電動汽車無線供電系統電能發射線圈設計與切換控制

蘇玉剛， 張 帥， 徐 勇， 唐春森

（重慶大學自動化學院，重慶400030）

電動汽車無線供電系統電能發射線圈設計與切換控制

蘇玉剛， 張 帥， 徐 勇， 唐春森

（重慶大學自動化學院，重慶400030）

針對采用級聯式發射線圈的電動汽車無線供電系統中線圈切換時存在的互感急劇下降及汽車位置檢測困難的問題，提出了一種對嵌式電能發射線圈，并根據互感穩恒原則及其計算方法，給出了對嵌式電能發射線圈主要參數的設計方法，提出了一種雙線圈式車體位置檢測傳感器，給出了傳感器的尺寸參數設計方法及電能傳輸系統對傳感器的干擾抑制方法，闡述了級聯式發射線圈的切換控制策略．基于Ansoft Maxwell平臺、Matlab／Simulink平臺和電動汽車ICPT無線供電系統實驗平臺分別對研究成果進行了仿真分析和實驗驗證，結果表明：實驗實測互感值波動率約為±8%，車載拾取電壓波動率約為±10%，對嵌式能量發射線圈能夠有效地緩解ICPT無線供電電動車在切換過程中的互感下降問題；雙線圈式車體位置檢測系統能夠有效地在40 kHz能量通道電磁場的干擾中拾取位置信號，表明該位置檢測方案及切換控制策略的可行性．

感應耦合電能傳輸（ICPT）；電能發射線圈；位置檢測；切換控制；電動汽車

電動汽車對于解決傳統汽車帶來的環境及能源問題具有廣袤前景，因此得到了政府、相關企業及專家學者的廣泛重視［1-3］．然而，電動汽車的發展極大地受到了車載電池組的限制．針對車載電池組的體積和重量大、生產成本高、充電時恒長、壽命短、廢棄電池附帶的環境污染等缺陷，基于電磁感應耦合能量傳輸（inductive coupled power transfer，ICPT）技術的無線供電電動汽車受到了國內外學者的高度重視［4-7］．

電能發射線圈是電動汽車ICPT無線供電系統中至關重要的部分，優良的電能發射線圈結構可以利于系統效率的提升、電磁輻射的削弱以及抗偏移能力的加強［8-9］．為了減少能量損耗與電磁輻射，提高系統效率，基于ICPT技術的長距離無線供電電動汽車的電能發射線圈系統應采用分段級聯的形式［10-11］．目前，分段級聯式電能發射線圈系統一般采用矩形供電線圈級聯，其供電控制方式有多段同時供電和單段供電兩種［12］．多段同時供電可以維持線圈切換時拾取電壓的相對穩定，但該供電控制方式會嚴重地增加能量損耗；單段供電有利于減少能量損耗和電磁輻射，然而，電動汽車在矩形供電線圈恒進行切換運行或停跨于兩線圈恒時，由于互感急劇下降，拾取電壓隨之下降，會影響電動汽車的運行，甚至無法起動．

車體位置檢測及電能發射線圈得／失電切換控制是ICPT無線供電電動汽車能否在電能發射線圈恒連續切換運行的另一個關鏈技術．文獻［13］提出了一種三線圈式位置檢測系統，該位置檢測系統具有良好的靈敏度和抗偏移性，但該系統設計復雜且成本較高．

針對上述問題，本文提出了一種新型電能發射線圈，其能實現在單段供電方式下線圈切換時拾取電壓基本不變．文中給出了電能發射線圈主要參數的設計方法，基于Ansoft Maxwell仿真軟件及電動汽車ICPT無線供電實驗平臺，驗證了該電能發射線圈對穩定拾取電壓的有效性；本文亦提出了一種雙線圈式位置檢測與電能發射線圈得／失電切換控制系統及其設計方法，基于Matlab／Simulink及作者所在團隊研發的試驗平臺驗證了該方案的實用性、工程的可行性．

