电动汽车无线供电系统电能发射与接收线圈的研究

左少林， 胥 飞， 车 赛， 骆 强

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

随着社会的发展，科技的进步，能源短缺和环境污染问题越来越受到各个国家的重视[1]。作为一项应对措施，无污染物排放的电动汽车得到越来越广泛的应用。然而，目前推广的电动汽车有很多弊端，比如充电时间长、充电地点受限、电池续航时间短、电池衰减严重等[2]。针对这些存在的问题，无线供电系统动态充电的研究受到世界各国的广泛关注[3-4]。在电动汽车动态充电过程中，能量发射和能量获取线圈是整个电动车辆感应耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer, ICPT)无线供电系统中最为重要的两部分。设计一种优良的发射和能量获取线圈结构不仅可以充分获取电能、提高充电效率而且还有良好的抗偏移能力[5-6]。近年来，许多国外研究小组对电动汽车无线供电系统的耦合机构进行了大量研究[7-10]，如主要对ICPT供电系统电磁耦合机构进行研究；设计对磁场能进行多方向拾取的静态电磁耦合机构；设计一种窄导轨形式能量发射线圈，实现了电能无线传输并应用于对动态大巴车的充电等。为了减少能量的损耗以及便于维修处理，提高系统的工作效率，基于ICPT技术的远程无线供电电动汽车的电能发射线圈系统应采用分段并且级联的形式[11-13]。目前，分段级联式电能发射线圈的系统结构主要采用直角矩形供电线圈级联方式，文献[14]提出了一种单阶梯形相嵌式电能发射导轨结构。实验结果表明，互感值波动率约为±8%，车辆拾取电压波动率约为±10%，但实验结果波动率仍然很大，对能量获取线圈的大小以及抗偏移能力并未做过多的研究，本文将对互感值波动进一步优化进行研究。

1 电动汽车ICPT供电系统

电动汽车能量传输系统如图1所示，包括3部分：信号发射系统、能量获取系统、电能发射系统。系统的运行过程如下：当汽车从右向左行驶时(即汽车由发射线圈1驶向发射线圈2)，车载信号发射系统通过信号发射线圈发射位置信号；而埋在地下的位置信号检测线圈一旦接收到该位置信号，控制系统将指令初级变换电路给发射线圈2及补偿线圈通电。这样，在能量获取线圈还未到达发射线圈2时，发射线圈2已经通电，且提前约半个车身导通。电动汽车在由发射线圈1充电切换到发射线圈2的充电过程中，能量获取线圈接收到的电能变化得到了尽可能的抑制，稳定连续的能量经过次级电能变换控制单元处理后供给电动机及蓄电池组，从而达到稳定的无线电能充电的目的。

图1 电动汽车能量传输系统

2 单阶梯形相嵌式电能传输线圈的参数设计方法

2.1 单阶梯形相嵌式电能发射线圈的主要参数

为了最大限度降低电动汽车在切换域过程中传输电能的波动，减少汽车运行中无线充电的不稳定，将对级联发射线圈的阶梯数、发射线圈的尺寸、匝数等参数进行分析。

在能量获取线圈与发射线圈宽度相同的情况下，结合工程中实际运用，增加发射线圈的阶梯数以及补偿线圈的个数，确认它是否会影响发射与能量获取线圈间的互感。单阶梯形相嵌式电能发射线圈即为文献[14]中所设计的一种全新的电能发射线圈，所有的参数标注均如图2所示。在图2(a)中，多阶梯形级联发射线圈由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3种线圈结构组成，Ⅱ代表长导轨发射线圈为运行域，Ⅰ、Ⅲ代表电能补偿发射线圈为切换域，该两组线圈匝数不完全相同，各个线圈的参数如下所示[19]：

d1=d3=d，l1=l3=l

(1)

N1=N3=Ns

(2)

(3)

式中：l1、l3分别为切换域Ⅰ、Ⅲ的长；d1、d3分别为切换域Ⅰ、Ⅲ的宽；N1、N3分别为切换域Ⅰ、Ⅲ的匝数；l、d、Ns分别对应切换域的长、宽以及匝数；L、D、Nr分别对应运行域Ⅱ的长、宽以及匝数。重要参数ζ0为运行域与切换域线圈的匝数比值，其值会直接影响无线供电电动汽车在切换域能否平稳过渡。

