电动汽车动态充电中耦合结构研究及其效率分析

吴晓康， 杨庆新， 张 献， 祝丽花， 娄贵鑫

(电工电能新技术天津市重点实验室， 天津工业大学， 天津 300387)

电动汽车动态充电中耦合结构研究及其效率分析

吴晓康， 杨庆新， 张 献， 祝丽花， 娄贵鑫

(电工电能新技术天津市重点实验室， 天津工业大学， 天津 300387)

针对电动汽车无线充电技术中充电电池体积大、充电时间长、续航能力不足等问题，本文提出了一套发射线圈可选择性开断的电动汽车动态充电方案。该方案基于近场谐振式无线电能传输原理，对发射线路和接收线路耦合结构进行研究。通过数学模型变换，探讨了系统电能传输效率关系，并对系统实验平台进行搭建，经过分析电动汽车动态充电过程，得出接收线路不同位置时线路耦合情况及系统传输效率变化规律。经过实验，得出在进一步改进线路结构后，系统电能传输效率平均提升18%，并在70%左右保持稳定趋势，满足实际应用需要。

电动汽车; 动态充电; 耦合结构; 效率分析

1 引言

电动汽车具有清洁污染小、能量转化效率高、结构简单、维修便捷等优点，被称为“21世纪的绿色环保汽车”。传统电动汽车充电时，充电电缆频繁插拔过程中存在安全性隐患，通过充电桩充电的模式耗时长，且存在数量少、维修不便等问题[1]。因此，电动汽车的无线充电方式被认为是大势所趋，未来将有可能成为电动汽车的主要充电方式之一[2]。

在当前技术中，电动汽车的无线充电方式主要分为驻车充电和动态充电。驻车无线充电是指汽车停放在特定位置进行静态充电。20世纪90年代，美国通用汽车公司(GM)的分公司最先研制商业化电动汽车的感应耦合充电器，该技术用于静态下GM的EV1型电动车充电。但受充电电池容量、能量密度等问题的限制，电动汽车的续航能力成为驻车无线充电技术的发展瓶颈[3,4]。动态无线充电技术概念是电动汽车在道路上行驶过程中自动充电。自2009年2月以来，韩国科学技术院(KAIST)陆续进行了包括高尔夫球车、大型巴士、SUV等多款车型在内的电动汽车驾驶中无线充电实验，并在2015年开始全力开发1MW级的电动汽车动态充电技术，计划5年内完成该技术的应用推广[5,6]。

动态充电技术作为电动汽车的新型充电方式，其原理是将发射线路埋于路面之下，当装有接收线圈的电动汽车通过该路面时，电能持续不断地传输给电池，实现电动汽车动态充电。然而，在电动汽车的动态充电发射端设计中，往往使用两条平行排列的直导线，这种线路虽然铺设简单，但是，当地面线圈长时间通电时，线路损耗存在较大的能源浪费，线路元器件连续工作也会严重缩短其使用寿命[7,8]。为解决上述问题，本文基于电磁共振式无线充电技术，提出了一套发射线路可选择开断的供电方案，即将一系列发射线路分隔一定距离埋入路面，线路可根据电动汽车行驶位置选择性开断，为电动汽车传送能量，从而实现电动汽车动态充电过程中能量传递的节能、高效。在这套系统中，本文着重对发射线路及接收线路的拓扑结构模型进行研究分析，并模拟电动汽车动态充电过程，通过实验验证该线路结构的可行性。

