電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)特性的研究*

郭彥杰，王麗芳，張俊智，張玉旺，張?jiān)?/p>

(1．中國科學(xué)院電工研究所，中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190; 2．清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084;3．北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100081)

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)特性的研究*

郭彥杰1，2，王麗芳1，3，張俊智2，張玉旺1，張?jiān)?

(1．中國科學(xué)院電工研究所，中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190; 2．清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084;3．北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100081)

動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)能顯著減少電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的質(zhì)量與尺寸，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文中首先基于分段式多發(fā)射導(dǎo)軌方案，建立了原邊LCC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)的等效電路模型，進(jìn)而推導(dǎo)出系統(tǒng)功率和效率的表達(dá)式;然后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并利用實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)，研究以阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電容為代表的靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)無線充電過程中變化的動(dòng)態(tài)互感參數(shù)對系統(tǒng)功率和效率特性的影響;最后通過實(shí)驗(yàn)對建立的模型和分析得到的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。

電動(dòng)汽車;動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng);功率效率特性;阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

前言

充電技術(shù)是電動(dòng)汽車研究和開發(fā)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。相比傳統(tǒng)的有線充電方式，電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)具有操作方便、用戶體驗(yàn)好、節(jié)省空間、不受雨雪等不良天氣影響等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車充電技術(shù)的發(fā)展起到重要的推進(jìn)作用。

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)分為靜止式(又稱駐車無線充電)和移動(dòng)式(又稱行車無線充電)兩類。后者能夠在電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)邊走邊充，進(jìn)而顯著減少動(dòng)力電池的攜帶量，具有廣闊的應(yīng)用前景，因此受到越來越多的關(guān)注。在國外，新西蘭奧克蘭大學(xué)對移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)的模型和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究［1］，并最早將大功率移動(dòng)式無線充電技術(shù)應(yīng)用于車間的搬運(yùn)機(jī)車;2009年，韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)開展了在線電動(dòng)汽車(on-line electric vehicle，OLEV)［2］移動(dòng)式無線充電項(xiàng)目，在系統(tǒng)功率、傳輸距離特性和實(shí)用化等方面進(jìn)行了深入研究;美國北卡州立大學(xué)［3］和橡樹林國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)［4］也開展了電動(dòng)汽車移動(dòng)式無線充電的研究，并建造了多線圈供電的移動(dòng)式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);此外，荷蘭［5］、日本［6］、法國［7］和德國［8］的一些大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)也開展了相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)研究。

在國內(nèi)，重慶大學(xué)一直從事無線能量傳輸技術(shù)的研究［9］，并提出了一種采用發(fā)射機(jī)構(gòu)分布式并聯(lián)、接收機(jī)構(gòu)分布式串聯(lián)模式的新型導(dǎo)軌式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能效特性的總體提升。天津工業(yè)大學(xué)采用地面端多線圈結(jié)構(gòu)方案，通過耦合模理論建立了高速列車移動(dòng)式無線供電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型［10］，并得出了獲得最大傳輸能量的條件;哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用多初級(jí)繞組并聯(lián)的供電方案［11］，能夠減小電動(dòng)汽車在移動(dòng)充電過程中傳輸效率的變化，保證供電的穩(wěn)定性和高效性;另外，國內(nèi)還有香港城市大學(xué)［12］、東南大學(xué)［13］、南京航空航天大學(xué)［14］等進(jìn)行了相關(guān)研究。

從國內(nèi)外研究成果中可以看到:相對于傳統(tǒng)的靜止式無線充電，電動(dòng)汽車移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)面臨的主要問題是地面發(fā)射導(dǎo)軌與車載接收線圈之間相對位置的動(dòng)態(tài)變化，及其對系統(tǒng)功率和效率特性的影響;而國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性關(guān)注較少。同時(shí)，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)參數(shù)在系統(tǒng)中也扮演著重要角色，直接關(guān)系到系統(tǒng)功率、效率特性和穩(wěn)定性。只有綜合考慮動(dòng)態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)，才能全面了解移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)的特性。因此，本文中針對原邊LCC(電感-電容-電容)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的分段式多發(fā)射導(dǎo)軌電動(dòng)汽車移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)，建立了其等效電路模型，重點(diǎn)分析了移動(dòng)無線充電過程中變化的動(dòng)態(tài)互感參數(shù)以及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)參數(shù)對系統(tǒng)功率和效率特性的影響，最后通過實(shí)驗(yàn)對研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)建模

