電動汽車動態無線充電耦合結構設計與仿真

李盈　龔國慶　蔡立

摘 要：電動汽車動態無線電能傳輸問題的研究對于解決電動汽車電池瓶頸問題具有重要意義。文章依據無線電能傳輸原理，設計了符合實際應用條件的耦合結構，確定了耦合結構的基本參數。通過仿真計算，分析了耦合系數變化規律以及磁場強度分布特點，計算了傳輸功率與效率，并對無線電能傳輸系統提出改進建議。所提出的方法能夠滿足道路行駛條件，為耦合結構設計提供參考，并為電動汽車動態無線充電導軌設計提供幫助。

關鍵詞：電動汽車;無線電能傳輸;耦合結構;實際應用

中圖分類號：U469.72 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-05-04

Abstract：?Research on the dynamic wireless power transfer problem of electric vehicles is of great significance for solving the bottleneck problem of electric vehicles. According to the principle of wireless power transfer， this paper designs a coupling structure that meets the practical application conditions and determines the basic parameters of the coupling structure. Through the simulation calculation， the variation law of the coupling coefficient and the distribution characteristics of the magnetic field intensity are analyzed， the transmission power and efficiency are calculated， and the improvement suggestions for the wireless power transfer system are proposed. The proposed method can meet the road driving conditions， provide a reference for the design of the coupling structure， and help the design of dynamic power transfer wireless charging rails for electric vehicles

.Keywords： Electric vehicle; Wireless power transfer; Coupling structure;

Practical applicationCLC NO.：?U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-05-04

前言

隨著人們生活水平不斷提高，環境與能源問題越來越引起人們的重視。國家針對環境保護和能源危機發布了一系列的政策法規，鼓勵發展新能源汽車，并推進高功率快充、無線充電、移動充換電等技術。

近年來，越來越多的科研人員加入到無線電能傳輸（Wireless Power Transfer，WPT）的研究中來。其中部分科研人員致力于研究電磁耦合機構，針對線圈結構參數（線徑、線圈半徑、匝數等）、線圈數量、線圈相對位置等方面進行研究以提高無線電能傳輸功率和效率[1-4]。以上文章均沒有考慮到電動汽車在路面上行駛進行動態無線電能傳輸時，實際路面信息以及車身參數對耦合結構設計的影響。

本文基于單發射單接收電路拓撲結構，對無線電能傳輸系統進行分析。結合實際應用條件，設計一種符合實際使用條件的耦合結構模型。利用有限元軟件對所設計模型進行靜態和動態的仿真分析，并驗證其傳輸功率、效率是否滿足實際需要，并對無線電能傳輸系統提出改進意見。

1?無線電能傳輸原理

1.1 無線電能傳輸系統選擇

電動汽車無線供電導軌分為長導軌式和分段導軌式[5]。長導軌式結構簡單、供電方便，但損耗嚴重、效率低。分段導軌式能減少電能損耗、利與維修。SS型諧振電路基本補償拓撲結構在負載較小時有較好的傳輸效率和功率[6]。因此，本文選取帶有SS型補償拓撲結構的分段導軌式無線電能傳輸系統進行研究。

1.2 無線電能傳輸系統選擇

SS型電路拓撲結構如圖1所示。其中US為電源，CP和CS分別為初級和次級的調諧電容，LP和LS分別為初級和次級的電感，RP和RS分別為初級和次級電路內阻，RL為負載電阻。

2?耦合結構設計

2.1 影響因素

電動汽車在行駛時，其車身參數、道路條件均影響耦合結構參數的選擇，如表1所示。

結合上述影響因素和限制條件，得出設計流程如圖2所示。

2.2 設計步驟

2.2.1 初、次級線圈尺寸范圍

電動汽車車身參數中寬度范圍一般為1550mm-2100mm，汽車單側外后視鏡長度160-180mm[7]，因此汽車所占寬度范圍為1870-2460mm。根據《城市道路工程設計規范》，一條機動車道最小寬度應符合：當車速>60km/h時，大型車或混行車道為3.75m、小客車專業車道為3.5m;當車速≤60km/h時，大型車或混行車道為3.5m、小客車專業車道為3m。

