電動(dòng)汽車無(wú)線充電松耦合變壓器仿真研究

李秋生，張國(guó)興，李培英，劉偉亮，郭金偉

（1.河北工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，河北 邯鄲056038；2.邯鄲學(xué)院 河北 邯鄲056038；3.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島066004）

電動(dòng)汽車無(wú)線充電松耦合變壓器仿真研究

李秋生1，張國(guó)興1，李培英2，劉偉亮2，郭金偉3

（1.河北工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，河北 邯鄲056038；2.邯鄲學(xué)院 河北 邯鄲056038；3.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島066004）

設(shè)計(jì)新型用于電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的松耦合變壓器，驗(yàn)證該松耦合變壓器在電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)中的性能。闡述電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)組成和原理，分析耦合系數(shù)與系統(tǒng)傳輸效率的關(guān)系。利用Maxwell電磁場(chǎng)有限元分析軟件對(duì)松耦合變壓器進(jìn)行參數(shù)化分析，討論初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)相對(duì)位置變化對(duì)耦合系數(shù)的影響。采用基于Simplorer軟件系統(tǒng)場(chǎng)路耦合聯(lián)合仿真的方法，對(duì)松耦合變壓器性能進(jìn)行分析。得到耦合系數(shù)隨氣隙和偏移的變化曲線，獲取系統(tǒng)電流電壓參數(shù)。在200mm氣隙且未發(fā)生水平偏移條件下，采用該松耦合變壓器的電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)功率為3.65kW，傳輸效率達(dá)89.9%，該松耦合變壓器滿足電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)要求。

電動(dòng)汽車；無(wú)線充電；松耦合變壓器；仿真分析

化石燃料的短缺以及空氣污染的日益嚴(yán)重促進(jìn)了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展[1]。感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)具有電能傳輸容量大、傳輸距離適中、電磁污染程度輕等優(yōu)勢(shì)，適用于電動(dòng)汽車無(wú)線充電。該技術(shù)通過(guò)松耦合變壓器間高頻磁場(chǎng)進(jìn)行能量傳輸，松耦合變壓器的性能直接影響系統(tǒng)傳輸效率，高效耦合變壓器的設(shè)計(jì)成為感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一[2]。

常規(guī)松耦合變壓器選型為罐型、U型和E型[3-5]，然而這些松耦合變壓器無(wú)法滿足電動(dòng)車無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)較高功率等級(jí)和較大錯(cuò)位偏差容忍能力的要求[6]。近年，研究人員對(duì)具有圓盤型鐵芯和環(huán)形線圈結(jié)構(gòu)的松耦合變壓器進(jìn)行研究，其工作效率可達(dá)85%以上，然而其傳輸距離有限[7]。為了滿足電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)傳輸距離和功率等級(jí)的要求，本文設(shè)計(jì)新型松耦合變壓器。并采用Simplorer多域機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真分析軟件為平臺(tái)，將耦合結(jié)構(gòu)Maxwell電磁場(chǎng)有限元分析模型引入Simplorer電路模型中進(jìn)行聯(lián)合仿真。討論耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁場(chǎng)分布和系統(tǒng)傳輸效率的影響。聯(lián)合仿真方法的應(yīng)用能1有效提高仿真精度，并縮短實(shí)驗(yàn)和研發(fā)周期，降低研發(fā)成本[8-11]。

1 無(wú)線充電系統(tǒng)分析

電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)利用感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)，通過(guò)初級(jí)能量發(fā)射裝置將電能從初級(jí)側(cè)傳輸至安裝在電動(dòng)汽車上的次級(jí)側(cè)能量拾取裝置，從而為車載電池組供電，如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)示意圖

