電動汽車無線充電諧振線圈的耦合設(shè)計研究

鄭希江　路艷玲　王立功　呂元鋒

摘 要：現(xiàn)有電動汽車充電樁運(yùn)行中存在一定的局限性，充電受到地點的限制，所達(dá)到的充電效率有限，磁耦合諧振式電動汽車線圈的設(shè)計與運(yùn)用有效解決了這一困局，是一種無線充電方式，對空間載流線圈磁場分布情況進(jìn)行分析，以此減弱線圈自感的影響，建立聯(lián)諧振充電、串聯(lián)諧振充電兩種充電模式，并對此進(jìn)行論證分析。針對串聯(lián)電容諧振充電方式，為了提升傳輸距離與傳輸效率，通過系統(tǒng)仿真分析，可見能夠達(dá)到 95%充電效率，綜合運(yùn)用情況良好。

關(guān)鍵詞：電動汽車 無線充電諧振線圈 耦合設(shè)計

1 引言

大功率電池的使用情況是電動汽車發(fā)展的重要影響因素之一，為了促進(jìn)電動汽車的快速發(fā)展，應(yīng)當(dāng)加大對電動汽車充分方式的研究，傳統(tǒng)充電樁使用受到地點的限制，無線充分方式顯示出了重要應(yīng)用價值。新型繞組耦合方式是對傳統(tǒng)充分方式的重要補(bǔ)充。使用電磁諧振耦合的方式傳輸電能，2km范圍內(nèi)能夠達(dá)到40%傳輸效率[1]。本文從電路角度研究磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，對電動汽車充電方式進(jìn)行了重要補(bǔ)充。

2 電動汽車無線充電磁耦合諧振傳輸模型構(gòu)建

發(fā)射線圈與接收線圈溝通構(gòu)成磁耦合諧振式傳輸系統(tǒng)，在激勵電流作用下，發(fā)射線圈能夠產(chǎn)生磁場，發(fā)射線圈則出現(xiàn)感應(yīng)電動勢，在分析過程中，為了提升接收線圈內(nèi)部感應(yīng)電動勢，要求將補(bǔ)償電容器與補(bǔ)償電容器連接，以此減弱自感影響，使其能夠處于諧振狀態(tài)。

2.1 SS型系統(tǒng)模型情況

首先分析串聯(lián)諧振方式，構(gòu)建SS型串聯(lián)-串聯(lián)系統(tǒng)，以L1表示發(fā)射線圈，互感系數(shù)以M表示，電壓源則以Us表示，L2表示接收線圈。見圖1。

在此種模式方式處理過程中，隨著電源電壓數(shù)值加大，負(fù)載最大傳輸功率隨之相應(yīng)提升，為此可以降低電源輸出阻抗或者串聯(lián)等效電阻。若減小串聯(lián)阻抗或者增加線圈電感，能夠顯著提升電源頻率，此時能夠顯著提升傳輸距離。在線圈結(jié)構(gòu)與距離固定時，系統(tǒng)負(fù)載功率存在最大數(shù)值，此時存在一個最優(yōu)負(fù)載阻值[2]。

2.2 SP型系統(tǒng)系統(tǒng)模型情況

此種模式狀態(tài)下得到的線路圖見圖2。以 SP表示并聯(lián)諧振方式。

在滿足既定條件下，系統(tǒng)能夠達(dá)到最大的負(fù)載功率，k數(shù)值與最大值傳輸距離之間呈反比，在耦合系數(shù)k增大時，SP型系統(tǒng)負(fù)載功率呈現(xiàn)先增后減狀態(tài)，若系統(tǒng)電路模型不變，具有一個耦合系數(shù)的最優(yōu)解k0，能夠使得系統(tǒng)負(fù)載功率最大，k0與傳輸距離之間為反比。通過SP型系統(tǒng)的構(gòu)建，能夠顯著提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，采用的措施為增加電壓源電壓，同時顯著降低電源等效阻抗。

此次研究證明了諧振耦合具有良好的能量傳輸情況，在實際傳輸過程中不會受到阻隔物、位置等因素的影響。此次模型研究運(yùn)用中，各項設(shè)備的選用均符合理論研究條件，并在此基礎(chǔ)上增加或者減小距離，電能傳輸距離也產(chǎn)生了相應(yīng)變化，據(jù)此證明了諧振耦合傳輸時IPSO-SVM訓(xùn)練時間也產(chǎn)生一定變化。在預(yù)測步長增加時，此種表現(xiàn)優(yōu)勢更加明顯，其重要原因之一為IPSO算法的出現(xiàn)提升了SVM參數(shù)尋優(yōu)速度，在實際運(yùn)用過程中，降低了計算復(fù)雜程度，能夠提升電力負(fù)荷的訓(xùn)練速度，運(yùn)用優(yōu)勢明顯，有利于促進(jìn)電力負(fù)荷的有效預(yù)測與拓展，顯著提升了實際運(yùn)用范圍。見表1。

通過負(fù)載處理能夠顯著改變系統(tǒng)傳輸效率，負(fù)載數(shù)值與系統(tǒng)傳輸效率之間呈正比例關(guān)系。在Q2>1時，系統(tǒng)傳輸效率數(shù)值增加增速有所減緩?？梢娫趥鬏斁嚯x固定時，隨著負(fù)載增加，系統(tǒng)傳輸效率呈現(xiàn)出先增加后降低的變化狀態(tài)。