汽車行駛在機動車道示意圖如圖3所示，當汽車行駛至距地面鋪設耦合結構橫向最遠位置時，如保證兩耦合結構向下垂直投影有重疊部分，耦合結構尺寸應滿足如下條件：

式中：WC為機動車道寬度;W為車輛寬度（包括兩側外后視鏡）;S1、S2分別為初、次級線圈結構基本尺寸。

由于機動車道越寬、汽車寬度越小，初、次級耦合結構重疊部分越少，所設計耦合結構尺寸越大。為適用于各類車型，本文選取極限數值，即WC為3750mm，?W為1800mm。最終算得耦合結構尺寸S應大于925mm，本文選取1000mm。

2.2.2 耦合結構纏繞方式、匝數

螺旋狀耦合結構與平面耦合結構相比[8]耦合系數小，且所占空間大，不適宜導軌鋪設及車上安裝使用。因此，本文選取矩形平面螺旋結構。線圈匝數越大，耦合系數越高。但線圈匝數過大會導致耦合結構質量過大，材料使用過多。本文選取耦合線圈線徑R為0.2cm、匝數N為30匝。

2.2.3 耦合距離

電動汽車最小離地間隙120-140mm居多，本文選取130mm。道路鋪設導軌時，耦合線圈位置距離地面還需要一定距離。兩線圈耦合距離選d為20cm作為研究對象。

綜上，本文選取初始模型（初、次級耦合結構相同），其參數如表2所示。

3 仿真分析

按照上述設計流程對耦合結構進行設計后，利用有限元軟件Maxwell對所設計模型進行仿真分析，聯合Simplorer軟件，把所設計耦合模型放入SS型電路中，仿真計算傳輸功率、效率是否達到要求。

以添加參數的方式模擬汽車動態行駛時耦合結構的相對位置。分別添加參數X、Y、Z模擬汽車沿側向偏移時的耦合狀態、汽車前進行駛時的耦合狀態、底盤距初級線圈的距離變化。通過耦合系數大小來判斷傳輸效率高低[9]。

圖4中，汽車從遠處逐漸行駛靠近初級線圈。初、次線圈完全重疊時，耦合系數最大為0.299。當汽車左右偏移41cm時，耦合系數仍有0.1。即汽車在距離道路邊緣約有50cm的距離，為駕駛員防止汽車發生刮碰留出的安全距離。

如圖5中，在初、次級線圈相對距離越來越遠時，耦合系數急劇變小。當距離為20cm時，耦合系數仍有0.299。所設計耦合結構可以滿足汽車無線電能傳輸。

耦合線圈材料為銅線，仿真材料采用純銅，其密度為8.93g/cm3。在Maxwell中，通過仿真計算，可以查看單側耦合結構質量7707g，遠小于一般電動汽車上電池質量。

圖6為電路達到諧振狀態時，耦合結構周圍磁場強度分布情況。由圖可以看出，次級線圈能夠接收部分初級線圈發射的能量。圖7為諧振狀態下電源和負載電阻功率圖。從圖中可以看到，電源輸出功率約為200W，負載接收功率約為20W。即穩定狀態時，傳輸效率為10%左右。

4 結果分析

由上述仿真結果可以看出，所設計耦合結構的傳輸功率、傳輸效率偏低。導致其傳輸功率、效率過小的原因由如下：

（1）仿真時采用的電路為簡化的電路模型，缺少了無線電能傳輸系統中電能變換相關電路結構，影響了傳輸功率、效率的數值大小。

（2）電路元器件參數的選擇對傳輸功率、效率具有很大影響。本文選取的部分參數并不是最優參數，會影響傳輸功率、效率的數值大小，不能使傳輸效率最大化。

5 結論

本文提出結合實際應用條件對耦合結構進行設計的方法，通過分析道路寬度、車身參數、最小離地間隙、材料使用、行駛安全等影響因素設計耦合結構初始模型。結合仿真分析，把設計的耦合結構放入電路中計算傳輸功率、效率。所設計的耦合結構減小了材料的使用，能夠滿足道路行駛條件，但功率、效率還需提高。

參考文獻

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