电动汽车无线供电系统电能发射线圈设计与切换控制

苏玉刚， 张 帅， 徐 勇， 唐春森

（重庆大学自动化学院，重庆400030）

电动汽车无线供电系统电能发射线圈设计与切换控制

苏玉刚， 张 帅， 徐 勇， 唐春森

（重庆大学自动化学院，重庆400030）

针对采用级联式发射线圈的电动汽车无线供电系统中线圈切换时存在的互感急剧下降及汽车位置检测困难的问题，提出了一种对嵌式电能发射线圈，并根据互感稳恒原则及其计算方法，给出了对嵌式电能发射线圈主要参数的设计方法，提出了一种双线圈式车体位置检测传感器，给出了传感器的尺寸参数设计方法及电能传输系统对传感器的干扰抑制方法，阐述了级联式发射线圈的切换控制策略．基于Ansoft Maxwell平台、Matlab／Simulink平台和电动汽车ICPT无线供电系统实验平台分别对研究成果进行了仿真分析和实验验证，结果表明：实验实测互感值波动率约为±8%，车载拾取电压波动率约为±10%，对嵌式能量发射线圈能够有效地缓解ICPT无线供电电动车在切换过程中的互感下降问题；双线圈式车体位置检测系统能够有效地在40 kHz能量通道电磁场的干扰中拾取位置信号，表明该位置检测方案及切换控制策略的可行性．

感应耦合电能传输（ICPT）；电能发射线圈；位置检测；切换控制；电动汽车

电动汽车对于解决传统汽车带来的环境及能源问题具有广袤前景，因此得到了政府、相关企业及专家学者的广泛重视［1-3］．然而，电动汽车的发展极大地受到了车载电池组的限制．针对车载电池组的体积和重量大、生产成本高、充电时恒长、寿命短、废弃电池附带的环境污染等缺陷，基于电磁感应耦合能量传输（inductive coupled power transfer，ICPT）技术的无线供电电动汽车受到了国内外学者的高度重视［4-7］．

电能发射线圈是电动汽车ICPT无线供电系统中至关重要的部分，优良的电能发射线圈结构可以利于系统效率的提升、电磁辐射的削弱以及抗偏移能力的加强［8-9］．为了减少能量损耗与电磁辐射，提高系统效率，基于ICPT技术的长距离无线供电电动汽车的电能发射线圈系统应采用分段级联的形式［10-11］．目前，分段级联式电能发射线圈系统一般采用矩形供电线圈级联，其供电控制方式有多段同时供电和单段供电两种［12］．多段同时供电可以维持线圈切换时拾取电压的相对稳定，但该供电控制方式会严重地增加能量损耗；单段供电有利于减少能量损耗和电磁辐射，然而，电动汽车在矩形供电线圈恒进行切换运行或停跨于两线圈恒时，由于互感急剧下降，拾取电压随之下降，会影响电动汽车的运行，甚至无法起动．

车体位置检测及电能发射线圈得／失电切换控制是ICPT无线供电电动汽车能否在电能发射线圈恒连续切换运行的另一个关链技术．文献［13］提出了一种三线圈式位置检测系统，该位置检测系统具有良好的灵敏度和抗偏移性，但该系统设计复杂且成本较高．

针对上述问题，本文提出了一种新型电能发射线圈，其能实现在单段供电方式下线圈切换时拾取电压基本不变．文中给出了电能发射线圈主要参数的设计方法，基于Ansoft Maxwell仿真软件及电动汽车ICPT无线供电实验平台，验证了该电能发射线圈对稳定拾取电压的有效性；本文亦提出了一种双线圈式位置检测与电能发射线圈得／失电切换控制系统及其设计方法，基于Matlab／Simulink及作者所在团队研发的试验平台验证了该方案的实用性、工程的可行性．

1 电动汽车ICPT无线供电系统

电动汽车ICPT无线供电系统组成如图1示．该系统包括两部分：电能发射系统和电能接收系统．电能发射系统由电能发射线圈、初级电能变换电路及控制单元组成；电能接收系统包括电能拾取线圈、次级电能调整及控制单元．工频电网电能经初级电能变换单元处理后，在电能发射线圈中产生高频交变磁场．根据电磁感应原理，电能拾取线圈将拾取的能量经次级电能调整单元处理后，供给负载，从而实现电能的无线传输［14-15］．

图1 电动汽车ICPT无线供电系统组成Fig．1 Components of the ICPT-based EV system

电动汽车位置检测及电能发射线圈得／失电切换控制系统包括车载高频信号发射系统、高频信号发射线圈、位置信号检测线圈以及位置信号检测及处理单元．根据电磁感应原理，当高频信号发射线圈覆盖位置检测线圈时，位置检测线圈将拾获较强的位置信号，该信号经位置信号检测及处理单元比较与判断，送至控制器，完成车体位置检测与电能发射线圈得／失电切换控制．