1．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)有單一長發(fā)射導(dǎo)軌和分段式多發(fā)射導(dǎo)軌兩種實(shí)現(xiàn)方案。前者具有結(jié)果簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但即使沒有電動(dòng)汽車在發(fā)射導(dǎo)軌上運(yùn)行充電，單一長導(dǎo)軌中依然通有電流，這就造成了額外的功率損耗和電磁輻射問題。所以，本文中采用分段式多發(fā)射導(dǎo)軌方案來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車無線充電，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1電動(dòng)汽車移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)示意圖

圖1 中，隨著電動(dòng)汽車的前進(jìn)，地面端發(fā)射導(dǎo)軌依次通電工作，使車載線圈能持續(xù)接收到能量，并為動(dòng)力電池充電。整個(gè)系統(tǒng)的地面部分主要由電源、逆變器、一系列的發(fā)射導(dǎo)軌及其阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成;而車載部分主要由接收線圈及其阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、整流器和動(dòng)力電池負(fù)載組成。其中，發(fā)射導(dǎo)軌和車載接收線圈之間通過空間電磁場進(jìn)行能量的無線傳輸。

1．2系統(tǒng)模型

由1．1節(jié)可以看出，發(fā)射導(dǎo)軌具有兩種狀態(tài):一種是通電傳輸能量的工作狀態(tài);另一種是不通電的靜息狀態(tài)。因此，能夠通過工作導(dǎo)軌和靜息導(dǎo)軌這兩種典型狀態(tài)來代表一系列的多導(dǎo)軌，進(jìn)而使建模過程得以簡化。此外，原邊LCC網(wǎng)絡(luò)具有較好的匹配性能，故本文中采用該結(jié)構(gòu)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

采用原邊LCC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)汽車移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)的等效電路模型如圖2所示。其中:地面部分采用兩個(gè)回路分別代表靜息導(dǎo)軌回路和工作導(dǎo)軌回路;Us1為靜息導(dǎo)軌回路逆變器輸出等效電壓源;Us2為工作導(dǎo)軌回路逆變器輸出等效電壓源;L1s，C1s，C1p，R1s，R1p和L2s，C2s，C2p，R2s，R2p分別為靜息導(dǎo)軌和工作導(dǎo)軌的LCC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)及其雜散電阻;L1，R1，L2，R2和L3，R3分別為靜息導(dǎo)軌、工作導(dǎo)軌和接收線圈的自電感和等效電阻; M12，M13，M23為靜息導(dǎo)軌、工作導(dǎo)軌和接收線圈之間的互電感;C3s為接收線圈串聯(lián)補(bǔ)償電容;RL為等效電阻負(fù)載。

圖2 電動(dòng)汽車移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)等效電路模型

基于圖2中的等效電路模型，能夠求得矩陣形式的系統(tǒng)方程:

其中，系統(tǒng)各阻抗變量為

由于模型中等效電壓源為已知量，故只需求出各電流變量，就能推導(dǎo)出系統(tǒng)功率和效率的表達(dá)式。以靜息導(dǎo)軌逆變器輸出電流Iinv1為例，首先利用系統(tǒng)方程求出其與等效電壓源Us1之間的傳遞函數(shù)H11，及其與等效電壓源Us2之間的傳遞函數(shù)H12:

其中，分母den的表達(dá)式為

靜息導(dǎo)軌逆變器輸出電流Iinv1的表達(dá)式為

采用上述方法能夠計(jì)算系統(tǒng)中其它的電流變量。最后，得到系統(tǒng)輸出功率和效率表達(dá)式:

式中real表示求復(fù)數(shù)的實(shí)部，以求得有功功率。

通過建立的系統(tǒng)模型和求得的功率效率表達(dá)式，能進(jìn)一步量化分析系統(tǒng)的特性和系統(tǒng)各參數(shù)的影響。

2 基于實(shí)際參數(shù)的系統(tǒng)特性分析

2．1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與參數(shù)