2 发射线路选择性供电拓扑结构原理分析

2.1 发射线路可选择性开断工作原理

发射线路选择性开断原理如图1所示。当装有接收线圈的电动汽车通过该路面时，电动汽车的车载通信与道路入口端的接口通信自动连接，入口通信控制安装在所有发射线路上的传感器开启，此时与每个线路相连的传感器都处于断开状态。当电动汽车行驶到发射线路L11(图1(a)所示位置)时，线路L11通电工作，线路L12待机；当电动汽车行驶到图1(b)所示位置时，发射线路L11、L12同时工作；当电动汽车行驶到图1(c)所示位置时，线路L11断电，线路L12继续工作。依次类推，发射线路选择性开断，通电线路与车载接收线路近场谐振，通过无线电能传输方式把电能传递给车载端，分阶段为电动汽车不断充电，实现电动汽车动态充电过程。

图1 发射线路选择性开断工作原理图Fig.1 Working principle diagram of selective opening of the emission coil

2.2 耦合结构拓扑原理分析

与用两根直导线实现无线充电的供电器不同，本文对发射和接收线路结构进行新的设计，耦合结构拓扑结构图如图2所示。根据实际应用中道路宽度与电动汽车尺寸比例关系，在线路选取中，图2(a)和图2(b)分别代表发射线路和接收线路，发射线路L1i用8线圈串联而成，而接收线路L2则用4个线圈串联，线圈底部均加入了磁屏蔽装置。

图2 发射端可选择性开断拓扑电路图Fig.2 Topology circuit diagram of selectively opened emitter

在电动动态充电过程中，电动汽车与接收端线路位置是时刻变化的，电能从发射线路传到接收线路过程中，发射和接收电路漏感较大，励磁电感较小，会导致系统传输效率下降[9,10]。因此，在电路拓扑结构中，发射和接收端线路中均采用电容串联补偿方式，发射端线路可选择性开断电路拓扑模型如图2(c)所示。

图2中，Us为电压源，I1i、I2分别为发射端和接收端电流，Mi和Mi+1分别为发射线路L1i、L1(i+1)与接收线路L2之间互感，R0为电源内阻，R1i、R2分别为发射线路与接收线路内阻，RL为负载电阻，L1i、L2分别为发射线路和接收线路自感，Si、Si1和Si2代表不同的继电器。由发射线路选择性开断工作原理可知，电动汽车动态充电过程可以分为以下两个阶段讨论。

(1)当电动汽车移动到图1(b)位置时，继电器Si1、Si和S(i+1)2闭合，其他继电器断开，两相邻发射线路L1i、L1(i+1)串联为电动汽车供电，此时I1i=I1(i+1)= I1，回路电压方程的矩阵形式可表示为：

(1)

式中，i=1,2,…,n；Zt、Zs分别为初级回路与次级回路阻抗，可表示为：

(2)

式中，定义R1i=R1(i+1)=R1, L1i=L1(i+1)=L1, C1i=C1(i+1)=C1。本文采用有载品质因数来衡量线圈性能，并定义Q1=ωL1/(R0+R1)为发射回路的有载品质因数，Q2=ωL2/(R2+RL)为接收回路的有载品质因数。当系统发生谐振时，发射回路和接收回路的固有频率相同，等于电源频率，即

(3)

因此系统的电能传输效率ηb可表示为：

(4)

式中，耦合系数ki和ki+1定义为：

(5)

(2)当电动汽车移动到图1(c)位置时，继电器Si1、Si断开，S(i+1)1、S(i+1)2闭合，只有单个发射线路L1(i+1)为电动汽车供电，此时，系统的电能传输效率ηc可表示为：

(6)

在电动汽车动态充电过程中，发射线路与接收线路的耦合系数k随着电动汽车位置移动而时刻发生变化。由式(4)和式(6)可知，除耦合系数ki和ki+1外，其他参数近似为常数，系统的传递效率η主要与线路耦合系数成非线性关系，并随着耦合系数ki和ki+1的增大而增大。