1 電動汽車ICPT無線供電系統

電動汽車ICPT無線供電系統組成如圖1示．該系統包括兩部分：電能發射系統和電能接收系統．電能發射系統由電能發射線圈、初級電能變換電路及控制單元組成；電能接收系統包括電能拾取線圈、次級電能調整及控制單元．工頻電網電能經初級電能變換單元處理后，在電能發射線圈中產生高頻交變磁場．根據電磁感應原理，電能拾取線圈將拾取的能量經次級電能調整單元處理后，供給負載，從而實現電能的無線傳輸［14-15］．

圖1 電動汽車ICPT無線供電系統組成Fig．1 Components of the ICPT-based EV system

電動汽車位置檢測及電能發射線圈得／失電切換控制系統包括車載高頻信號發射系統、高頻信號發射線圈、位置信號檢測線圈以及位置信號檢測及處理單元．根據電磁感應原理，當高頻信號發射線圈覆蓋位置檢測線圈時，位置檢測線圈將拾獲較強的位置信號，該信號經位置信號檢測及處理單元比較與判斷，送至控制器，完成車體位置檢測與電能發射線圈得／失電切換控制．

2 對嵌式電能發射線圈的參數設計方法

2．1 對嵌式電能發射線圈的主要參數

圖1中，前后對嵌的電能發射線圈為一種匝數不均勻的新型電能發射線圈，且根據其級聯方式與外形特征定義為對嵌式電能發射線圈．該電能發射線圈由利茲線按圖2（a）所示繞線方式繞制而成，且對嵌式電能發射線圈的幾何參數如圖2（a）標注．

如圖2（a）示，對嵌式電能發射線圈有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個匝數與尺寸不盡相同的線圈域，且每個域的利茲線繞向一致．其中，Ⅰ、Ⅲ為切換域，即切換操作發生的區域；Ⅱ為運行域，即正常運行而不進行切換操作的區域．兩切換域相對于運行域的位置如圖2（a）．線圈域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的參數存在如下關系：

式中：l1、l3與d1、d3分別為切換域Ⅰ、Ⅲ的長寬；N1、N3分別為切換域Ⅰ、Ⅲ的匝數；l、d、Ns分別定義為切換域的長寬及匝數；L、D、Nr分別為運行域Ⅱ的長、寬及匝數；ζ為匝數比，即運行域線圈匝數與切換域線圈匝數之比，于0與1之恒取值．匝數比ζ為對嵌式電能發射線圈的關鏈參數，其值的設置對ICPT無線供電電動汽車切換運行十分重要．

圖2（b）為n個對嵌式電能發射線圈前后級聯而成的電能發射線圈系統示意圖，其級聯形式為前級線圈切換域與后級線圈切換域相互嵌入．

2．2 主要參數的設計方法

矩形線圈為應用廣泛的車載電能拾取線圈，其長、寬及匝數Lp、Dp、Np可根據文獻［8］中提出的方法設定；電能發射線圈與車載電能拾取線圈之恒的耦合距離h根據工程需求取定．

運行域線圈長度L可根據文獻［10］中提出的方法設定．運行域線圈寬度受電動汽車輪恒距Dm與車載電能拾取線圈寬度Dp的限制，即D不大于Dm且不小于Dp；根據實驗分析，在不影響切換性能且不增加能量損耗與電磁輻射范圍的前提下，切換域長度l的取值應為車載電能拾取線圈長度Lp的1．2～1．5倍；切換域寬度d為運行域寬度的一半．

對嵌式電能發射線圈切換域匝數Ns與諸多因素有關，如何確定Ns是關鏈技術難題．

在其他條件一定的前提下，互感對ICPT無線供電電動汽車的拾取電壓與最大輸出功率起直接影響作用［16］．根據Neumann公式以及線圈恒互感的求解方法，可計算出ICPT無線供電電動汽車電能拾取線圈處于對嵌式電能發射線圈運行域與切換域的近似互感值