從1．2節(jié)中的建模過程可以看出，系統(tǒng)功率和效率幾乎受系統(tǒng)中所有參數(shù)的影響。這就意味著如果要定量地分析系統(tǒng)特性，則須先確定系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)際值。因此，搭建如圖3所示的電動(dòng)汽車移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。與建模過程一致，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過工作導(dǎo)軌和靜息導(dǎo)軌這兩種典型狀態(tài)代表一系列的多個(gè)導(dǎo)軌。同時(shí)，圖3中以接收線圈與工作導(dǎo)軌對準(zhǔn)的位置為坐標(biāo)零點(diǎn)，還給出了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上移動(dòng)充電過程中接收線圈所處不同位置的距離標(biāo)度，便于后續(xù)分析。

圖3 移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

在建立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，兩個(gè)全橋單相逆變器分別給工作導(dǎo)軌和靜息導(dǎo)軌回路供電;逆變器輸入電壓為150V，工作頻率為50kHz;阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖2一致，工作導(dǎo)軌和靜息導(dǎo)軌回路均采用LCC網(wǎng)絡(luò)，而接收線圈回路采用電容串聯(lián)補(bǔ)償;導(dǎo)軌和接收線圈均使用Litz線繞制而成，工作導(dǎo)軌和靜息導(dǎo)軌為圓角矩形的盤式結(jié)構(gòu)，兩者尺寸均為72cm !27cm，而接收線圈為圓形盤式結(jié)構(gòu)，直徑為36cm;接收線圈通過二極管全橋整流器與電阻負(fù)載相連。

系統(tǒng)中的電阻值、電容值和自電感值，可通過LCR表直接測量。本文中的參數(shù)值是通過LCR表Agilent E4980A(20Hz～2MHz)測量得到的。其中，導(dǎo)軌和線圈的自電感值為L1=88.1μH，L2= 90.8μH，L3=230.5μH;阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值:C1s= 198.6nF，C1p=264.1nF，C2s=198.7nF，C2p= 265.6nF，C3s=43.4nF。

此外，在移動(dòng)充電過程中，導(dǎo)軌和接收線圈之間的互感M13和M23會(huì)發(fā)生變化，故在圖4中給出了互感變化過程的測量結(jié)果。其中，互感值采用線圈開路-短路法測得［15］。測量范圍為:從接收線圈對準(zhǔn)工作導(dǎo)軌，即實(shí)驗(yàn)平臺(tái)位置坐標(biāo)0處，至接收線圈對準(zhǔn)靜息導(dǎo)軌，即實(shí)驗(yàn)平臺(tái)位置坐標(biāo)80cm處。測量位置的取值間隔為10cm。由圖4可見:當(dāng)接收線圈與導(dǎo)軌對準(zhǔn)時(shí)，兩者之間的互感最大;并且互感值會(huì)隨著接收線圈與導(dǎo)軌之間偏移距離的增大而逐漸減小。

圖4 互感變化過程實(shí)際測量結(jié)果

2．2系統(tǒng)特性分析

基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際參數(shù)，可利用建立的模型對系統(tǒng)特性進(jìn)行研究。首先，分析系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)對功率效率特性的影響。所謂靜態(tài)參數(shù)，是指參數(shù)值不隨移動(dòng)充電過程而改變的一類參數(shù)。由于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的特性有著重要影響，故選取其中的補(bǔ)償電容為代表，進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)的影響分析。以接收線圈和工作導(dǎo)軌對準(zhǔn)的0位置為例，圖5中給出了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電容參數(shù)對系統(tǒng)功率和效率特性的影響。其中，C2s的取值范圍為170～260nF，變化間隔為10nF;C2p的取值范圍為220～310nF，變化間隔為10nF;C3s的取值范圍為25～65nF，變化間隔為5nF;參數(shù)取值范圍參考實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的實(shí)際值，以模擬實(shí)際情況，反映實(shí)際特性。

