电动汽车动态无线充电系统特性的研究*

郭彦杰，王丽芳，张俊智，张玉旺，张云

(1．中国科学院电工研究所，中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京100190; 2．清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084;3．北京电动车辆协同创新中心，北京100081)

电动汽车动态无线充电系统特性的研究*

郭彦杰1，2，王丽芳1，3，张俊智2，张玉旺1，张云1

(1．中国科学院电工研究所，中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京100190; 2．清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084;3．北京电动车辆协同创新中心，北京100081)

动态无线充电系统能显著减少电动汽车动力电池的质量与尺寸，具有广阔的应用前景。本文中首先基于分段式多发射导轨方案，建立了原边LCC阻抗匹配网络电动汽车动态无线充电系统的等效电路模型，进而推导出系统功率和效率的表达式;然后搭建实验平台并利用实际系统参数，研究以阻抗匹配网络补偿电容为代表的静态参数和动态无线充电过程中变化的动态互感参数对系统功率和效率特性的影响;最后通过实验对建立的模型和分析得到的结论进行了验证。

电动汽车;动态无线充电系统;功率效率特性;阻抗匹配网络

前言

充电技术是电动汽车研究和开发中的一个重要环节。相比传统的有线充电方式，电动汽车无线充电系统具有操作方便、用户体验好、节省空间、不受雨雪等不良天气影响等优点，能够对电动汽车充电技术的发展起到重要的推进作用。

电动汽车无线充电系统分为静止式(又称驻车无线充电)和移动式(又称行车无线充电)两类。后者能够在电动汽车运行过程中实现边走边充，进而显著减少动力电池的携带量，具有广阔的应用前景，因此受到越来越多的关注。在国外，新西兰奥克兰大学对移动式无线充电系统的模型和动态特性进行了研究［1］，并最早将大功率移动式无线充电技术应用于车间的搬运机车;2009年，韩国科学技术院(KAIST)开展了在线电动汽车(on-line electric vehicle，OLEV)［2］移动式无线充电项目，在系统功率、传输距离特性和实用化等方面进行了深入研究;美国北卡州立大学［3］和橡树林国家实验室(ORNL)［4］也开展了电动汽车移动式无线充电的研究，并建造了多线圈供电的移动式实验系统;此外，荷兰［5］、日本［6］、法国［7］和德国［8］的一些大学与研究机构也开展了相关的仿真和实验研究。

在国内，重庆大学一直从事无线能量传输技术的研究［9］，并提出了一种采用发射机构分布式并联、接收机构分布式串联模式的新型导轨式系统，实现了能效特性的总体提升。天津工业大学采用地面端多线圈结构方案，通过耦合模理论建立了高速列车移动式无线供电系统的数学模型［10］，并得出了获得最大传输能量的条件;哈尔滨工业大学采用多初级绕组并联的供电方案［11］，能够减小电动汽车在移动充电过程中传输效率的变化，保证供电的稳定性和高效性;另外，国内还有香港城市大学［12］、东南大学［13］、南京航空航天大学［14］等进行了相关研究。

从国内外研究成果中可以看到:相对于传统的静止式无线充电，电动汽车移动式无线充电系统面临的主要问题是地面发射导轨与车载接收线圈之间相对位置的动态变化，及其对系统功率和效率特性的影响;而国内相关文献对系统的动态特性关注较少。同时，阻抗匹配网络的静态参数在系统中也扮演着重要角色，直接关系到系统功率、效率特性和稳定性。只有综合考虑动态参数和静态参数，才能全面了解移动式无线充电系统的特性。因此，本文中针对原边LCC(电感-电容-电容)阻抗匹配网络的分段式多发射导轨电动汽车移动式无线充电系统，建立了其等效电路模型，重点分析了移动无线充电过程中变化的动态互感参数以及阻抗匹配网络静态参数对系统功率和效率特性的影响，最后通过实验对研究结果进行了验证。