初級(jí)側(cè)電能變換裝置包括工頻整流電路、濾波電路、高頻全橋逆變電路和串聯(lián)諧振補(bǔ)償電路。耦合結(jié)構(gòu)包括線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鐵氧體鐵芯。次級(jí)側(cè)電能變換裝置包括高頻整流電路、濾波電路和負(fù)載。工頻交流電首先經(jīng)過(guò)初級(jí)側(cè)電能變換裝置將工頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，經(jīng)過(guò)初級(jí)側(cè)諧振電路，在初級(jí)側(cè)線圈和鐵芯周圍產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)；次級(jí)側(cè)線圈和鐵芯拾取部分高頻磁場(chǎng)，產(chǎn)生高頻感應(yīng)電壓，經(jīng)過(guò)串聯(lián)諧振電路，在次級(jí)側(cè)電能變換裝置中對(duì)高頻交流電進(jìn)行變換，最終給電池組充電[12-14]。

2 感應(yīng)耦合充電原理

感應(yīng)耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)可采用互感模型進(jìn)行描述，系統(tǒng)等效示意圖如圖2所示。其中Up為高頻正弦交流電壓，ω為頻率，Rp為初級(jí)側(cè)線圈內(nèi)阻，Rs為次級(jí)側(cè)線圈內(nèi)阻，M為互感系數(shù)，R為等效負(fù)載阻抗，LP為初級(jí)側(cè)電感，Is為次級(jí)側(cè)電感。Cp為初級(jí)側(cè)諧振補(bǔ)償電容，Cs為次級(jí)側(cè)諧振補(bǔ)償電容。

圖2 系統(tǒng)等效示意圖

根據(jù)圖2所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，分別對(duì)松耦合變壓器初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)列寫KVL方程：

定義系統(tǒng)傳輸效率η為次級(jí)側(cè)負(fù)載得到功率Ps與初級(jí)側(cè)輸入功率Pp的比值。系統(tǒng)工作頻率為諧振頻率時(shí)，電能傳輸效率最高。因此系統(tǒng)工作頻率ω0可表示為：

聯(lián)立式（1）和（2），可得系統(tǒng)傳輸效率：

定義耦合系數(shù)為k

當(dāng)初級(jí)側(cè)內(nèi)阻遠(yuǎn)小于次級(jí)側(cè)電阻時(shí)，式（3）可表示為：

耦合系數(shù)是表征系統(tǒng)傳輸效率的重要因素，理論上只與耦合結(jié)構(gòu)幾何形狀、磁性材料和相對(duì)位置有關(guān)。其他參數(shù)確定情況下，耦合系數(shù)k越大，系統(tǒng)傳輸效率越高。對(duì)于電動(dòng)汽車感應(yīng)電能傳輸，耦合結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的合理選擇是提高系統(tǒng)能量傳輸效率的有效途徑[15]。

3 松耦合變壓器設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)松耦合變壓器大多由線圈結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能量的發(fā)射和接收，電磁場(chǎng)能量在線圈周圍空間分布較為發(fā)散，導(dǎo)致傳輸范圍有限、傳輸距離較小和耦合效率較低。因此需要在松耦合變壓器初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)添加能量磁場(chǎng)引導(dǎo)材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)能量拾取裝置需要安裝于車輛底盤部位，在保證傳輸性能的前提下，拾取裝置的長(zhǎng)度、寬度和厚度要盡量小，以滿足汽車行駛過(guò)程中車輛底盤距離地面的安全要求。

針對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)工作特性，本文設(shè)計(jì)如圖3所示松耦合變壓器結(jié)構(gòu)。該耦合結(jié)構(gòu)由能量發(fā)射端和能量拾取端組成。能量發(fā)射端為盤形結(jié)構(gòu)，線圈下方設(shè)置鐵芯結(jié)構(gòu)，鐵芯為8個(gè)“T”型鐵芯和環(huán)形鐵芯組成，與傳統(tǒng)能量發(fā)射線圈相比，該種結(jié)構(gòu)可將能量發(fā)射到更遠(yuǎn)距離，，且具有一定的磁場(chǎng)屏蔽作用。能量拾取端為方形結(jié)構(gòu)，線圈分為上下兩側(cè)，上層線圈為兩個(gè)矩形線圈，下層為方形線圈，線圈上方為條狀鐵芯結(jié)構(gòu)。雙層線圈結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)能量拾取的能力，并提高系統(tǒng)對(duì)錯(cuò)位偏移的容忍能力。發(fā)射線圈尺寸為800×800×60 mm，接收線圈尺寸為60×60×50 mm，耦合距離為200 mm。