3 动态充电过程中系统效率数值仿真

当电动汽车行驶入充电线路充电过程中，随着电动汽车位置的不同，线路耦合情况及系统传输效率也会发生变化。为研究整个动态充电过程中系统效率的变化情况，本文在电动汽车动态充电过程中，选取电动汽车从图1(a)到图1(c)过程进行代表性研究，其他位置效率变化情况同理。本文对电动汽车的耦合结构进行模拟搭建，在模拟动态充电过程中，使用阻抗分析仪对耦合结构互感进行实时测量，并根据互感值对相应位置下的耦合系数k及效率值η采用Matlab进行仿真分析。

由文献[11]可知，根据电动汽车非接触式充电系统 “J2954”标准，本文将系统工作频率设定为85kHz，该电路拓扑模型参数值如表1所示。

在模拟动态充电过程中，根据互感测量及Matlab仿真结果，近场谐振系统的耦合系数及效率值随电动汽车水平位移变化的波形如图3所示。

由图3可以看出，在模拟电动汽车动态充电中，随着接收线路从0位移逐渐进入发射线路过程，发射和接收线路的耦合系数及系统的效率逐渐提升，完全进入发射线圈范围后，发射和接收线路的耦合系数基本保持稳定，系统的传递效率也维持在70%以上并基本保持恒定。但是，当接收线路移动到两个发射线圈空隙位置时，发射和接收线路的耦合系数有明显的下降，系统的传递效率也出现较大波动，从70%下降到5%。

表1 电动汽车在线充电系统实验参数Tab.1 Coil parameters of transmitting coil and receiving coil

图3 耦合系数及效率随接收线圈位移变化Fig.3 Coupling coefficient and efficiency variation with displacement of receiving coil

4 接收线圈结构改进

由图3可以看出，实验过程中，系统效率出现了不稳定情况。接收线路在两发射线路空隙位置移动时，随着磁场强度减小，耦合系数ki和ki+1随互感变化急剧下降，由式(4)可知，系统效率与ki+ki+1成正相关，所以效率值随之出现严重波动。

因此，为了解决上述问题，本文在发射线路及接收线路各参数保持不变情况下，对接收线路的结构进行改进，改进后的接收线路结构如图4所示，此时D=50mm。本文通过改变D值后，当接收线路在两发射线路的空隙位置时，仍处于两发射线路有效磁场强度范围之内，ki+ki+1不会出现骤降，减缓了ki+ki+1的变化趋势，从而减小系统效率波动。

图4 接收线圈结构改进前后对比图Fig.4 Comparison of receiving coil before and after improvement

为区别表示，下文将改进前后的接收线路分别简化为接收线路Ⅰ、接收线路Ⅱ表示。为验证改进接收线路后系统效率变化情况，现对改进后线路耦合系数及效率值进行仿真分析。接收线路Ⅱ耦合系数和效率随水平位移变化的仿真结果如图5所示。

图5 耦合系数及效率随接收线圈Ⅱ位移变化Fig.5 Coupling coefficient and efficiency change with displacement of receiving coil Ⅱ

当接收线路Ⅱ在两发射线路空隙位置移动过程中，ki随发射线路有效磁场距离的增大而成对数指数下降，进入下一个发射线路有效磁场范围后又随距离增大成对数指数上升，因此图5中曲线会出现两次极值。同时，由图5可以看出，在接收线路结构改进后，发射和接收线路的耦合系数没有像接收线路Ⅰ(图3)那样出现明显的下降，达到了减小系统效率波动的目的。

5 系统实验验证

本文中，为验证电动汽车动态充电过程数值仿真的准确性，改进接收线路理论分析的合理性，以及改进接收线路后系统整体性能变化，对电动汽车动态充电的系统模型进行搭建。系统实验平台如图6所示。图6中标注从左到右依次为：数字电源、频率自跟踪电源、功率计、电动汽车、发射线路。接收线路安装在电动汽车的底盘之下，发射线路与接收线路垂直距离为5cm，电动汽车运行功率为20W。为避免空间漏磁场对电动汽车与电脑终端实时通信装置影响，在接收端线圈与汽车底盘之间加入了磁屏蔽装置。

