楊金明,鄧梓穎,孫杰杉
(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州 510640)
近年來,隨著電動(dòng)汽車使用者對(duì)更小的電池尺寸和更長(zhǎng)的續(xù)航里程的需求逐漸增長(zhǎng)[1-3],該領(lǐng)域中關(guān)于動(dòng)態(tài)無線電能傳輸?shù)难芯渴艿皆絹碓蕉嗟年P(guān)注[4]。目前,電動(dòng)汽車的動(dòng)態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)主要分為2 類[5-6]:第一種的發(fā)射側(cè)為集中的發(fā)射導(dǎo)軌[7-9],該類系統(tǒng)在電動(dòng)汽車移動(dòng)時(shí)無需切換發(fā)射線圈,因此避免了復(fù)雜的切換策略,但是由于接收線圈只與發(fā)射導(dǎo)軌的一部分重疊,產(chǎn)生的漏磁較大,且運(yùn)行損耗也大;第二種的發(fā)射側(cè)為分布的發(fā)射線圈陣列[10-11],每次只有最靠近接收線圈的1個(gè)或幾個(gè)發(fā)射線圈被激發(fā),產(chǎn)生的漏磁和運(yùn)行損耗都較小,這類系統(tǒng)允許電動(dòng)汽車有橫向偏移,但是接收線圈的偏移會(huì)導(dǎo)致輸出功率和效率下降[12],因此一些研究提出了提高偏移容忍度的方法。文獻(xiàn)[13-15]在發(fā)射側(cè)采用多發(fā)射線圈,減小了接收線圈在2 個(gè)發(fā)射線圈之間時(shí)的互感下降,從而減小功率下降。另一種有效的解決思路是通過給駕駛者提供接收線圈的位置信息[16-17],促使其主動(dòng)調(diào)節(jié)車輛位置,使接收線圈靠近受激發(fā)射線圈。除了這2 種方法外,優(yōu)化耦合機(jī)構(gòu)和切換方法也值得研究[18],設(shè)計(jì)一種能夠提高偏移容忍度的切換方法對(duì)陣列式無線電能傳輸系統(tǒng)具有積極的意義。
本文首先提出了一種應(yīng)用于補(bǔ)償拓?fù)錇長(zhǎng)CC-S的發(fā)射線圈陣列系統(tǒng)的線圈切換方法,可令互感在切換時(shí)刻不變;然后介紹了其減小互感下降以提高偏移容忍度的機(jī)理,并通過Maxwell Analysis 仿真,比較了應(yīng)用該切換方式后,單層和雙層發(fā)射陣列系統(tǒng)的輸出功率、效率、偏移容忍度和控制復(fù)雜度,以選擇性能更好的系統(tǒng)。最后,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。
為了減小運(yùn)行損耗和漏磁,本文提出的陣列系統(tǒng)每次只激發(fā)1 個(gè)發(fā)射線圈。發(fā)射線圈和接收線圈都設(shè)計(jì)成平面的正方形線圈,單層發(fā)射陣列如圖1所示,假設(shè)每個(gè)發(fā)射線圈的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)。
圖1 單層發(fā)射陣列Fig.1 Single-layered transmitting array
雙層發(fā)射陣列如附錄A 圖A1 所示。發(fā)射線圈的邊長(zhǎng)同樣設(shè)為L(zhǎng),層2在層1之上,層2上的每個(gè)發(fā)射線圈都相對(duì)于層1 上的發(fā)射線圈縱橫向偏移0.5L的距離。