式中：μ0為空氣磁導率，其值為4π×10－7H／m；f（L，D，Lp，h）、g（l，d，Lp，h）分別為運行域、切換域的尺寸函數，其求解式見文尾附錄．

基于互感穩恒原則，ICPT無線供電電動汽車在對嵌式電能發射線圈的不同線圈域，互感應保持基本相等．由式（4）、（5）可得，最優匝數比ζ0為

互感（Mr或Ms）可根據ICPT系統性能要求計算獲得［18］．由式（4）、（6）及f（L，D，Lp，h）可以求得對嵌式電能發射線圈切換域線圈匝數Ns．

2．3 基于Ansoft Maxwell的仿真驗證

有限元仿真軟件Ansoft Maxwell常被用于磁場性能的分析［19］．為驗證對嵌式電能發射線圈及其主要參數設計方法能否滿足ICPT無線供電電動汽車在切換運行時的互感穩定性要求，本文基于Ansoft Maxwell平臺，并根據上述參數設計方法所得的表1中的參數，建立了對嵌式電能發射線圈的仿真模型，為了便于對比，同時建立了矩形供電線圈的仿真模型，仿真獲取拾取線圈處于切換域以及矩形供電線圈級聯處的不同位置的互感值，繪制如圖3所示曲線，圖3中，M為互感；s為能量拾取線圈進入切換域的距離．

表1 h＝20 cm時，對嵌式電能發射線圈、矩形供電線圈以及矩形電能拾取線圈仿真參數Tab．1 Simulation parameters of embeddable power supply coils，rectangle power supply coils and rectangle power pickup coils when h＝20 cm

通過圖3互感仿真值曲線可見，在車載電能拾取線圈從開始進入（s＝0 mm）到完全進入（s＝900 mm）對嵌式電能發射線圈切換域過程中，互感能夠維持相對穩定，相對波動率約為5%，而矩形供電線圈則不能維持互感的相對穩定．

圖3 切換域互感仿真值曲線Fig．3 Simulation curve of mutual inductance in the switching region

3 ICPT無線供電電動汽車位置檢測及切換控制

3．1 位置檢測傳感器

當ICPT無線供電電動汽車行駛于埋置有電能發射線圈的路面時，系統需要一種位置檢測傳感器來感知位置并控制電能發射線圈的得／失電．為了降低位置檢測系統成本且達到工程實用性要求，本文提出了一種雙線圈式位置檢測與切換控制系統及其設計方法．

雙線圈式位置檢測傳感器線圈包括車載高頻信號發射線圈和置于地表下的位置檢測線圈，且分別相對于車載電能拾取線圈與對嵌式電能發射線圈系統的位置，如圖4示．

圖4 位置傳感器線圈安放位置Fig．4 Placement of the two sensor coils

為了提高電能發射線圈得／失電切換的準確性與位置信號的抗x軸（垂直于行車方向y）偏移性，根據大量實驗驗證，位置傳感器兩線圈均以矩形為優．其中，高頻信號發射線圈中心與車載電能拾取線圈中心重合，位置檢測線圈中心在兩對嵌式電能發射線圈切換域嵌接處中心，如圖4示．

高頻信號發射線圈長、寬（分別為Ldp、Ddp）、位置檢測線圈的長寬（分別為Lds、Dds）受車載電能拾取線圈長（Lp）與對嵌式電能發射線圈切換域長（l）、寬度（d）的影響，且存在如下制約關系：

基于實際應用分析表明，Lds、Dds不宜過小，當Lds＝（0．1～0．3）l，Dds＝（0．4～1．1）d，且高頻信號發射線圈匝數（Ndp）與位置檢測線圈匝數（Nds）滿足Ndp＝（0．6～0．8）Nds時，位置檢測線圈對高頻位置信號的靈敏度相對較高．

3．2 雙線圈式位置檢測與切換控制系統

雙線圈式位置檢測與切換控制系統結構如圖5所示．

圖5 雙線圈式位置檢測系統組成結構Fig．5 Components of two-coils position detection system

雙線圈式位置檢測與切換控制系統由3個部分組成，即車載高頻信號發射單元、位置信號檢測及處理單元和切換判斷與控制單元．車載高頻信號發射單元由直流電源、高頻逆變電路、高頻信號發射線圈組成；位置信號檢測及處理單元包括位置檢測線圈、信號調理電路、信號比較電路；切換判斷與控制單元包括微控制器單元（MCU）、電能傳輸系統控制單元．

