电动汽车无线供电系统电能发射与接收线圈优化………………………………………… 左少林 胥飞 车赛 骆强 （
左少林 胥飞 车赛 骆强201306） （上海电机学院，上海
【摘要】为解决基于感应耦合电能传输（ ICPT）技术的电动汽车无线充电过程中，能量获取线圈经过发射线圈连接处时互感显著下降的问题，提出了一种多阶梯形与相嵌式相结合的无线电能发射线圈结构，并通过理论分析获得了线圈的规格参数，搭建了基于COMSOL Multiphysics 与 MATLAB/Simulink的仿真和试验平台，仿真及试验结果表明：能量获取线圈经过新结构发射线圈切换域时线圈互感波动率≤6%，其电压波动在±8%范围内，并能在横向偏移±5 cm范围内保持电压稳定，有效地解决了互感显著下降的问题。主题词：感应耦合电能传输 电能发射线圈 能量获取线圈 电动汽车U469.72 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20190179中图分类号： 文献标识码： DOI:
1 前言
针对目前电动汽车存在的充电时间长、充电地点受限、电池续航里程短、电池衰减严重等[1- 2]问题，对可在车辆行驶过程中以非接触方式实时为车辆供电的无线充电动态供电系统的研究逐步得到重视[3- 4]。在动态充电过程中，电能发射线圈和能量获取线圈是电动汽车感应耦
Inductively Coupled Power Transfer，ICPT）合电能传输（ 系统中最为重要的两部分。优良的电能发射和能量获取线圈结构不仅可以提高充电效率，获得更多电能，还具有良好的抗偏移能力[5- 6]。近年来，国外许多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- 13]。为了减少能量损耗以及便于维修，提高系统的工作效率，基
ICPT
于 技术的电动汽车用无线供电系统的电能发射线圈应采用分段并且级联的形式[14- 16]。目前，分段级联式电能发射线圈主要采用直角矩形充电线圈级联方式，文
[17]
献 提出了一种阶梯形相嵌式电能发射线圈结构，其
±8%，
互感波动率约为 车辆能量获取线圈的电压波动率
±10%，
约为 但仍然过大。本文对阶梯形相嵌式电能发射线圈进行优化，以降低互感波动和车辆能量获取线圈的电压波动，并对能量获取线圈的几何参数及其抗偏移能力进行分析，避免了线圈切换过程中因拾取电压不稳影响车辆的正常行驶和对车载蓄电池的充电。
2 电动汽车ICPT系统连续供电过程
ICPT 1
电动汽车 系统如图 所示，包括信号系统、能
量获取系统和能量发射系统。系统的运行过程为：汽车
1 2）
从右向左行驶（即汽车由发射线圈驶向发射线圈时，车载信号发射系统通过信号发射线圈发射位置信号；位置信号检测线圈一旦接收到该信号，控制系统即
2
指令初级变换电路为发射线圈 及补偿线圈通电。这
2
样，发射线圈 提前约半个车身导通，在发射线圈切换过程中，能量获取线圈接收到的电能变化得到尽可能抑制，稳定连续的能量经次级电能变换控制单元处理后供给电动机及蓄电池组，从而实现稳定的无线充电。
3 阶梯形相嵌式电能传输线圈的参数设计3.1 电能发射线圈主要参数
为了最大限度降低电动汽车在线圈切换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情况，对级联发射线圈的阶梯数、尺寸、匝数等参数进行分析。
2a单节阶梯形相嵌式电能发射线圈如图 所示[17]，它
ⅠⅢ由位于切换域的电能补偿发射线圈 、 和位于运行域
Ⅱ
的长导轨发射线圈 组成。各线圈的参数满足[18]：
2d, 1） D= L＞l
（
Nr = ζ0Ns
Ⅱ
式中， DL、分别为线圈 的宽度和长度；、分别为线圈dl
Ⅰ Ⅲ
、线圈 的宽度和长度； Ns、Nr分别为线圈ⅠⅢ