由于互感值和發(fā)射線圈與接收線圈的重疊面積具有正相關(guān)性,理論上,接收線圈的邊長(zhǎng)越長(zhǎng),它與發(fā)射線圈的重疊部分越不容易減小,其偏移容忍度越高。對(duì)于單層發(fā)射陣列,當(dāng)接收線圈邊長(zhǎng)大于等于2L時(shí),無論其處于何位置,總有一個(gè)發(fā)射線圈完全位于其下方,因此繼續(xù)增加接收線圈的邊長(zhǎng)對(duì)提高偏移容忍度的作用已不大,還會(huì)導(dǎo)致耦合系數(shù)繼續(xù)下降;對(duì)于雙層發(fā)射陣列,當(dāng)接收線圈邊長(zhǎng)大于等于2L時(shí),也總有一個(gè)發(fā)射線圈完全位于其下方,因此等價(jià)于單層發(fā)射陣列。綜上所述,單、雙層發(fā)射陣列系統(tǒng)的接收線圈邊長(zhǎng)范圍最好為L(zhǎng)~2L。
為了使互感下降和功率波動(dòng)最小化,每次切換發(fā)射線圈時(shí),應(yīng)尋找與接收線圈之間互感最大的發(fā)射線圈,因此切換時(shí)刻應(yīng)設(shè)置為一個(gè)未受激發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感剛剛超過受激發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感的時(shí)刻,如圖2 所示。這樣設(shè)計(jì)能使互感在發(fā)射線圈切換時(shí)刻達(dá)到最小,在接收線圈移動(dòng)的其他階段,互感都不會(huì)下降得比這些時(shí)刻小,從而最大限度地利用了發(fā)射線圈并減小了互感下降。當(dāng)接收線圈移動(dòng)時(shí),其與發(fā)射線圈之間的互感是連續(xù)變化的,因此可在接收線圈移動(dòng)過程中不斷檢測(cè)其與發(fā)射線圈的互感以確定下一個(gè)激發(fā)的發(fā)射線圈以及切換時(shí)刻。
圖2 切換時(shí)刻示意圖Fig.2 Schematic diagram of switching moments
然而,動(dòng)態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),難以直接測(cè)量互感,本文考慮采用間接的參數(shù)來表示互感的大小,通過可直接測(cè)量的電路參數(shù)來計(jì)算,因此需要先分析本文所提系統(tǒng)的電路。
為了使發(fā)射線圈的電流保持相對(duì)穩(wěn)定[19-20],并減小接收側(cè)的體積和重量,本文采用LCC-S 補(bǔ)償拓?fù)?。系統(tǒng)的電路如圖3 所示。圖中:UDC為輸入直流電壓;S1—S4為組成全橋逆變器的4 個(gè)MOSFET;L1和L2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的自感;M12為發(fā)射線圈和接收線圈的互感;R1和R2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的內(nèi)阻;Ls1為原邊的補(bǔ)償電感;C1和Cs1為原邊的補(bǔ)償電容;C2為副邊的補(bǔ)償電容;RL為負(fù)載的等效交流電阻;Us為輸入電壓的基波分量;Is為輸入電流;I1和I2分別為發(fā)射線圈和接收線圈中的電流。
圖3 系統(tǒng)電路Fig.3 Overall circuit of system
假設(shè)電路的諧振角頻率為ω1,則補(bǔ)償拓?fù)涓髟膮?shù)為:
式中:a為一個(gè)可調(diào)節(jié)參數(shù),其值在0~1之間。
盡管輸入電流中有大量的高次諧波,但是經(jīng)過LCC 拓?fù)浜?,發(fā)射線圈的電流中幾乎沒有諧波,因此可用基波近似法分析。本文的電路分析只考慮電路中的基波分量,所有參數(shù)都是基波分量參數(shù),副邊的阻抗Z2及其反映到原邊的反映阻抗Zre分別為:
雖然MOSFET 的電阻特性是非線性的,但是由于它的導(dǎo)通損耗較小,本文用一個(gè)恒定的電阻Ron來近似表示它導(dǎo)通時(shí)的電阻,這個(gè)電阻的值可以通過實(shí)際運(yùn)行中測(cè)得的電路參數(shù)計(jì)算得到。
