电动汽车动态无线充电耦合结构设计与仿真

李盈　龚国庆　蔡立

摘 要：电动汽车动态无线电能传输问题的研究对于解决电动汽车电池瓶颈问题具有重要意义。文章依据无线电能传输原理，设计了符合实际应用条件的耦合结构，确定了耦合结构的基本参数。通过仿真计算，分析了耦合系数变化规律以及磁场强度分布特点，计算了传输功率与效率，并对无线电能传输系统提出改进建议。所提出的方法能够满足道路行驶条件，为耦合结构设计提供参考，并为电动汽车动态无线充电导轨设计提供帮助。

关键词：电动汽车;无线电能传输;耦合结构;实际应用

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：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

随着人们生活水平不断提高，环境与能源问题越来越引起人们的重视。国家针对环境保护和能源危机发布了一系列的政策法规，鼓励发展新能源汽车，并推进高功率快充、无线充电、移动充换电等技术。

近年来，越来越多的科研人员加入到无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）的研究中来。其中部分科研人员致力于研究电磁耦合机构，针对线圈结构参数（线径、线圈半径、匝数等）、线圈数量、线圈相对位置等方面进行研究以提高无线电能传输功率和效率[1-4]。以上文章均没有考虑到电动汽车在路面上行驶进行动态无线电能传输时，实际路面信息以及车身参数对耦合结构设计的影响。

本文基于单发射单接收电路拓扑结构，对无线电能传输系统进行分析。结合实际应用条件，设计一种符合实际使用条件的耦合结构模型。利用有限元软件对所设计模型进行静态和动态的仿真分析，并验证其传输功率、效率是否满足实际需要，并对无线电能传输系统提出改进意见。

1 无线电能传输原理

1.1 无线电能传输系统选择

电动汽车无线供电导轨分为长导轨式和分段导轨式[5]。长导轨式结构简单、供电方便，但损耗严重、效率低。分段导轨式能减少电能损耗、利与维修。SS型谐振电路基本补偿拓扑结构在负载较小时有较好的传输效率和功率[6]。因此，本文选取带有SS型补偿拓扑结构的分段导轨式无线电能传输系统进行研究。

1.2 无线电能传输系统选择

SS型电路拓扑结构如图1所示。其中US为电源，CP和CS分别为初级和次级的调谐电容，LP和LS分别为初级和次级的电感，RP和RS分别为初级和次级电路内阻，RL为负载电阻。

2 耦合结构设计

2.1 影响因素

电动汽车在行驶时，其车身参数、道路条件均影响耦合结构参数的选择，如表1所示。

结合上述影响因素和限制条件，得出设计流程如图2所示。

2.2 设计步骤

2.2.1 初、次级线圈尺寸范围

电动汽车车身参数中宽度范围一般为1550mm-2100mm，汽车单侧外后视镜长度160-180mm[7]，因此汽车所占宽度范围为1870-2460mm。根据《城市道路工程设计规范》，一条机动车道最小宽度应符合：当车速>60km/h时，大型车或混行车道为3.75m、小客车专业车道为3.5m;当车速≤60km/h时，大型车或混行车道为3.5m、小客車专业车道为3m。

汽車行驶在机动车道示意图如图3所示，当汽车行驶至距地面铺设耦合结构横向最远位置时，如保证两耦合结构向下垂直投影有重叠部分，耦合结构尺寸应满足如下条件：

式中：WC为机动车道宽度;W为车辆宽度（包括两侧外后视镜）;S1、S2分别为初、次级线圈结构基本尺寸。

由于机动车道越宽、汽车宽度越小，初、次级耦合结构重叠部分越少，所设计耦合结构尺寸越大。为适用于各类车型，本文选取极限数值，即WC为3750mm， W为1800mm。最终算得耦合结构尺寸S应大于925mm，本文选取1000mm。

2.2.2 耦合结构缠绕方式、匝数

螺旋状耦合结构与平面耦合结构相比[8]耦合系数小，且所占空间大，不适宜导轨铺设及车上安装使用。因此，本文选取矩形平面螺旋结构。线圈匝数越大，耦合系数越高。但线圈匝数过大会导致耦合结构质量过大，材料使用过多。本文选取耦合线圈线径R为0.2cm、匝数N为30匝。

2.2.3 耦合距离

电动汽车最小离地间隙120-140mm居多，本文选取130mm。道路铺设导轨时，耦合线圈位置距离地面还需要一定距离。两线圈耦合距离选d为20cm作为研究对象。

综上，本文选取初始模型（初、次级耦合结构相同），其参数如表2所示。

3 仿真分析

按照上述设计流程对耦合结构进行设计后，利用有限元软件Maxwell对所设计模型进行仿真分析，联合Simplorer软件，把所设计耦合模型放入SS型电路中，仿真计算传输功率、效率是否达到要求。

以添加参数的方式模拟汽车动态行驶时耦合结构的相对位置。分别添加参数X、Y、Z模拟汽车沿侧向偏移时的耦合状态、汽车前进行驶时的耦合状态、底盘距初级线圈的距离变化。通过耦合系数大小来判断传输效率高低[9]。

图4中，汽车从远处逐渐行驶靠近初级线圈。初、次线圈完全重叠时，耦合系数最大为0.299。当汽车左右偏移41cm时，耦合系数仍有0.1。即汽车在距离道路边缘约有50cm的距离，为驾驶员防止汽车发生刮碰留出的安全距离。

如图5中，在初、次级线圈相对距离越来越远时，耦合系数急剧变小。当距离为20cm时，耦合系数仍有0.299。所设计耦合结构可以满足汽车无线电能传输。

耦合线圈材料为铜线，仿真材料采用纯铜，其密度为8.93g/cm3。在Maxwell中，通过仿真计算，可以查看单侧耦合结构质量7707g，远小于一般电动汽车上电池质量。

图6为电路达到谐振状态时，耦合结构周围磁场强度分布情况。由图可以看出，次级线圈能够接收部分初级线圈发射的能量。图7为谐振状态下电源和负载电阻功率图。从图中可以看到，电源输出功率约为200W，负载接收功率约为20W。即稳定状态时，传输效率为10%左右。

4 结果分析

由上述仿真结果可以看出，所设计耦合结构的传输功率、传输效率偏低。导致其传输功率、效率过小的原因由如下：

（1）仿真时采用的电路为简化的电路模型，缺少了无线电能传输系统中电能变换相关电路结构，影响了传输功率、效率的数值大小。

（2）电路元器件参数的选择对传输功率、效率具有很大影响。本文选取的部分参数并不是最优参数，会影响传输功率、效率的数值大小，不能使传输效率最大化。

5 结论

本文提出结合实际应用条件对耦合结构进行设计的方法，通过分析道路宽度、车身参数、最小离地间隙、材料使用、行驶安全等影响因素设计耦合结构初始模型。结合仿真分析，把设计的耦合结构放入电路中计算传输功率、效率。所设计的耦合结构减小了材料的使用，能够满足道路行驶条件，但功率、效率还需提高。

参考文献

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