、 和线
Ⅱ
圈 的匝数； ζ0为线圈Ⅱ Ⅰ
与线圈 的匝数比，是影响无线充电在切换域能否平稳过渡的重要参数[18]。
2b 2
图 所示为 个单节阶梯形相嵌式电能发射线圈衔接状态，其切换域间相互内嵌，使前、后级线圈紧密衔接。
3.2 能量获取线圈及ICPT系统参数
能量获取线圈为常见的矩形结构，该结构便于绕制，且抗偏移能力和能量拾取效率较高。设其长度为Lp、宽度为Dp、匝数为Np，其与发射线圈的垂直间距为
h= 200 mm，
h。根据工程应用的实际需要，设 为研究方
D=Dp= 1 180 mm
便，设 。在前设条件下，对不同长度的能量获取线圈无线电能传输特性进行仿真与试验。
[17]
文献 对运行域及切换域尺寸参数影响因素的研究表明，电能发射线圈与能量获取线圈间的互感对ICPT
系统能量获取线圈获取的电压和最大功率起决定作用。根据纽曼公式[18]，两线圈之间的互感在运行域与切换域的近似值 和 分别为：
l - Lp l - Lp
= Lp, 2d, 3d； 2 2
式中， x y= ， -。
4）
根据式（ 及运行域尺寸公式可计算出匹配电能发射线圈切换域的能量获取线圈最优尺寸规格。
ICPT
根据互感恒定原则， 阶梯形相嵌式电能发射线圈的不同位置处互感应保持恒定且相等，才能使电动汽车在线圈切换过程中平稳过渡，达到设计目的。由式
2） 3）
（ 、式（ 可得最优匝数比为：
Nr g( l, d, Lp, h)
ζ0 = = 5）
（
Ns f( L, D, Lp, h)
互感Mr与Ms可以按照工程实际要求设计。由式
2） 5） f(L,D,Lp,h)
（ 、式（ 以及 可求得电能发射线圈切换域的匝数Ns。
3.3 基于COMSOL Multiphysics的仿真
COMSOL Multiphysics
本文使用 分析阶梯形相嵌式电能发射系统在切换域的互感特性。首先建立电能发射试验系统的三维立体模型。作为对比，建立了简单矩形线圈结构的发射线圈模型，其长度为 LR、宽度为DR、线圈匝数为NR。两个不同的电能发射线圈匹
1
配相同的矩形能量获取线圈，其参数均在表 中给出， h= 200 mm
取 。3
切换域互感随位置变化的关系如图 所示。仿真结果表明，所设计的阶梯形相嵌式发射线圈相比简单矩形发射线圈，其切换域的互感波动显著改善，但其变化0.5 μH，
仍然达到 需要进一步平滑稳定。
4 多级阶梯相嵌式电能发射系统研究4.1 电能发射系统仿真
[17]
为了对文献 中所提出的设计方案，即单阶梯相嵌式电能发射系统进行优化，多阶梯自然成为一个优化方向。多级阶梯相嵌式电能发射线圈切换域的尺寸设计简化公式为：
g( l, d, Lp, h)= χ( Lp) 2d) 3d) 4d)
+ χ( - χ( + χ( +
14 13 12 ( ) ( ) (
λ l - Lp + λ l - Lp + λ l - Lp) -
14 13 12 ( ) ( ) (
λ- l + Lp - λ - l + Lp - λ - l + Lp) +
æ 16h2 +( 2 ö l + Lp) ç ÷ h1n
16h2 +( 2 l - Lp) è ø 6）
（
4
本文研究了如图 所示的多级阶梯结构，并结合式
2）~ 6）
（ 式（ 进行计算，考虑到工程实际中的成本与复杂性，对二级、三级和四级阶梯相嵌式发射线圈开展了进一步仿真。2
多级阶梯相嵌式电能发射线圈的参数如表 所示， 3.3
能量获取线圈仍为矩形，尺寸及垂直间距与 节相同。
表 多级阶梯相嵌式电能发射系统仿真参数
5
互感仿真曲线如图 所示，车载能量获取线圈-1 100 mm 1 100 mm
自 处进入到 处离开切换域，整个过程能够维持互感波动较小的稳定状态，且阶梯越多，稳定性越好，二级、三级、四级阶梯相嵌式互感波动率分别