由圖5(a)和圖5(b)可見，發(fā)射導(dǎo)軌的串聯(lián)和并聯(lián)補(bǔ)償電容對系統(tǒng)效率的影響不大，但會(huì)明顯影響系統(tǒng)輸出功率。同時(shí)，補(bǔ)償電容值與輸出功率之間的關(guān)系基本上是線性的。所以，可通過設(shè)計(jì)這兩個(gè)電容的值，在保證系統(tǒng)高效的前提下調(diào)節(jié)其輸出功率。另外，并聯(lián)補(bǔ)償電容對輸出功率有更大的影響。這是由于并聯(lián)補(bǔ)償電容會(huì)改變逆變器負(fù)載阻抗的實(shí)部，因而使逆變器輸出有功功率有更大的變化。圖5(c)表明，接收線圈存在一個(gè)最優(yōu)的串聯(lián)補(bǔ)償電容值。一旦偏離最優(yōu)值，系統(tǒng)輸出功率和效率都會(huì)明顯下降。計(jì)算發(fā)現(xiàn):這個(gè)最優(yōu)補(bǔ)償電容值與接收線圈電感值在系統(tǒng)工作頻率下諧振。這說明接收線圈與其串聯(lián)補(bǔ)償電容處于諧振狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)具有最高的輸出功率和效率，能夠達(dá)到最好的性能。

圖5 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電容參數(shù)對系統(tǒng)特性的影響

然后，考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)，即在移動(dòng)充電過程中動(dòng)態(tài)變化的互感M13和M23，綜合分析靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)對系統(tǒng)功率效率特性的影響。針對本文中特定的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選取3組不同的參數(shù)，并將圖4中的互感實(shí)測結(jié)果代入到建立的系統(tǒng)模型中，得到系統(tǒng)功率和效率變化過程的計(jì)算結(jié)果，如圖6所示。其中:測量位置的取值范圍和變化間隔與圖4一致;第1組參數(shù)采用2.1節(jié)中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際參數(shù)值;第2組參數(shù)改變C2s的值為208.7nF，其他參數(shù)值保持不變;而第3組參數(shù)改變C2p的值為275.6nF，其他參數(shù)值保持不變。采用多組不同參數(shù)進(jìn)行分析的目的是為了證明研究結(jié)果在原邊LCC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的分段式多發(fā)射導(dǎo)軌系統(tǒng)中具有通用性。

從圖6所示第1組參數(shù)的結(jié)果中可以看出，在移動(dòng)無線充電的過程中，系統(tǒng)功率和效率都會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)榛ジ蠱13和M23變化的疊加作用，及其引起的地面導(dǎo)軌和車載接收線圈之間耦合強(qiáng)度的變化。一方面，圖6(a)表明系統(tǒng)功率的波動(dòng)較大。這就需要在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)保留較大的功率裕量，以使系統(tǒng)在整個(gè)移動(dòng)充電過程中的平均輸出功率達(dá)到額定充電功率。另一方面，圖6(b)表明系統(tǒng)效率的波動(dòng)相對較小，在移動(dòng)充電的大部分過程中能夠達(dá)到90%以上，最小值也保持在80%左右，這說明系統(tǒng)具有較高的能量利用效率。