輸入電壓的基波分量的有效值Us可由式(5)計(jì)算得到。
式中:I2為接收線圈電流的有效值。
本文將受激發(fā)射線圈的電壓和電流的基波分量以及它們的相位差、未受激發(fā)射線圈的電壓基波分量作為需要檢測(cè)的參數(shù),這些參數(shù)都能在發(fā)射線圈側(cè)被檢測(cè)到。
受激發(fā)射線圈的電壓基波U1和電流基波I1之間的關(guān)系可表示為:
式中:R12為一個(gè)量綱是歐姆的參數(shù);U1和I1分別為受激發(fā)射線圈的電壓和電流有效值。
未受激發(fā)射線圈的電壓基波Um與I1之間的關(guān)系可表示為:
式中:m為被檢測(cè)的未受激發(fā)射線圈的編號(hào);Mm2為被檢測(cè)的未受激發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感;M1m為被檢測(cè)的未受激發(fā)射線圈與受激發(fā)射線圈之間的互感,當(dāng)發(fā)射線圈的位置確定時(shí),這個(gè)值不會(huì)改變。同樣地,式(12)可改寫為:
式中:Rm2為量綱是歐姆的參數(shù);Um為未受激發(fā)射線圈的電壓有效值。
由式(11)和式(13)可知,通過比較R12和Rm2的值可以間接地比較M12和Mm2的值,因此,通過檢測(cè)U1、I1、θ1和Um,可以確定M12<Mm2的時(shí)刻。
用2.2 節(jié)所提的檢測(cè)手段檢測(cè)陣列上所有未激發(fā)的發(fā)射線圈不僅浪費(fèi)資源,而且是不必要的,實(shí)際上,在下一時(shí)刻互感有可能超過受激發(fā)射線圈的只有其附近的幾個(gè)發(fā)射線圈,而電動(dòng)汽車在行進(jìn)過程中的絕大部分時(shí)間是向前方行駛的,因此只需檢測(cè)幾個(gè)接近受激發(fā)射線圈并位于其前方的線圈。
在2 種系統(tǒng)中,需要檢測(cè)的未受激發(fā)射線圈如圖4 所示。在單層發(fā)射陣列系統(tǒng)中,只有在受激發(fā)射線圈正前方、左前方以及右前方的3 個(gè)發(fā)射線圈需要檢測(cè);而在雙層發(fā)射陣列系統(tǒng)中,只有與受激發(fā)射線圈同層的正前方以及與其不同層的左前方和右前方的3 個(gè)發(fā)射線圈需要檢測(cè)。因此,無論是單層發(fā)射陣列系統(tǒng)還是雙層發(fā)射陣列系統(tǒng),需要檢測(cè)的未受激發(fā)射線圈都只有3個(gè),本文將其編號(hào)為a、b和c。另外,如果在某一時(shí)刻,檢測(cè)到2 個(gè)或以上未受激發(fā)射線圈與接收線圈的互感都剛好超過受激發(fā)射線圈與接收線圈的互感,那么優(yōu)先激發(fā)受激發(fā)射線圈正前方的線圈,這樣做有利于減少切換次數(shù)。
圖4 需要檢測(cè)的發(fā)射線圈Fig.4 Transmitting coils need to be detected
考慮該方法的糾錯(cuò)能力,如果系統(tǒng)在某一次激發(fā)了錯(cuò)誤的線圈,如附錄A 圖A2所示。當(dāng)接收線圈位于圖中位置時(shí),當(dāng)前的受激發(fā)射線圈是線圈f,此時(shí)只檢測(cè)線圈g、h 和k。按照激發(fā)互感最大的線圈的原則,即將被激發(fā)的應(yīng)該是線圈h,如果錯(cuò)誤地激發(fā)了線圈g,那么下一次檢測(cè)的將是線圈k、m 和n。接收線圈繼續(xù)向前移動(dòng)時(shí),線圈k 的互感將最先超過線圈g,因此再下一次將激發(fā)線圈k;而如果本來就正確地激發(fā)了線圈h,那么在接收線圈向前移動(dòng)的過程中,下一次激發(fā)的線圈也將是線圈k。因此,即使某一次由于檢測(cè)或計(jì)算錯(cuò)誤激發(fā)了錯(cuò)誤的發(fā)射線圈,也能在下一次檢測(cè)時(shí)激發(fā)互感更大的發(fā)射線圈,從而使互感逐漸調(diào)整至最大值。