1 移动式无线充电系统建模

1．1系统结构

电动汽车移动式无线充电系统有单一长发射导轨和分段式多发射导轨两种实现方案。前者具有结果简单、易于实现的优点，但即使没有电动汽车在发射导轨上运行充电，单一长导轨中依然通有电流，这就造成了额外的功率损耗和电磁辐射问题。所以，本文中采用分段式多发射导轨方案来实现电动汽车无线充电，其系统示意图如图1所示。

图1电动汽车移动式无线充电系统示意图

图1 中，随着电动汽车的前进，地面端发射导轨依次通电工作，使车载线圈能持续接收到能量，并为动力电池充电。整个系统的地面部分主要由电源、逆变器、一系列的发射导轨及其阻抗匹配网络组成;而车载部分主要由接收线圈及其阻抗匹配网络、整流器和动力电池负载组成。其中，发射导轨和车载接收线圈之间通过空间电磁场进行能量的无线传输。

1．2系统模型

由1．1节可以看出，发射导轨具有两种状态:一种是通电传输能量的工作状态;另一种是不通电的静息状态。因此，能够通过工作导轨和静息导轨这两种典型状态来代表一系列的多导轨，进而使建模过程得以简化。此外，原边LCC网络具有较好的匹配性能，故本文中采用该结构的阻抗匹配网络。

采用原边LCC阻抗匹配网络的电动汽车移动式无线充电系统的等效电路模型如图2所示。其中:地面部分采用两个回路分别代表静息导轨回路和工作导轨回路;Us1为静息导轨回路逆变器输出等效电压源;Us2为工作导轨回路逆变器输出等效电压源;L1s，C1s，C1p，R1s，R1p和L2s，C2s，C2p，R2s，R2p分别为静息导轨和工作导轨的LCC阻抗匹配网络及其杂散电阻;L1，R1，L2，R2和L3，R3分别为静息导轨、工作导轨和接收线圈的自电感和等效电阻; M12，M13，M23为静息导轨、工作导轨和接收线圈之间的互电感;C3s为接收线圈串联补偿电容;RL为等效电阻负载。

图2 电动汽车移动式无线充电系统等效电路模型

基于图2中的等效电路模型，能够求得矩阵形式的系统方程:

其中，系统各阻抗变量为

由于模型中等效电压源为已知量，故只需求出各电流变量，就能推导出系统功率和效率的表达式。以静息导轨逆变器输出电流Iinv1为例，首先利用系统方程求出其与等效电压源Us1之间的传递函数H11，及其与等效电压源Us2之间的传递函数H12:

其中，分母den的表达式为

静息导轨逆变器输出电流Iinv1的表达式为

采用上述方法能够计算系统中其它的电流变量。最后，得到系统输出功率和效率表达式:

式中real表示求复数的实部，以求得有功功率。

通过建立的系统模型和求得的功率效率表达式，能进一步量化分析系统的特性和系统各参数的影响。

2 基于实际参数的系统特性分析

2．1实验系统与参数

从1．2节中的建模过程可以看出，系统功率和效率几乎受系统中所有参数的影响。这就意味着如果要定量地分析系统特性，则须先确定系统参数的实际值。因此，搭建如图3所示的电动汽车移动式无线充电系统实验平台。与建模过程一致，实验平台通过工作导轨和静息导轨这两种典型状态代表一系列的多个导轨。同时，图3中以接收线圈与工作导轨对准的位置为坐标零点，还给出了实验平台上移动充电过程中接收线圈所处不同位置的距离标度，便于后续分析。

图3 移动式无线充电系统实验平台示意图

在建立的实验平台中，两个全桥单相逆变器分别给工作导轨和静息导轨回路供电;逆变器输入电压为150V，工作频率为50kHz;阻抗匹配网络的拓扑结构与图2一致，工作导轨和静息导轨回路均采用LCC网络，而接收线圈回路采用电容串联补偿;导轨和接收线圈均使用Litz线绕制而成，工作导轨和静息导轨为圆角矩形的盘式结构，两者尺寸均为72cm !27cm，而接收线圈为圆形盘式结构，直径为36cm;接收线圈通过二极管全桥整流器与电阻负载相连。