图6 电动汽车动态充电系统实验平台Fig.6 Experimental platform of online charging system for electric vehicle

该实验样机中，发射及接收端都安装有四通道可实时通信示波器，该通信装置可在电动汽车动态移动过程中实时检测发射及接收端的电压、电流及效率变化关系。在电动汽车动态充电实验过程中，随机选取一组示波器数据波形，如图7所示。

图7 系统实验电压与电流参数波形图Fig.7 System experimental voltage and current parameters

图7中，由输入电压电流以及接收端谐振电压电流波形可以看出，电流、电压波形稳定，系统处于完全谐振状态。同时，由示波器中显示的谐振频率可以看到，在电动汽车动态充电过程中，系统谐振频率基本维持在85.34kHz左右，满足电动汽车无线充电频率标准[12,13]。

为验证改进接收线路结构后系统效率变化关系，在电动汽车动态充电过程中，该样机分别对接收线路Ⅰ时系统效率η1与改进后接收线路Ⅱ时系统效率η2进行对比实验。接收线路Ⅰ与接收线路Ⅱ在动态移动过程中系统效率对比如图8所示。

图8 接收线圈Ⅰ、Ⅱ下系统效率对比图Fig.8 Comparison of efficiency of receiving coil I and II

可以看出，η的实验值与仿真结果保持一致的趋势，由于仿真分析中忽略了器件内阻，会存在一定误差，而且实验过程中，电动汽车速度及行驶过程中车体震动都会对实验结果产生影响。当电动汽车速度较快时，会减小ki的变化趋势，因此图8中效率曲线更加平滑，波动更小。经过实验可以得出，当系统稳定工作之后，接收线路Ⅱ与接收线路Ⅰ相比较，传输效率平均提升18%，最大提升达到58%。当接收线圈移动到两个发射线圈空隙位置时，系统的传输效率也在70%左右并保持稳定趋势。

6 结论

在线式无线充电技术作为电动汽车的新型充电方式，解决了目前电动汽车充电电池体积大、充电时间长、续航能力不足等问题。在电动汽车动态充电过程中，本文着重对发射线路及接收线路的结构模型进行设计，并通过实验分析线路结构可行性，得出了如下结论：

(1)通过电动汽车动态充电模式，提出了一套发射线路选择性开断供电方案，研究并分析了一种新型发射线路和接收线路结构，该方案能够分阶段为电动汽车不断充电，实现电动汽车动态充电过程中能量传输的节能、高效。

(2)通过发射端选择性开断原理，对松耦合变压器数学模型进行变换，得到了电动汽车动态充电过程中，系统效率与线路间耦合系数、发射接收回路品质因数、接收线路及负载内阻等参数之间的关系。该效率值主要受相邻线路间耦合系数ki和ki+1影响，两数值之和越大系统效率越高。

(3)通过接收线路的结构进行改进，经实验分析得出，在电动汽车动态充电过程中，改进后的接收线路与改进前相比，系统电能传输效率平均提升18%，在两发射线路空隙位置，效率提升最大达到58%，并稳定保持在70%左右，不会出现明显波动，符合实际应用需求。

[1] Y Hori. Future vehicle society based on electric motor, capacitor and wireless power supply[A]. 2010 International Power Electronics Conference (IPEC) [C]. 2010. 2930-2934.

[2] 廖承林, 李均锋, 马中原(Liao Chenglin, Li Junfeng, Ma Zhongyuan). 无线电能传输技术在电动汽车无线充电中的应用(Application of radio transmission technology in wireless charging of electric vehicle)[J]. 现代物理知识(Modern Physics), 2015,27(2):51-53.

[3] 曹玲玲, 陈乾宏, 任小永, 等(Cao Lingling, Chen Qianhong, Ren Xiaoyong, et al). 电动汽车高效率无线充电技术的研究进展(Review of the efficient wireless power transmission technique for electric vehicles)[J]. 电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society), 2012, 27(8):1-13.