圖3 耦合結(jié)構(gòu)三維圖

3.2 有限元分析

Maxwell是一款專業(yè)電磁場(chǎng)有限元分析軟件，具有向?qū)降挠脩艚缑?、高精度的自適應(yīng)剖分技術(shù)和強(qiáng)大的后處理能力，3D模塊為高性能三維電磁分析軟件[2]。依據(jù)耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)在SolidWorks中建立系統(tǒng)模型，將其導(dǎo)入到Maxwell軟件中進(jìn)行有限元分析，獲取該耦合結(jié)構(gòu)磁力線分布情況，如圖4所示。在能量發(fā)射裝置上方，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布和磁力線流向較為均勻；在能量發(fā)射裝置下方磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)較弱。這是由于圓盤形狀能量發(fā)射端結(jié)構(gòu)可提供加大范圍的磁場(chǎng)，同時(shí)其鐵芯結(jié)構(gòu)形成良好磁場(chǎng)屏蔽作用。

圖4 磁力線分布圖

耦合結(jié)構(gòu)線圈繞制和鐵芯布置方式確定后，系統(tǒng)耦合系數(shù)取決于電動(dòng)汽車進(jìn)行充電的?？课恢煤洼d重情況。電動(dòng)汽車?？课恢脽o(wú)法使車載能量拾取裝置和置于地面的能量發(fā)射裝置對(duì)齊時(shí)，耦合結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水平方向的錯(cuò)位偏移情況。電動(dòng)汽車載重大小會(huì)對(duì)車輛底盤高度產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)耦合結(jié)構(gòu)間豎直方向的氣隙產(chǎn)生影響。在Maxwell軟件三維靜態(tài)場(chǎng)中進(jìn)行參數(shù)化求解，獲取耦合系數(shù)隨豎直方向氣隙和水平方向偏移變化情況，如圖5所示。在未發(fā)生水平偏移條件下，耦合系數(shù)大小與初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)間氣隙大小成線性關(guān)系，隨著氣隙增加，耦合系數(shù)逐漸減小。在200 mm氣隙下，隨著初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)水平方向錯(cuò)位的增加，耦合系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

圖5 耦合系數(shù)與氣隙和偏移關(guān)系

4 聯(lián)合仿真分析

電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)是由電路部分和松耦合變壓器組成的系統(tǒng)，電路部分和松耦合變壓器存在相互影響，只有建立能夠同時(shí)進(jìn)行電磁場(chǎng)有限元分析和電路系統(tǒng)分析的仿真模型，才能更準(zhǔn)確的進(jìn)行無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。通過(guò)Maxwell靜態(tài)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)化分析，討論耦合系數(shù)和電感參數(shù)隨耦合結(jié)構(gòu)位置變化的關(guān)系。在Simplorer軟件建立系統(tǒng)電路模型，通過(guò)開(kāi)展聯(lián)合仿真的方法，對(duì)松耦合變壓器在系統(tǒng)中性能進(jìn)行分析。電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

在Maxwell軟件建立松耦合變壓器模型，其中初級(jí)側(cè)和次級(jí)豎直方向有200mm氣隙，且未發(fā)生水平偏移，將Maxwell中仿真模型導(dǎo)入到Simplorer軟件，其中聯(lián)合仿真狀態(tài)控制如圖6所示。