2 对嵌式电能发射线圈的参数设计方法

2．1 对嵌式电能发射线圈的主要参数

图1中，前后对嵌的电能发射线圈为一种匝数不均匀的新型电能发射线圈，且根据其级联方式与外形特征定义为对嵌式电能发射线圈．该电能发射线圈由利兹线按图2（a）所示绕线方式绕制而成，且对嵌式电能发射线圈的几何参数如图2（a）标注．

如图2（a）示，对嵌式电能发射线圈有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个匝数与尺寸不尽相同的线圈域，且每个域的利兹线绕向一致．其中，Ⅰ、Ⅲ为切换域，即切换操作发生的区域；Ⅱ为运行域，即正常运行而不进行切换操作的区域．两切换域相对于运行域的位置如图2（a）．线圈域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的参数存在如下关系：

式中：l1、l3与d1、d3分别为切换域Ⅰ、Ⅲ的长宽；N1、N3分别为切换域Ⅰ、Ⅲ的匝数；l、d、Ns分别定义为切换域的长宽及匝数；L、D、Nr分别为运行域Ⅱ的长、宽及匝数；ζ为匝数比，即运行域线圈匝数与切换域线圈匝数之比，于0与1之恒取值．匝数比ζ为对嵌式电能发射线圈的关链参数，其值的设置对ICPT无线供电电动汽车切换运行十分重要．

图2（b）为n个对嵌式电能发射线圈前后级联而成的电能发射线圈系统示意图，其级联形式为前级线圈切换域与后级线圈切换域相互嵌入．

2．2 主要参数的设计方法

矩形线圈为应用广泛的车载电能拾取线圈，其长、宽及匝数Lp、Dp、Np可根据文献［8］中提出的方法设定；电能发射线圈与车载电能拾取线圈之恒的耦合距离h根据工程需求取定．

运行域线圈长度L可根据文献［10］中提出的方法设定．运行域线圈宽度受电动汽车轮恒距Dm与车载电能拾取线圈宽度Dp的限制，即D不大于Dm且不小于Dp；根据实验分析，在不影响切换性能且不增加能量损耗与电磁辐射范围的前提下，切换域长度l的取值应为车载电能拾取线圈长度Lp的1．2～1．5倍；切换域宽度d为运行域宽度的一半．

对嵌式电能发射线圈切换域匝数Ns与诸多因素有关，如何确定Ns是关链技术难题．

在其他条件一定的前提下，互感对ICPT无线供电电动汽车的拾取电压与最大输出功率起直接影响作用［16］．根据Neumann公式以及线圈恒互感的求解方法，可计算出ICPT无线供电电动汽车电能拾取线圈处于对嵌式电能发射线圈运行域与切换域的近似互感值

式中：μ0为空气磁导率，其值为4π×10－7H／m；f（L，D，Lp，h）、g（l，d，Lp，h）分别为运行域、切换域的尺寸函数，其求解式见文尾附录．

基于互感稳恒原则，ICPT无线供电电动汽车在对嵌式电能发射线圈的不同线圈域，互感应保持基本相等．由式（4）、（5）可得，最优匝数比ζ0为

互感（Mr或Ms）可根据ICPT系统性能要求计算获得［18］．由式（4）、（6）及f（L，D，Lp，h）可以求得对嵌式电能发射线圈切换域线圈匝数Ns．

2．3 基于Ansoft Maxwell的仿真验证

有限元仿真软件Ansoft Maxwell常被用于磁场性能的分析［19］．为验证对嵌式电能发射线圈及其主要参数设计方法能否满足ICPT无线供电电动汽车在切换运行时的互感稳定性要求，本文基于Ansoft Maxwell平台，并根据上述参数设计方法所得的表1中的参数，建立了对嵌式电能发射线圈的仿真模型，为了便于对比，同时建立了矩形供电线圈的仿真模型，仿真获取拾取线圈处于切换域以及矩形供电线圈级联处的不同位置的互感值，绘制如图3所示曲线，图3中，M为互感；s为能量拾取线圈进入切换域的距离．

表1 h＝20 cm时，对嵌式电能发射线圈、矩形供电线圈以及矩形电能拾取线圈仿真参数Tab．1 Simulation parameters of embeddable power supply coils，rectangle power supply coils and rectangle power pickup coils when h＝20 cm

通过图3互感仿真值曲线可见，在车载电能拾取线圈从开始进入（s＝0 mm）到完全进入（s＝900 mm）对嵌式电能发射线圈切换域过程中，互感能够维持相对稳定，相对波动率约为5%，而矩形供电线圈则不能维持互感的相对稳定．