圖6 基于實(shí)際參數(shù)的功率效率變化過程計(jì)算結(jié)果

綜合分析3組不同參數(shù)的結(jié)果可知:采用3組參數(shù)的系統(tǒng)功率和效率均會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，并且波動(dòng)模式一致，均在車載接收線圈與每個(gè)地面導(dǎo)軌對準(zhǔn)時(shí)功率和效率最大，而在車載接收線圈位于地面導(dǎo)軌之間時(shí)功率和效率最小;同時(shí)，3組參數(shù)均對系統(tǒng)效率影響較小，而對系統(tǒng)功率影響較大。上述結(jié)果都證明了本文中研究結(jié)果在特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的通用性。從圖6還可看出，在0位置上，第2和第3組參數(shù)都會(huì)提高輸出功率，且第3組參數(shù)對輸出功率的提升更為明顯;這些都與由圖5分析得到的結(jié)論一致，從而進(jìn)一步證明了研究結(jié)果的正確性。特別需要注意的是，綜合考慮動(dòng)態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)可知，第2和第3組參數(shù)對輸出功率的影響會(huì)隨著測量位置坐標(biāo)的增大而減小，直至接近于零。這說明靜態(tài)參數(shù)對系統(tǒng)特性的影響程度也與動(dòng)態(tài)參數(shù)有關(guān);當(dāng)車載接收線圈與某個(gè)地面導(dǎo)軌對準(zhǔn)時(shí)，該導(dǎo)軌回路靜態(tài)參數(shù)對系統(tǒng)特性的影響最大;而當(dāng)車載接收線圈逐漸遠(yuǎn)離某個(gè)地面導(dǎo)軌時(shí)，該導(dǎo)軌回路的靜態(tài)參數(shù)的影響也會(huì)隨之逐漸減小。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用建立的電動(dòng)汽車移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對本文中的模型和分析得到的功率效率特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先，選取接收線圈和工作導(dǎo)軌對準(zhǔn)的0位置，在圖7中給出了該位置上工作導(dǎo)軌、靜息導(dǎo)軌、逆變器等處實(shí)測的電壓和電流波形。圖7中的波形表明搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作良好，工作導(dǎo)軌和靜息導(dǎo)軌逆變器均工作在軟開關(guān)狀態(tài)。值得注意的是，工作導(dǎo)軌逆變器輸出電流中含有少量三次諧波，使電流波形發(fā)生小幅畸變;而靜息導(dǎo)軌逆變器輸出電流中含有較多的三次諧波和其它奇次諧波，使其電流波形發(fā)生了嚴(yán)重畸變;而由于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的濾波作用，導(dǎo)軌和接收線圈中的電流基本是正弦波。

圖7 系統(tǒng)電壓電流實(shí)驗(yàn)波形

最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證動(dòng)態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)對系統(tǒng)特性的影響。動(dòng)態(tài)參數(shù)對系統(tǒng)輸出功率和效率影響如圖8所示。其中，由圖6可見，系統(tǒng)功率和效率在0～40cm和40～80cm兩段內(nèi)幾乎對稱，所以圖8中僅給出了0～40cm范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對比圖8和圖6可見，實(shí)驗(yàn)得到的系統(tǒng)輸出功率和效率值略小于計(jì)算結(jié)果，這主要是由于建模過程中忽略了逆變器和整流器的損耗而引起的。但總的來說，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算分析結(jié)果基本一致。

圖8 輸出功率和效率動(dòng)態(tài)變化過程實(shí)驗(yàn)結(jié)果

而對于靜態(tài)參數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，則通過在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上分別改變補(bǔ)償電容C2s和C3s的值來實(shí)現(xiàn)。在0位置上，改變補(bǔ)償電容的值時(shí)，測得工作導(dǎo)軌中的電流波形如圖9所示。由圖可見，當(dāng)C2s增加20nF后，工作導(dǎo)軌中的電流幅值小幅增加;采用功率分析儀測得的系統(tǒng)輸出功率也由719.4W增加到763.1W;而當(dāng)C3s增加10nF后，工作導(dǎo)軌中的電流幅值大幅下降，且相位也發(fā)生變化，這主要是由于接收線圈回路不再處于諧振狀態(tài)，引起阻抗幅值和相角劇烈變化而造成的;對應(yīng)的測量結(jié)果也顯示系統(tǒng)輸出功率下降到318.9W，效率也由89.6%下降到85.8%。上述結(jié)果與2.2節(jié)中的計(jì)算分析結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了本文中建立的模型和分析得到的結(jié)論正確和有效。

圖9 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文中對分段式多發(fā)射導(dǎo)軌的電動(dòng)汽車移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立了其等效電路模型;計(jì)算得到了系統(tǒng)功率和效率的表達(dá)式;進(jìn)而基于實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)，研究了系統(tǒng)功率效率特性和各參數(shù)的影響;最后通過實(shí)驗(yàn)對模型和分析結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。本文中的模型和結(jié)論雖然是基于特定系統(tǒng)得出的，但它具有一定的通用性，可對電動(dòng)汽車移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)作用。

［1］HAO H，COVIC G A，BOYS J T．An approximate dynamic model of LCL-T based inductive power transfer power supplies［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29(10):5554－5567．