該仿真系統(tǒng)主要包括松耦合變壓器模型、初級(jí)側(cè)全橋逆變電路、功率補(bǔ)償電路、次級(jí)側(cè)整流濾波電路和逆變電路控制模塊。在Simplorer中通過(guò)建立狀態(tài)圖對(duì)全橋逆變電路進(jìn)行控制，其中載波頻率設(shè)置為850 kHz，信號(hào)波頻率為85 kHz。初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)均為電感線圈，為減少系統(tǒng)無(wú)功功率，提高系統(tǒng)傳輸效率需要對(duì)初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)進(jìn)行功率補(bǔ)償，初級(jí)和次級(jí)電路均采用串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。通過(guò)聯(lián)合仿真分析獲取松耦合變壓器兩端電路參數(shù)如表2所示。

聯(lián)合仿真過(guò)程中，Maxwell軟件和Simplorer軟件同時(shí)運(yùn)行，Maxwell主要負(fù)責(zé)耦合結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)有限元分析，將Simplorer產(chǎn)生的電信號(hào)作為激勵(lì)導(dǎo)入Maxwell模型，同時(shí)將有限元仿真產(chǎn)生的狀態(tài)空間方程計(jì)算并輸出到電路仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果顯示傳輸功率為3.65 kW，傳輸距離200 mm，未發(fā)生水平偏移條件下，松耦合變壓器兩側(cè)效率可達(dá)89.9%。因此，該松耦合變壓器結(jié)構(gòu)傳輸功率等級(jí)和效率滿足電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖6 聯(lián)合仿真狀態(tài)控制圖

表2 松耦合變壓器兩端參數(shù)

5 結(jié) 論

文中針對(duì)電動(dòng)汽車感應(yīng)耦合無(wú)線充電系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了新型松耦合變壓器。其中通過(guò)Maxwell有限元分析獲取的磁場(chǎng)分布圖，表明該裝置符合電動(dòng)汽車無(wú)線充電特性；由Maxwell軟件參數(shù)掃描分析，顯示該結(jié)構(gòu)耦合系數(shù)滿足偏移和氣隙變化要求；通過(guò)Maxwell和Simplorer聯(lián)合仿真分析表明，該結(jié)構(gòu)滿足電動(dòng)汽車對(duì)耦合裝置傳輸效率和功率等級(jí)的要求。該耦合結(jié)構(gòu)的提出，為電動(dòng)汽車無(wú)線充電松耦合變壓器設(shè)計(jì)和選擇提供一定參考。

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Simulation and study on loosely coupled transformer for wireless power transfer of electric vehicle

LI Qiu-sheng1，ZHANG Guo-xing1，LI Pei-ying2，LIU Wei-liang2，GUO Jin-wei3
（1.Mechanical and Electrical Engineering Institue，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China；2.Handan University，Handan 056038，China；3.College of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China）

The new loosely coupled transformer used for electric vehicle wireless charging system is designed.The performance of loosely coupled transformer needs to be tested when it is used for electric vehicle wireless charging system.The Constitution and principle of wireless charging system are described in detail.The relationship between the coupling coefficient and the transmission efficiency is analyzed. Based on Maxwell parametric analysis，the proposed coupled structure is analyzed.Particularly，the relationship of the position and the coupling coefficient is needed to be concerned.The method of cosimulation based on Simplorer software is utilized to analyze the performance of the loosely coupled transformer.The curve of coupling coefficient changing with gap and misalignment is obtained，and the parameters of voltage and current are obtained.With 200mm gap and no misalignment，the power of the system with proposed structure reaches 3.65kW，the transmission efficiency is 90.12%.The proposed loosely coupled transformer satisfies the requirement of electric vehicle wireless charging system.

electric vehicle；wireless power transfer；loosely coupled transformer；simulation

TN03

：A

：1674-6236（2017）08-0027-05

2016-08-02稿件編號(hào)：201608007

國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目（11272112）

李秋生（1959—），男，河北武邑人，碩士，教授。研究方向：機(jī)電設(shè)備開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。