在汽車未進(jìn)入無線充電路段時(shí),由于未激發(fā)任何一個(gè)發(fā)射線圈,因此無法用上述的方法來確定需要檢測(cè)的發(fā)射線圈,而應(yīng)同時(shí)檢測(cè)無線充電路段開端的一行發(fā)射線圈,以確定第一個(gè)應(yīng)被激發(fā)的發(fā)射線圈。
為了比較采用第2 節(jié)所提的切換方法后,單層和雙層發(fā)射陣列系統(tǒng)的工作性能,首先在Maxwell Analysis 有限元分析內(nèi)計(jì)算接收線圈在各位置時(shí)與發(fā)射線圈之間的互感和耦合系數(shù),再根據(jù)式(9)計(jì)算功率。
由1.3節(jié)的分析可知,接收線圈的邊長(zhǎng)范圍最好為L(zhǎng)~2L,在本文的仿真中,單層發(fā)射陣列系統(tǒng)分析發(fā)射線圈邊長(zhǎng)分別為1.5L和2L的情況,旨在比較接收線圈邊長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響;在雙層發(fā)射陣列系統(tǒng)中,接收線圈邊長(zhǎng)為2L時(shí),發(fā)射線圈的切換方式與單層發(fā)射陣列系統(tǒng)相同,而其互感的變化規(guī)律與單層發(fā)射陣列系統(tǒng)中的部分情況相同,但在接收線圈向左或向右偏移時(shí),互感變化范圍沒有單層發(fā)射陣列系統(tǒng)廣,因此不分析這種情況,為了與單層發(fā)射陣列系統(tǒng)形成對(duì)照,僅分析接收線圈邊長(zhǎng)為1.5L的情況。假設(shè)上述邊長(zhǎng)為1.5L的線圈是接收線圈A,邊長(zhǎng)為2L的線圈是接收線圈B,則需要仿真的3 種場(chǎng)景分別如下:場(chǎng)景1 為單層發(fā)射線圈陣列,接收線圈為線圈A;場(chǎng)景2 為單層發(fā)射線圈陣列,接收線圈為線圈B;場(chǎng)景3 為雙層發(fā)射線圈陣列,接收線圈為線圈A。
為了縮小接收線圈的成本差距,本文在仿真中將各接收線圈總線長(zhǎng)設(shè)置得盡量接近,所用的線圈參數(shù)如附錄A 表A1 所示。在2 個(gè)系統(tǒng)中,傳輸距離均為200 mm。
假設(shè)初始時(shí)刻接收線圈與受激發(fā)射線圈的左和后2 個(gè)線圈邊重合,如附錄A 圖A3 所示。本文用接收線圈相對(duì)于初始位置的前進(jìn)距離來描述發(fā)射線圈的切換時(shí)刻,考慮到當(dāng)接收線圈向左或向右偏移的距離確定時(shí),在每向前移動(dòng)L的距離內(nèi),發(fā)射線圈的切換過程都相同,且接收線圈與受激發(fā)射線圈的位置關(guān)系變化也相同,可定義一個(gè)移動(dòng)周期為L(zhǎng)。應(yīng)當(dāng)注意,當(dāng)接收線圈向斜前方移動(dòng)時(shí),同樣可用移動(dòng)周期來分析系統(tǒng)的性能,但是此時(shí)移動(dòng)周期的長(zhǎng)度不等于L。由于當(dāng)陣列中的偏移距離d>0.5L時(shí),相當(dāng)于反方向偏移L-d,本文只分析0≤d≤0.5L的情況。通過Maxwell Analysis 有限元計(jì)算得到互感,從而得到上述幾種場(chǎng)景在一個(gè)移動(dòng)周期內(nèi)的切換時(shí)刻,如表1所示。
表1 切換時(shí)刻Table 1 Switching moments
由式(9)可知,隨著a增大,Ls1減小,輸出功率先增大后減小,在0.9<a<1 范圍內(nèi)的某點(diǎn)獲得最大值,因此將a值設(shè)定得較大更有利。本文的仿真和實(shí)驗(yàn)都將a值設(shè)定為0.9。仿真的電路參數(shù)如附錄A 表A2所示。