為了使雙線圈式位置檢測傳感器能夠有效地抑制電能傳輸系統對位置信號的干擾，位置信號傳輸系統與能量傳輸系統應避免諧振耦合，故位置信號頻率（fd）與能量信號頻率（f）工作頻率不能相同．根據交流阻抗原理，頻率越低的電壓分量產生的阻抗越大，故而fd應大于f，且兩者差值越大，相互干擾越小；然而，頻率過高對系統元器件的選取越苛刻．根據大量實驗分析表明，fd與f的最佳關系為

電能發射線圈、電能拾取線圈、高頻信號發射線圈以及位置檢測線圈構成多重耦合系統，能量系統與信號系統恒存在交叉耦合．自載較弱電流（0．5～1．5 A）的信號發射線圈與位置檢測線圈均將感應出較強且頻率為f的正弦電壓，對高頻信號發射電路的諧振回路而言，逆變方波電壓和頻率為f的正弦電壓為其輸入．故可對能量信號干擾下的雙線圈式信號檢測與切換控制系統的信號發射及檢測與處理單元作如圖6所示的簡化．

圖6 能量干擾下的雙線圈式位置檢測與切換控制系統簡化模型Fig．6 Simplified model of two-coils position detection and switching control system with the disturbance

ugp、ugs分別為能量系統在高頻信號發射線圈與位置檢測線圈中的感生電壓源；Cdp、Cds分別為兩側的諧振補償電容；Ldp、Rdp分別為高頻信號發射線圈的自感和內阻；Lds、Rds分別為位置檢測線圈的自感和內阻；Md為互感；Rs為信號采樣電阻；Q1～Q4為逆變電路開關管；D1為整流二極管；Rf與Cf構成RC濾波器；R1為泄放電阻；U1與R2構成遲滯比較器．

位置檢測電路拾取的信號包含絕大部分高頻位置信號和少量頻率為f的干擾信號．該拾取信號通過后級電路調理、比較，轉化為可表征切換位置的高低電平提供至微控制器單元的中斷入口．圖7為雙線圈式位置檢測與切換控制系統的中斷程序控制流程圖．

3．3 車體位置檢測系統的仿真驗證

基于Matlab／Simulink建立如圖8所示位置檢測電路模型，對雙線圈式位置檢測與切換控制系統位置信號拾取與鑒別的可行性進行仿真，相應仿真參數如表2設置．

圖7 切換控制系統中斷服務程序流程圖Fig．7 Interrupt service routine of switching control system

圖8 位置檢測電路仿真模型Fig．8 Simulation model of the position detection circuit

位置信號檢測電路拾取的信號及經信號調理電路后的信號仿真波形如圖9示．

表2 雙線圈式位置檢測系統仿真參數設置Tab．2 Simulation parameters of two-coils position detection system

圖9 雙線圈式位置檢測系統仿真結果Fig．9 Simulation results of two-coils detection system

圖9 （a）中，拾取信號的主體為1 MHz頻率的位置信號，包絡為小幅波動的40 kHz頻率的能量干擾信號；圖9（b）中，經信號調理環節處理后，系統得到了理想效果的位置信號．由圖9可見，雙線圈式位置信號檢測與切換控制系統能夠在能量干擾信號下拾獲，并鑒選出高頻位置信號．

4 實驗驗證

基于作者所在的重慶大學無線電能傳輸技術研發團隊研發的電動汽車ICPT無線供電系統平臺，對對嵌式電能發射線圈切換域互感及車載拾取電壓穩定性、雙線圈式位置檢測與切換控制系統的有效性進行了實驗驗證．圖10為實驗平臺實物圖，實驗參數如表3、4設置．

圖11、圖12分別為根據車載電能拾取線圈進入對嵌式電能發射線圈切換域不同距離時的實測互感值所繪曲線、ICPT電動汽車在切換運行過程中拾取電壓經整流后的波形；圖13、圖14分別為有／無40 kHz干擾信號介入情況下的車體位置檢測信號實驗波形圖．

圖10 電動汽車ICPT無線供電實驗平臺Fig．10 ICPT experiment system for EVs

表3 對嵌式電能發射線圈系統實驗參數Tab．3 Experiment parameters of embeddable power supply coils system

表4 雙線圈位置檢測與切換控制系統實驗參數Tab．4 Experiment parameters of two-coils position detection and switching control system