［2］KO Y D，JANG Y J．The optimal system design of the online electric vehicle utilizing wireless power transmission technology［J］．IEEE Transactions on Intelligent Transportation System，2013，14 (3):1255－1265．

［3］KIBOK L，PANTIC Z，LUKIC S M．Reflexive field containment in dynamic inductive power transfer systems［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29(9):4592－4602．

［4］MILLER J，ONAR O，WHITE C，et al．Demonstrating dynamic wireless charging of an electric vehicle:the benefit of electrochemical capacitor smoothing［J］．IEEE Power Electronics Magazine，2014，1(1):12－24．

［5］CHOPRA S，BAUER P．Driving range extension of evwith on-road contactless power transfer-a case study［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(1):329－338．

［6］EAN K K，KAI S，SUKPRASERT P，et al．Two-transmitter wireless power transfer with LCL circuit for continuous power in dynamic charging［C］．IEEE PELS Workshop on Emerging Technologies: Wireless Power(WoW)，2015:1－6．

［7］CAILLIEREZ A，GORI P A，SADARNAC D，et al．2．4 kW prototype of on-road wireless power transfer:modelling concepts and practical implementation［C］．17th European Conference on Power Electronics and Applications(EPE＇15 ECCE-Europe)，2015:1－9．

［8］TURKI F，STAUDT V，STEIMEL A．Dynamic wireless EV charging fed from railway grid:grid connection concept［C］．International Conference on Electrical Systems for Aircraft，Railway，Ship Propulsion and Road Vehicles(ESARS)，2015:1－5．

［9］王智慧，胡超，孫躍，等．基于輸出能效特性的IPT系統(tǒng)磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(19):26－31．

［10］張獻(xiàn)，蘇杭，楊慶新，等．諧振耦合無線傳能高速列車系統(tǒng)最大傳輸效率的研究［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(S1):308－312．

［11］宋凱，朱春波，李陽，等．用于電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)供電的多初級(jí)繞組并聯(lián)無線電能傳輸技術(shù)［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35 (17):4445－4453．

［12］ZHANG W，WONG S C，TSE C K，et al．An optimized track length in roadway inductive power transfer systems［J］．IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2014，2(3):598－608．

［13］CHEN Zhong，JING Wuwei，HUANG Xueliang，et al．A promoted design for primary coil in roadway-powered system［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2015，51(11):1－4．

［14］李明碩，陳乾宏，侯佳，等．一種具有聚磁作用的軌道式非接觸變壓器［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(10):25－32．

［15］ZHU Qingwei，WANG Lifang，LIAO Chenglin．Compensate capacitor optimization for kilowatt-level magnetically resonant wireless charging system［J］．IEEE Transaction on Industrial Electronics，2014，61(12):6758－6768．

A Research on Characteristics of Dynamic Wireless Charging System for Electric Vehicles

Guo Yanjie1，2，Wang Lifang1，3，Zhang Junzhi2，Zhang Yuwang1＆Zhang Yun1
1．Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive，Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190; 2．Tsinghua University，State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy，Beijing 100084; 3．Collaborative Innovation Center for Electric Vehicles in Beijing，Beijing 100081

Dynamic wireless electric vehicle(EV)charging system has the advantage of significantly reducing the weight and size of power batteries carried by EV with wide application prospects．In this paper，the equivalent circuit model for dynamic wireless EV charging system with primary side LCC impedance matching network is established first，based on segmented multi－track scheme，with expressions of system power and efficiency derived．Then，an experimental platform is built and the parameters of actual system are used to study the influences of system static parameters，with the compensation capacitor of impedance matching networks as representative，and the dynamic mutual inductance parameters changed in dynamic wireless charging process on the power and efficiency characteristics of system．Finally，experiments are conducted to verify the established model and corresponding analysis conclusions drown．

EVS;dynamic wireless charging system;power and efficiency characteristics;impedance matching network

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．006

*國家自然科學(xué)基金(51507168)、北京市科技計(jì)劃(D15110900290000)和汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(KF16012)資助。

原稿收到日期為2016年7月6日，修改稿收到日期為2016年9月7日。

王麗芳，研究員，博士生導(dǎo)師，E-mail:wlf@mail．iee．a(chǎn)c．cn。