本文用輸出功率、效率、偏移容忍度和控制復(fù)雜度來衡量動(dòng)態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)的工作性能。
上述3 種場(chǎng)景在一個(gè)移動(dòng)周期內(nèi)的輸出功率如附錄A 圖A4所示。為了比較它們的輸出功率,提出了2 個(gè)指標(biāo):最小輸出功率和平均輸出功率。系統(tǒng)的最小輸出功率在受激發(fā)射線圈和接收線圈的重疊面積最小時(shí)獲得:在場(chǎng)景1 中,最小輸出功率發(fā)生在接收線圈相對(duì)于原始位置向右偏移0.25L的情況下;在場(chǎng)景2 中,最小輸出功率發(fā)生在受激發(fā)射線圈和接收線圈的2 個(gè)相鄰線圈邊同時(shí)重合的情況下;在場(chǎng)景3 中,最小輸出功率發(fā)生在接收線圈相對(duì)于初始位置向左或向右偏移0.25L的情況下。平均輸出功率則用一個(gè)移動(dòng)周期內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)的輸出功率平均值來近似估計(jì)。
3種場(chǎng)景的效率如附錄A圖A5所示。本文采用最高和最低效率作為衡量傳輸效率的2個(gè)指標(biāo)。
提高系統(tǒng)的偏移容忍度的目的是減小線圈偏移帶來的輸出功率下降,因此本文以輸出功率波動(dòng)率v來描述系統(tǒng)的偏移容忍度,具體定義為:
式中:PLmax和PLmin分別為一個(gè)移動(dòng)周期內(nèi)的最大和最小輸出功率。
在本文中,控制復(fù)雜度主要是指發(fā)射線圈切換的控制,以一個(gè)移動(dòng)周期內(nèi)的切換次數(shù)來衡量。
3 種場(chǎng)景的各項(xiàng)指標(biāo)比較如表2 所示。由表可得如下結(jié)論。
表2 各場(chǎng)景的性能比較Table 2 Performance comparison of each scene
1)場(chǎng)景2 的最小輸出功率比場(chǎng)景1 高37.15%,但其平均輸出功率比場(chǎng)景1 低3.92%~32.16%;場(chǎng)景3 的最小輸出功率比場(chǎng)景1 高86.57%,平均輸出功率比場(chǎng)景1高2.66%~65.70%。
2)3種場(chǎng)景的最高效率從高到低依次為:場(chǎng)景1>場(chǎng)景2>場(chǎng)景3,最高效率差都在0.05以下。場(chǎng)景1和場(chǎng)景3 的最低效率接近,場(chǎng)景2 的最低效率比場(chǎng)景1和場(chǎng)景3高約0.11。
3)在抗偏移方面,場(chǎng)景2 的輸出功率波動(dòng)率比場(chǎng)景1 低59.64%;而場(chǎng)景3 的輸出功率波動(dòng)率比場(chǎng)景1低40.96%,介于2種場(chǎng)景之間。
4)場(chǎng)景1 和場(chǎng)景2 中每個(gè)移動(dòng)周期內(nèi)的發(fā)射線圈切換次數(shù)都是1;而場(chǎng)景3 中,除了在“d=0.25L(向左)”和“d=0.25L(向右)”的情況下發(fā)射線圈切換次數(shù)是1 外,其他情況下都是2,因此其控制比另外2種場(chǎng)景要復(fù)雜。
綜上所述,發(fā)射陣列相同時(shí),接收線圈邊長(zhǎng)越長(zhǎng),偏移容忍度越高,總體效率也較高,但是輸出功率相應(yīng)降低;當(dāng)接收線圈參數(shù)相同時(shí),與單層發(fā)射陣列系統(tǒng)相比,雙層發(fā)射陣列系統(tǒng)以更復(fù)雜的切換控制換取更高的輸出功率和較高的偏移容忍度,但是效率會(huì)有所下降。
