功率穩(wěn)定。

(4) 效率與偏移量負(fù)相關(guān),且隨著偏移量的增加,系統(tǒng)效率減小的程度加快。

仿真結(jié)果顯示，當(dāng)線圈間距為150 mm,水平偏移量小于134 mm時(shí),或者當(dāng)水平偏移量為0,線圈間距在200 mm內(nèi)波動(dòng)時(shí),無(wú)線充電系統(tǒng)效率均能維持在90%以上。

本文搭建了無(wú)線充電系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該無(wú)線充電系統(tǒng)在線圈正對(duì)時(shí)的DC/DC效率高達(dá)94.29%;輸出功率一定的情況下,當(dāng)線圈水平偏移量低于100 mm時(shí),效率始終能維持在90% 以上,且系統(tǒng)效率隨偏移量的變化趨勢(shì)和仿真結(jié)果相同。