系统中的电阻值、电容值和自电感值，可通过LCR表直接测量。本文中的参数值是通过LCR表Agilent E4980A(20Hz～2MHz)测量得到的。其中，导轨和线圈的自电感值为L1=88.1μH，L2= 90.8μH，L3=230.5μH;阻抗匹配网络参数值:C1s= 198.6nF，C1p=264.1nF，C2s=198.7nF，C2p= 265.6nF，C3s=43.4nF。

此外，在移动充电过程中，导轨和接收线圈之间的互感M13和M23会发生变化，故在图4中给出了互感变化过程的测量结果。其中，互感值采用线圈开路-短路法测得［15］。测量范围为:从接收线圈对准工作导轨，即实验平台位置坐标0处，至接收线圈对准静息导轨，即实验平台位置坐标80cm处。测量位置的取值间隔为10cm。由图4可见:当接收线圈与导轨对准时，两者之间的互感最大;并且互感值会随着接收线圈与导轨之间偏移距离的增大而逐渐减小。

图4 互感变化过程实际测量结果

2．2系统特性分析

基于实验平台的实际参数，可利用建立的模型对系统特性进行研究。首先，分析系统静态参数对功率效率特性的影响。所谓静态参数，是指参数值不随移动充电过程而改变的一类参数。由于阻抗匹配网络对系统的特性有着重要影响，故选取其中的补偿电容为代表，进行静态参数的影响分析。以接收线圈和工作导轨对准的0位置为例，图5中给出了阻抗匹配网络电容参数对系统功率和效率特性的影响。其中，C2s的取值范围为170～260nF，变化间隔为10nF;C2p的取值范围为220～310nF，变化间隔为10nF;C3s的取值范围为25～65nF，变化间隔为5nF;参数取值范围参考实验平台中的实际值，以模拟实际情况，反映实际特性。

由图5(a)和图5(b)可见，发射导轨的串联和并联补偿电容对系统效率的影响不大，但会明显影响系统输出功率。同时，补偿电容值与输出功率之间的关系基本上是线性的。所以，可通过设计这两个电容的值，在保证系统高效的前提下调节其输出功率。另外，并联补偿电容对输出功率有更大的影响。这是由于并联补偿电容会改变逆变器负载阻抗的实部，因而使逆变器输出有功功率有更大的变化。图5(c)表明，接收线圈存在一个最优的串联补偿电容值。一旦偏离最优值，系统输出功率和效率都会明显下降。计算发现:这个最优补偿电容值与接收线圈电感值在系统工作频率下谐振。这说明接收线圈与其串联补偿电容处于谐振状态时，系统具有最高的输出功率和效率，能够达到最好的性能。

图5 阻抗匹配网络电容参数对系统特性的影响

然后，考虑系统动态参数，即在移动充电过程中动态变化的互感M13和M23，综合分析静态参数和动态参数对系统功率效率特性的影响。针对本文中特定的系统拓扑结构，选取3组不同的参数，并将图4中的互感实测结果代入到建立的系统模型中，得到系统功率和效率变化过程的计算结果，如图6所示。其中:测量位置的取值范围和变化间隔与图4一致;第1组参数采用2.1节中实验平台的实际参数值;第2组参数改变C2s的值为208.7nF，其他参数值保持不变;而第3组参数改变C2p的值为275.6nF，其他参数值保持不变。采用多组不同参数进行分析的目的是为了证明研究结果在原边LCC阻抗匹配网络的分段式多发射导轨系统中具有通用性。

从图6所示第1组参数的结果中可以看出，在移动无线充电的过程中，系统功率和效率都会出现波动。造成这种现象的原因为互感M13和M23变化的叠加作用，及其引起的地面导轨和车载接收线圈之间耦合强度的变化。一方面，图6(a)表明系统功率的波动较大。这就需要在设计系统时保留较大的功率裕量，以使系统在整个移动充电过程中的平均输出功率达到额定充电功率。另一方面，图6(b)表明系统效率的波动相对较小，在移动充电的大部分过程中能够达到90%以上，最小值也保持在80%左右，这说明系统具有较高的能量利用效率。