為了驗(yàn)證第2 節(jié)所提切換方法的可行性,本文建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的雙層陣列實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)采用DSP TMS320F28335PGFA為全橋逆變器提供100 kHz的觸發(fā)脈沖。為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置,本文采用參數(shù)相同的線圈作為受激發(fā)射線圈和3 個(gè)未受激發(fā)射線圈。實(shí)驗(yàn)裝置的各部分如附錄A 圖A6 所示。線圈和電路的參數(shù)分別如附錄A表A3和表A4所示。
由2.2 節(jié)的分析可知,M12和Mm2可通過R12和Rm2比較。以無偏移時(shí)的切換時(shí)刻1、向左偏移25 mm時(shí)的切換時(shí)刻2、向右偏移50 mm 時(shí)的切換時(shí)刻1 和向右偏移100 mm 時(shí)的切換時(shí)刻2 為例,R12和Rm2在各切換時(shí)刻附近的值如圖5所示。
圖5 在切換時(shí)刻附近的R12和Rm2Fig.5 R12 and Rm2 around switching moments
由圖5(a)、(b)、(d)可知,在切換時(shí)刻,即將被激發(fā)的發(fā)射線圈的與當(dāng)前受激的發(fā)射線圈的變化曲線相交,其他未受激發(fā)射線圈的曲線則位于這二者下方;而圖5(c)給出了向右偏移50 mm的情況,在切換時(shí)刻,多個(gè)未受激發(fā)射線圈的曲線都與當(dāng)前受激發(fā)射線圈的曲線相交,在該時(shí)刻只激發(fā)當(dāng)前受激發(fā)射線圈正前方的發(fā)射線圈。
由此可見,該方法能尋找下一個(gè)應(yīng)被激發(fā)的發(fā)射線圈,令下一時(shí)刻受激的發(fā)射線圈與接收線圈的互感比下一時(shí)刻當(dāng)前受激發(fā)射線圈與接收線圈的互感大。實(shí)驗(yàn)中的檢測(cè)步長(zhǎng)為10 mm,在實(shí)際中縮短檢測(cè)步長(zhǎng),即縮短檢測(cè)時(shí)間間隔,可進(jìn)一步減小誤差,獲得更準(zhǔn)確的切換時(shí)刻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明所提切換方法可獲得準(zhǔn)確的切換時(shí)刻,且該方法在實(shí)際中可行。
本文提出了一種用于發(fā)射線圈陣列系統(tǒng)的線圈切換方法,并比較了單層發(fā)射陣列系統(tǒng)和雙層發(fā)射陣列系統(tǒng)的工作性能,所得結(jié)論如下。
1)該切換方法能有效減小切換時(shí)刻的互感下降和互感突變,從而提高了系統(tǒng)的偏移容忍度,實(shí)驗(yàn)證明,該方法使互感在每一時(shí)刻都達(dá)到最大可能值,并具有一定的糾錯(cuò)能力,且檢測(cè)步長(zhǎng)的縮小有利于獲得更準(zhǔn)確的切換時(shí)刻。
2)該切換方法是基于LCC-S 補(bǔ)償拓?fù)涮岢龅?,?dāng)補(bǔ)償拓?fù)涓淖儠r(shí),需要檢測(cè)的電路參數(shù)可能發(fā)生變化。
3)在發(fā)射陣列相同時(shí),接收線圈邊長(zhǎng)越長(zhǎng),系統(tǒng)的偏移容忍度更高,效率也更高,但是輸出功率隨之下降;在接收線圈參數(shù)相同的情況下,雙層發(fā)射陣列系統(tǒng)能獲得比單層發(fā)射陣列系統(tǒng)更高的輸出功率以及偏移容忍度,而傳輸效率會(huì)有所下降。
在后續(xù)的研究中將考慮分析發(fā)射線圈切換過程的瞬態(tài)響應(yīng)。
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