3 電動汽車無線充電磁耦合諧振模型仿真分析

進(jìn)行磁耦合線圈電路模型的仿真分析，使用Pspice進(jìn)行，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)數(shù)值構(gòu)建磁耦合線圈電路模型，在此次分析中，L1=L2=95μH，R1=R2=0.5Ω，Us=50V，C1=C2=30.45pF，Rs=20Ω，研究中相關(guān)不同因子之間的關(guān)系見圖3。

通過對上圖數(shù)值分析可見，隨著耦合系數(shù)的增大，系統(tǒng)效率隨之提升，在系統(tǒng)耦合系數(shù)k=0.045情況下系統(tǒng)效率48.7%，負(fù)載功率最大能夠達(dá)到11.80W，在耦合系數(shù)逐漸增加時，負(fù)載功率數(shù)值呈現(xiàn)逐漸增大至最大數(shù)值，后逐漸縮小的狀態(tài)。諧振頻率與負(fù)載功率之間有一定的關(guān)系，呈反比關(guān)系。

4 電動汽車無線充電磁耦合諧振模型優(yōu)化研究

在具體充電過程中，充電電池一般具有較大的充電電流，其輸入電阻不大，因此無線電能傳輸中，較為適宜的方式為SS型諧振電路，具體運(yùn)用過程中能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，但是運(yùn)用中要求提升串聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù)，在具體操作中，電路設(shè)計中一般連接電源負(fù)載、阻抗、電感線圈，不利于回路品質(zhì)因數(shù)提升[3]。

因此設(shè)計過程中，在SS型串聯(lián)回路發(fā)生線圈與接收線圈中間設(shè)計一個中繼線圈，以此有效改善線路品質(zhì)因數(shù)，延長電路傳輸距離，通過此種方式處理之后的線路模型見圖4。

通過仿真分析研究SSSS型系統(tǒng)中，繼線圈的使用對最終傳輸效率的影響，對系統(tǒng)相關(guān)數(shù)值進(jìn)行分析，L1=L4=45.25μH，C1=C4=60.90pF，Rs=20Ω，Us=50V，L2=L3=95μH，R1=R2=R3=R4=0.5Ω.在具有相同負(fù)載線圈耦合系數(shù)、電源線圈情況下，充電工作主要受到中繼線圈的耦合系數(shù)這一因素的影響，k12=k34=0.2，在中繼線圈耦合系數(shù)k23發(fā)生變化時，整個電路系統(tǒng)負(fù)載功率情況對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，研究可知，12.34W為負(fù)載功率的最大數(shù)值，此時k23=0.765，系統(tǒng)效率最大數(shù)值達(dá)到0.95。

構(gòu)建正弦電壓搭建相關(guān)實驗平臺，并使用安特倫信號發(fā)生器，及時采集相關(guān)分析數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。通過信號發(fā)生器發(fā)出信號，并將其傳輸給發(fā)射線圈，在具體信號分析中，接收線圈與發(fā)射線圈之間通過諧振耦合進(jìn)行能量傳輸，設(shè)備處理中接收線圈進(jìn)行信號接收并以示波器顯示，以示波器進(jìn)行波形觀測與分析。此種能量傳輸方式運(yùn)用過程中優(yōu)勢明顯，使用的充電方式較為靈活，充電過程中不受到充電位置與時間的限制，能夠便捷地為電動汽車進(jìn)行充電，有效提升了充電活動中的自主性與適應(yīng)性。

通過以上SSSS型線圈進(jìn)行電路仿真模式分析能夠得出，在電路參數(shù)既定時，通過對中繼線圈的耦合系數(shù)的調(diào)節(jié)能夠 延長無線電能傳輸距離，提升系統(tǒng)運(yùn)行工作效率。系統(tǒng)最大負(fù)載功率的主要影響因素為電源輸出阻抗、電源電壓，在這兩者數(shù)值固定時，最大負(fù)載功率恒定。

5 結(jié)語

無線電能傳輸為電動汽車充電提供了新的技術(shù)，對此提出補(bǔ)償電容來消除線圈自感抗處理方式，使用并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償兩種電力模式，并對其分別進(jìn)行理論與仿真驗證，通過實驗分析可見，此兩項實驗處理方式下系統(tǒng)工作效率均約50%， 并在此基礎(chǔ)上建立中繼線圈的串聯(lián)補(bǔ)償模型，對該系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實際仿真分析，通過處理之后，顯著提升了電動企業(yè)的充電效率，對促進(jìn)無線電能傳輸具有重要意義。

課題來源：教師科研基金項目《基于新舊動能轉(zhuǎn)換背景下新能源汽車無線充電系統(tǒng)的研究》，項目編號2020jsky 05。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭偉健.電動汽車無線充電系統(tǒng)電磁環(huán)境分析與屏蔽技術(shù)研究[D].北京交通大學(xué)，2020.

[2]趙輝.諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)電磁安全性與屏蔽技術(shù)研究[D].蘭州理工大學(xué)，2020.

[3]陸洋銳.基于阻抗匹配效率優(yōu)化的電動汽車無線電能傳輸?shù)难芯縖D].江蘇大學(xué)，2020.