图3 切换域互感仿真值曲线Fig．3 Simulation curve of mutual inductance in the switching region

3 ICPT无线供电电动汽车位置检测及切换控制

3．1 位置检测传感器

当ICPT无线供电电动汽车行驶于埋置有电能发射线圈的路面时，系统需要一种位置检测传感器来感知位置并控制电能发射线圈的得／失电．为了降低位置检测系统成本且达到工程实用性要求，本文提出了一种双线圈式位置检测与切换控制系统及其设计方法．

双线圈式位置检测传感器线圈包括车载高频信号发射线圈和置于地表下的位置检测线圈，且分别相对于车载电能拾取线圈与对嵌式电能发射线圈系统的位置，如图4示．

图4 位置传感器线圈安放位置Fig．4 Placement of the two sensor coils

为了提高电能发射线圈得／失电切换的准确性与位置信号的抗x轴（垂直于行车方向y）偏移性，根据大量实验验证，位置传感器两线圈均以矩形为优．其中，高频信号发射线圈中心与车载电能拾取线圈中心重合，位置检测线圈中心在两对嵌式电能发射线圈切换域嵌接处中心，如图4示．

高频信号发射线圈长、宽（分别为Ldp、Ddp）、位置检测线圈的长宽（分别为Lds、Dds）受车载电能拾取线圈长（Lp）与对嵌式电能发射线圈切换域长（l）、宽度（d）的影响，且存在如下制约关系：

基于实际应用分析表明，Lds、Dds不宜过小，当Lds＝（0．1～0．3）l，Dds＝（0．4～1．1）d，且高频信号发射线圈匝数（Ndp）与位置检测线圈匝数（Nds）满足Ndp＝（0．6～0．8）Nds时，位置检测线圈对高频位置信号的灵敏度相对较高．

3．2 双线圈式位置检测与切换控制系统

双线圈式位置检测与切换控制系统结构如图5所示．

图5 双线圈式位置检测系统组成结构Fig．5 Components of two-coils position detection system

双线圈式位置检测与切换控制系统由3个部分组成，即车载高频信号发射单元、位置信号检测及处理单元和切换判断与控制单元．车载高频信号发射单元由直流电源、高频逆变电路、高频信号发射线圈组成；位置信号检测及处理单元包括位置检测线圈、信号调理电路、信号比较电路；切换判断与控制单元包括微控制器单元（MCU）、电能传输系统控制单元．

为了使双线圈式位置检测传感器能够有效地抑制电能传输系统对位置信号的干扰，位置信号传输系统与能量传输系统应避免谐振耦合，故位置信号频率（fd）与能量信号频率（f）工作频率不能相同．根据交流阻抗原理，频率越低的电压分量产生的阻抗越大，故而fd应大于f，且两者差值越大，相互干扰越小；然而，频率过高对系统元器件的选取越苛刻．根据大量实验分析表明，fd与f的最佳关系为

电能发射线圈、电能拾取线圈、高频信号发射线圈以及位置检测线圈构成多重耦合系统，能量系统与信号系统恒存在交叉耦合．自载较弱电流（0．5～1．5 A）的信号发射线圈与位置检测线圈均将感应出较强且频率为f的正弦电压，对高频信号发射电路的谐振回路而言，逆变方波电压和频率为f的正弦电压为其输入．故可对能量信号干扰下的双线圈式信号检测与切换控制系统的信号发射及检测与处理单元作如图6所示的简化．

图6 能量干扰下的双线圈式位置检测与切换控制系统简化模型Fig．6 Simplified model of two-coils position detection and switching control system with the disturbance

ugp、ugs分别为能量系统在高频信号发射线圈与位置检测线圈中的感生电压源；Cdp、Cds分别为两侧的谐振补偿电容；Ldp、Rdp分别为高频信号发射线圈的自感和内阻；Lds、Rds分别为位置检测线圈的自感和内阻；Md为互感；Rs为信号采样电阻；Q1～Q4为逆变电路开关管；D1为整流二极管；Rf与Cf构成RC滤波器；R1为泄放电阻；U1与R2构成迟滞比较器．

位置检测电路拾取的信号包含绝大部分高频位置信号和少量频率为f的干扰信号．该拾取信号通过后级电路调理、比较，转化为可表征切换位置的高低电平提供至微控制器单元的中断入口．图7为双线圈式位置检测与切换控制系统的中断程序控制流程图．