图2(b)为电能发射线圈衔接示意图，两个切换域之间相互内嵌，使前级线圈与后级线圈完美衔接。因此，电动车辆在无线充电的过程中达到了在切换域的完美充电实现。

图2 电能发射线圈绕线与级联示意图

2.2 单阶梯形相嵌式电能发射线圈设计方法

获取线圈结构采取最常见的矩形结构，线圈的长Lp、宽Dp及匝数Np和电能发射线圈运行域的长度可根据文献[15-16]中提出的线圈有效重合面积最大的设计方法并结合工程应用计算设定，将两线圈的垂直高度距离h设定为20 cm。为了便于研究，设置运行域线圈宽度与能量获取线圈宽度相同，为1.18 m，在运行域宽度与能量获取线圈宽度确定的情况下，能量获取线圈不同长度对获取电能产生的影响做了大量仿真与实验，从而寻求最优的设计方案使电动汽车在切换域能够平稳过渡。单阶梯形相嵌式在切换域的电能补偿发射线圈的匝数Ns受许多因素影响，具体计算分析如下。

文献[14]已对运行域及切换域的尺寸函数影响因素进行了研究，并表明发射线圈与能量获取线圈间的互感对ICPT能量获取线圈获取的电压以及最大输出功率起决定作用。根据纽曼公式，两线圈之间的互感在运行域、切换域的近似值Mr和Ms为

(4)

(5)

式中：μ0为空气磁导率，在仿真实验中，采用的是CGS单位制，设置值为1；f(L，D，Lp，h)、g(l，d，Lp，h)分别为运行域和切换域的尺寸函数。

根据互感恒定原则，ICPT供电电动汽车在多阶梯形相嵌式的电能发射线圈的不同位置处，互感恒定且相等，能使电动汽车在切换域平稳过渡，达到设计目的。由式(4)和式(5)可得最优匝数比为

(6)

Mr与Ms可以根据工程中实际要求来设计计算获得。由式(4)、式(6)以及f(L，D，Lp，h)便可求得阶梯形相嵌式电能发射线圈切换域的线圈匝数Ns。

2.3 基于COMSOL Multiphysics的仿真实验

用COMSOL验证所设计的多阶梯形相嵌式电能发射系统能否满足ICPT无线供电电动汽车在切换域时互感稳定性要求，基于COMSOL平台，设计以下方案，数据详见表1。

表1 h=20 cm电能发射系统以及矩形能量获取线圈参数

建立了矩形线圈用来对比，通过仿真得到获取线圈电能发射线圈切换域处的互感值波形图，其结果如图3所示。图中，s为获取线圈与切换域之间的相对位置距离。由图3明显可见，单阶梯形相嵌式在-300～300 mm过渡过程中，互感得到了有效的补偿。但在过渡过程中波动互感仍然较大，下面将重点探讨切换域发射线圈在多阶梯形相嵌式状态下对接收线圈的产生的影响。

图3 获取线圈处于不同位置的互感值波形

3 多阶梯形相嵌式发射系统的研究

3.1 多阶梯形相嵌式电能发射系统参数设计

在已有单阶梯形研究的基础上研究了多阶梯形相嵌式电能发射系统的设计方法，考虑到在工程实际中的运用，对2～4级阶梯形的发射线圈做了大量仿真工作，其绕线方式如图4所示。

图4 多级阶梯形相嵌式电能发射线圈绕线方式

为了与表1中数据进行对比，设置如表2所示的仿真参数。

表2 h=20 cm电能发射系统与矩形能量获取线圈的仿真参数

表2中，根据式(4)、式(5)、式(6)计算得到不同的l、d、Ns，结合仿真验证设计的可靠性，得到仿真互感波形如图5所示。

由图5互感仿真曲线可知，在车载电能获取线圈从-1 100 mm处开始进入到1 100 mm处离开切换域，整个过程能够维持互感相对稳定状态，且阶梯越多稳定性越好，但考虑到更多的阶梯预示着需要更多的补偿线圈和工程量，一般采用4阶梯形相嵌式互感波动率最小值6%为最优状态，而图3中矩形发射线圈不能维持相对稳定状态。

图5 获取线圈处于不同阶梯形互感值波形

3.2 多阶梯形相嵌式系统仿真模型与结果分析

用COMSOL Multiphysics仿真软件搭建无线供电系统的三维立体模型，多阶梯形相嵌式仿真结果如图6所示。

图6(a)、图6(b)分别为运行域和切换域磁通密度空间分布图，由图6可以明显看出，在切换域时，磁通密度产生了明显的变化，中间部分密度更强。在切换域磁场强度得到了显著加强，所以能有效对切换域进行互感补偿。

图6 运行域与切换域磁通与磁场强度分布图

4 结 论

基于恒定互感原理，研究了多阶梯形相嵌式电动汽车无线供电系统，并阐述了其设计方法和参数计算。通过COMSOL仿真平台，验证了多阶梯形相嵌式电能传输线圈系统可以在电动汽车切换域运行时有效改善互感衰减，确保获取电压稳定。结果表明：该方案的互感值波动率在6%以内，能够有效地解决ICPT无线供电电动汽车在动态充电过程中遇到导轨切换时互感急剧下降问题，满足了实际需求。