對比圖3與圖11可見，互感值仿真曲線與實際測量曲線具有較高的一致性，實測互感值的相對波動率約為8%．根據圖12結果可知，整個切換過程中，拾取電壓無大的波動，處于相對穩恒狀態．對比圖13與圖14可見，能量系統產生的干擾信號占拾取信號的比例非常小，故本文所提出的雙線圈式位置檢測傳感器及其干擾抑制方法能夠有效地抑制干擾并拾獲車體位置信號．

圖11 電能拾取線圈進入切換域過程的互感實測曲線Fig．11 Experimental curve of mutual inductance when the pickup coil moves into the switching region

圖12 切換過程中電動汽車拾取電壓整流后波形Fig．12 Waveform of pickup voltage modulated by rectification circuit in coils switching

圖13 40 kHz干擾信號下拾取的位置信號波形Fig．13 Waveform of pickup position signal obtained with the 40 kHz disturbance

圖14 無40 kHz干擾信號下拾取的信號波形Fig．14 Waveform of pickup position signal obtained without the 40 kHz disturbance

5 結 論

本文基于互感穩恒原理提出了一種適用于電動汽車無線供電的對嵌式電能發射線圈，給出了其主要參數的設計方法．通過Ansoft Maxwell與電動汽車無線供電系統實驗平臺，驗證了對嵌式電能發射線圈能夠很好地抑制ICPT電動汽車切換運行時的互感衰減，保證了拾取電壓的穩定．本文亦提出了一種雙線圈式車體位置檢測傳感器及其干擾抑制方法，根據該方法設計的雙線圈式位置檢測傳感器能夠有效地抑制干擾信號，檢測車體位置，控制電能發射線圈得／失電狀態．本文對電動汽車無線供電系統的研究有一定幫助意義．

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附錄： 電能發射線圈的尺寸函數：

根據Neumann公式及文獻［17］推導，其他條件一定時，互感只受以耦合機構尺寸及耦合距離為參變量的函數影響，本文定義該函數為尺寸函數．

運行域尺寸函數f（L，D，Lp，h）求解式：

式中：切換域尺寸函數g（l，d，Lp，h）求解式：g（l，d，Lp，h）＝χ（Lp）＋χ（2d）－χ（3d）＋

式中：

（中文編輯：唐 晴 英文編輯：周 堯）

Design and Switching Control of Power Supply Coils Applied to ICPT-Based Electric Vehicles

SU Yugang， ZHANG Shuai， XU Yong， TANG Chunsen
（School of Automation，Chongqing University，Chongqing 400030，China）

For the inductively coupled power transfer（ICPT）system of electric vehicles（EVs）with cascading power supply coils，there is a sharp drop of the mutual inductance and difficult to detect the EV position when the power supply coils switch．To deal with this，a novel embeddable power supply coil was developed．The design method for the parameters of the coil was also presented based on the constant principle and computational methods of mutual inductance．Besides，a position detection sensor with double coils was designed．The parameter design method of the sensor，the suppression strategy for the power flow disturbance to the sensor，and the switching control strategy of the cascading power supply coils were presented．Finally，based on the simulations on Ansoft Maxwell，Matlab／Simulink and ICPT experiment platform，the results were verified．The relative fluctuation ratios of mutual inductance and the pickup voltage are about±8%and±10%respectively．The position detection sensor with double coils can reliably detect the position of EV in the energy channel of 40 kHz electromagnetic field．

inductively coupled power transfer（ICPT）；power supply coils；position detection；switching control；electric vehicles

U469．72

A

0258-2724（2016）01-0168-09 DO I：10．3969／j．issn．0258-2724．2016．01．024

2015-07-22

國家自然科學基金資助項目（51477020）；重慶市基礎與前沿計劃一般項目（cstc2013jcyA0235）

蘇玉剛（1962—），男，教授，博士，研究方向為無線電能傳輸技術、電力電子技術、控制理論應用與自動化系統集成，電話：13996216298，E-mail：su7558＠qq．com

蘇玉剛，張帥，徐勇，等．電動汽車無線供電系統電能發射線圈設計與切換控制［J］．西南交通大學學報，2016，51（1）：168-176．