图6 基于实际参数的功率效率变化过程计算结果

综合分析3组不同参数的结果可知:采用3组参数的系统功率和效率均会出现波动，并且波动模式一致，均在车载接收线圈与每个地面导轨对准时功率和效率最大，而在车载接收线圈位于地面导轨之间时功率和效率最小;同时，3组参数均对系统效率影响较小，而对系统功率影响较大。上述结果都证明了本文中研究结果在特定拓扑结构下的通用性。从图6还可看出，在0位置上，第2和第3组参数都会提高输出功率，且第3组参数对输出功率的提升更为明显;这些都与由图5分析得到的结论一致，从而进一步证明了研究结果的正确性。特别需要注意的是，综合考虑动态参数和静态参数可知，第2和第3组参数对输出功率的影响会随着测量位置坐标的增大而减小，直至接近于零。这说明静态参数对系统特性的影响程度也与动态参数有关;当车载接收线圈与某个地面导轨对准时，该导轨回路静态参数对系统特性的影响最大;而当车载接收线圈逐渐远离某个地面导轨时，该导轨回路的静态参数的影响也会随之逐渐减小。

3 实验验证

利用建立的电动汽车移动式无线充电系统实验平台，对本文中的模型和分析得到的功率效率特性进行实验验证。首先，选取接收线圈和工作导轨对准的0位置，在图7中给出了该位置上工作导轨、静息导轨、逆变器等处实测的电压和电流波形。图7中的波形表明搭建的实验平台工作良好，工作导轨和静息导轨逆变器均工作在软开关状态。值得注意的是，工作导轨逆变器输出电流中含有少量三次谐波，使电流波形发生小幅畸变;而静息导轨逆变器输出电流中含有较多的三次谐波和其它奇次谐波，使其电流波形发生了严重畸变;而由于阻抗匹配网络的滤波作用，导轨和接收线圈中的电流基本是正弦波。

图7 系统电压电流实验波形

最后，通过实验验证动态参数和静态参数对系统特性的影响。动态参数对系统输出功率和效率影响如图8所示。其中，由图6可见，系统功率和效率在0～40cm和40～80cm两段内几乎对称，所以图8中仅给出了0～40cm范围内的实验结果。对比图8和图6可见，实验得到的系统输出功率和效率值略小于计算结果，这主要是由于建模过程中忽略了逆变器和整流器的损耗而引起的。但总的来说，实验结果与计算分析结果基本一致。

图8 输出功率和效率动态变化过程实验结果

而对于静态参数影响的实验验证，则通过在实验平台上分别改变补偿电容C2s和C3s的值来实现。在0位置上，改变补偿电容的值时，测得工作导轨中的电流波形如图9所示。由图可见，当C2s增加20nF后，工作导轨中的电流幅值小幅增加;采用功率分析仪测得的系统输出功率也由719.4W增加到763.1W;而当C3s增加10nF后，工作导轨中的电流幅值大幅下降，且相位也发生变化，这主要是由于接收线圈回路不再处于谐振状态，引起阻抗幅值和相角剧烈变化而造成的;对应的测量结果也显示系统输出功率下降到318.9W，效率也由89.6%下降到85.8%。上述结果与2.2节中的计算分析结果基本一致，从而验证了本文中建立的模型和分析得到的结论正确和有效。

图9 阻抗匹配网络静态参数影响实验结果

4 结论

本文中对分段式多发射导轨的电动汽车移动式无线充电系统进行分析，建立了其等效电路模型;计算得到了系统功率和效率的表达式;进而基于实际系统参数，研究了系统功率效率特性和各参数的影响;最后通过实验对模型和分析结论进行了验证。本文中的模型和结论虽然是基于特定系统得出的，但它具有一定的通用性，可对电动汽车移动式无线充电系统的设计和优化提供一定的指导作用。

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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

*国家自然科学基金(51507168)、北京市科技计划(D15110900290000)和汽车安全与节能国家重点实验室开放基金(KF16012)资助。

原稿收到日期为2016年7月6日，修改稿收到日期为2016年9月7日。

王丽芳，研究员，博士生导师，E-mail:wlf@mail．iee．ac．cn。