[4] 杨民生, 王耀南, 张细政, 等(Yang Minsheng, Wang Yaonan, Zhang Xizheng, et al.). 电动汽车新型感应充电系统的设计(Design of a novel inductive charging system for electric vehicles)[J]. 汽车工程(Automotive Engineering), 2009, 31(8):719-724.

[5] Budhia Mickel, Boys Johnt, Covic Granta, et al. Development of a single-sided flux magnetic coupler for electric vehicle IPT charging systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(1): 318-328.

[6] Y Kaneko, S Abe. Technology trends of wireless power transfer systems for electric vehicle and plug-in hybrid electric vehicle[A]. 2013 IEEE 10th International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS) [C]. 2013. 1009-1014.

[7] Guho Jung, Boyune Song, Seungyong Shin, et al. High efficient Inductive power supply and pickup system for on-line electric bus[A]. 2012 IEEE International Electric Vehicle Conference (IEVC) [C]. 2012. 1-5.

[8] G A Covic, M L G Kissin, D Kacprzak, et al. A bipolar primary pad topology for EV stationary charging and highway power by inductive coupling[A]. 2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) [C]. 2011. 1832-1838.

[9] 张献, 杨庆新, 陈海燕, 等(Zhang Xian, Yang Qingxin, Chen Haiyan, et al.). 电磁耦合谐振式无线电能传输系统的建模、设计与实验验证(Modeling and design and experimental verification of contactless power transmission systems via electromagnetic resonant coupling)[J]. 中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE), 2012,32(21):153-158.

[10] 张献, 杨庆新, 崔玉龙, 等(Zhang Xian, Yang Qingxin, Cui Yulong, et al.). 大功率无线电能传输系统能量发射线圈设计、优化与验证(Design optimization and verification on the power transmitting coil in the high-power wireless power transmission system)[J]. 电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society), 2013,28(10):12-18.

[11] Murat Yilmaz, Philip T Krein. Review of battery charger topologies, charging power levels, and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013,28(5):2151-2169.

[12] Jaegue Shin, Seungyong Shin, Yangsu Kim, et al. Design and implementation of shaped magnetic-resonance-based wireless power transfer system for roadway-powered moving electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014,61(3):1179-1192.

[13] Young Dae Ko, Young Jae Jang. The optimal system design of the online electric vehicle utilizing wireless power transmission technology[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2013, 14(3): 1255-1265.

Coil structure study and efficiency analysis for the driving wireless charging system of electric car

WU Xiao-kang, YANG Qing-xin, ZHANG Xian, ZHU Li-hua, LOU Gui-xin

(Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387, China)

In view of the weakness of wireless charging technology in the application of electric car, such as too large volume of battery, long charging time and low mileage, the paper proposes a new charging design. The emission coil of the charging system is featured that it can selectively be connected and cut. Based on principle of near field electromagnetic resonance in the wireless transmission theory, the emission coil and receiving coil have been reconstructed. The efficiency of electric energy transmission is studied through mathematical model and an experimental platform is constructed. By the analysis of EV dynamic charging process, the relation between the coupling of circuits at different locations of the receiving circuit and the efficiency of transmission is obtained. The experiment shows that after the improvement of the circuit construction the power transmission efficiency of the system can be increased by an average of 18%, and can be maintained stably at about 70%, which meets the needs of practical application.

electric car; charging in driving; coupling structure; efficiency analysis

2016-01-12

国家自然科学基金项目(51477117； 51307120； 51237005)、 天津市自然科学基金青年项目(15JCQNJC01900)

吴晓康(1991-)， 男， 河南籍， 硕士研究生， 研究方向为无线电能传输； 杨庆新(1961-)， 男， 河北籍， 教授， 博士， 研究方向为工程电磁场与磁技术。

TM72

A

1003-3076(2016)09-0008-06