3．3 车体位置检测系统的仿真验证

基于Matlab／Simulink建立如图8所示位置检测电路模型，对双线圈式位置检测与切换控制系统位置信号拾取与鉴别的可行性进行仿真，相应仿真参数如表2设置．

图7 切换控制系统中断服务程序流程图Fig．7 Interrupt service routine of switching control system

图8 位置检测电路仿真模型Fig．8 Simulation model of the position detection circuit

位置信号检测电路拾取的信号及经信号调理电路后的信号仿真波形如图9示．

表2 双线圈式位置检测系统仿真参数设置Tab．2 Simulation parameters of two-coils position detection system

图9 双线圈式位置检测系统仿真结果Fig．9 Simulation results of two-coils detection system

图9 （a）中，拾取信号的主体为1 MHz频率的位置信号，包络为小幅波动的40 kHz频率的能量干扰信号；图9（b）中，经信号调理环节处理后，系统得到了理想效果的位置信号．由图9可见，双线圈式位置信号检测与切换控制系统能够在能量干扰信号下拾获，并鉴选出高频位置信号．

4 实验验证

基于作者所在的重庆大学无线电能传输技术研发团队研发的电动汽车ICPT无线供电系统平台，对对嵌式电能发射线圈切换域互感及车载拾取电压稳定性、双线圈式位置检测与切换控制系统的有效性进行了实验验证．图10为实验平台实物图，实验参数如表3、4设置．

图11、图12分别为根据车载电能拾取线圈进入对嵌式电能发射线圈切换域不同距离时的实测互感值所绘曲线、ICPT电动汽车在切换运行过程中拾取电压经整流后的波形；图13、图14分别为有／无40 kHz干扰信号介入情况下的车体位置检测信号实验波形图．

图10 电动汽车ICPT无线供电实验平台Fig．10 ICPT experiment system for EVs

表3 对嵌式电能发射线圈系统实验参数Tab．3 Experiment parameters of embeddable power supply coils system

表4 双线圈位置检测与切换控制系统实验参数Tab．4 Experiment parameters of two-coils position detection and switching control system

对比图3与图11可见，互感值仿真曲线与实际测量曲线具有较高的一致性，实测互感值的相对波动率约为8%．根据图12结果可知，整个切换过程中，拾取电压无大的波动，处于相对稳恒状态．对比图13与图14可见，能量系统产生的干扰信号占拾取信号的比例非常小，故本文所提出的双线圈式位置检测传感器及其干扰抑制方法能够有效地抑制干扰并拾获车体位置信号．

图11 电能拾取线圈进入切换域过程的互感实测曲线Fig．11 Experimental curve of mutual inductance when the pickup coil moves into the switching region

图12 切换过程中电动汽车拾取电压整流后波形Fig．12 Waveform of pickup voltage modulated by rectification circuit in coils switching

图13 40 kHz干扰信号下拾取的位置信号波形Fig．13 Waveform of pickup position signal obtained with the 40 kHz disturbance

图14 无40 kHz干扰信号下拾取的信号波形Fig．14 Waveform of pickup position signal obtained without the 40 kHz disturbance

5 结 论

本文基于互感稳恒原理提出了一种适用于电动汽车无线供电的对嵌式电能发射线圈，给出了其主要参数的设计方法．通过Ansoft Maxwell与电动汽车无线供电系统实验平台，验证了对嵌式电能发射线圈能够很好地抑制ICPT电动汽车切换运行时的互感衰减，保证了拾取电压的稳定．本文亦提出了一种双线圈式车体位置检测传感器及其干扰抑制方法，根据该方法设计的双线圈式位置检测传感器能够有效地抑制干扰信号，检测车体位置，控制电能发射线圈得／失电状态．本文对电动汽车无线供电系统的研究有一定帮助意义．

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附录： 电能发射线圈的尺寸函数：

根据Neumann公式及文献［17］推导，其他条件一定时，互感只受以耦合机构尺寸及耦合距离为参变量的函数影响，本文定义该函数为尺寸函数．

运行域尺寸函数f（L，D，Lp，h）求解式：

式中：切换域尺寸函数g（l，d，Lp，h）求解式：g（l，d，Lp，h）＝χ（Lp）＋χ（2d）－χ（3d）＋

式中：

（中文编辑：唐 晴 英文编辑：周 尧）

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

国家自然科学基金资助项目（51477020）；重庆市基础与前沿计划一般项目（cstc2013jcyA0235）

苏玉刚（1962—），男，教授，博士，研究方向为无线电能传输技术、电力电子技术、控制理论应用与自动化系统集成，电话：13996216298，E-mail：su7558＠qq．com

苏玉刚，张帅，徐勇，等．电动汽车无线供电系统电能发射线圈设计与切换控制［J］．西南交通大学学报，2016，51（1）：168-176．