电动汽车不间断充电的天罗地网 黄靖杰 指导老师：刘东 (上海交通大学电气工程系，上海市200240：) 摘要：本文从电动汽车现存的续航能力不足等问题出发，提出电动汽车“边走边冲”的模 式，即电动汽车移动中无线电能补给系统。通过MAG仿真，最优负载计算，实物铁芯结构 与电路制作，完成测试样机。并在此基础上，提出分段控制策略的优化，并进一步受能源互 联网启发提出了移动互充的全新理念并论证了可行性，此举将电动汽车的使用推向一个全新 的高度，形成真正的电动汽车不间断充电的天罗地网。 关键词：电动汽车：无线移动充电；LCL-SS电路：移动互充技术： 1.引言 10kW/200k Pow 随着城市汽车保有量地大幅上升，以及 45H H: 人们环保意识的提高，传统燃油汽车已经逐 渐开始被以电动汽车为主的新能源汽车所 图1-1韩国OLEV系统结构示意图 替代。然而现有的电动汽车却也存在不少问 题，比如续航能力较差，持续行驶距离不长 除韩国OLV项目之外，美国奥克兰 等等。近年来，一种新型的无线电动汽车移 大学针对能量发射机构采用集中式线圈阵 动充电系统为电动汽车的推广应用提供了 列的电动车动态感应供电系统，提出了一种 崭新的技术支撑手段。 双极性导轨线圈(Bipolar Track Pad)结构z。 根据国内外的文献调研，目前的充电模 这种结构可以消除相邻两个线圈之间的相 式主要以充电桩和充电站为主，然而这些概 互影响，通过调整叠加距离能够使相邻线圈 念与传统加油站相差不多，所以并非是最适 的互感为零；并提出一种双D形正交 合电动汽车的能量补给方式，因此各国科学 (Double-D-Quadrature,DDQ)1拾取 家开始从这点寻求突破。 线圈结构。为了解决电动车动态取电过程中 电动汽车无线供电系统本质为感应耦 的横向偏移问题，提出了一种多相导轨式感 合无线电能传输(Inductively Coupled 应耦合电能传输系统，该系统可以在更宽 Power Transfer,ICPT)系统。目前，国内外 的范围内产生相对比较均匀的磁场：并提出 许多团队都在对其进行研究。 一种可以同时接收横向和纵向磁场的正交 韩国科学院于最近几年提出了电动汽 拾取线圈。 车移动中无线电能补给的概念(Online 在国内，很多汽车制造厂商如奇瑞、长 Electric Vehicle,OLEV),主要是采用基于电 安、比亚迪等都推出了自己的电动汽车，但 磁感应耦合原理的无线电能传输技术，其研 是已经上市销售的电动车数量并不多，而且 究重点主要集中在电磁耦合机构的优化设 都采用传导充电方式。 计与电磁场屏蔽技术等方面1-”。通过这种 除了企业，也存在十余所高校和科研院 设计方式，电动汽车可以在移动中汲取电能，所相关研究团队也积极开展了电能无线传 这样可以很大程度上解决汽车对于电池的 输技术的研究与开发工作，并取得了良好的 依赖，使电池容量削减至常规电动汽车电池 成果，期中也包括上海交大唐厚君教授团队。 容量的60%。具体结构示意图如下： 他们都为中国的电能无线传输技术发展奠 定了坚实的基础。 最后本文在以上基础上进行仿真和模
电动汽车不间断充电的天罗地网 黄靖杰 指导老师：刘东 （上海交通大学 电气工程系，上海市 200240；） 摘 要：本文从电动汽车现存的续航能力不足等问题出发，提出电动汽车“边走边冲”的模 式，即电动汽车移动中无线电能补给系统。通过JMAG仿真，最优负载计算，实物铁芯结构 与电路制作，完成测试样机。并在此基础上，提出分段控制策略的优化，并进一步受能源互 联网启发提出了移动互充的全新理念并论证了可行性，此举将电动汽车的使用推向一个全新 的高度，形成真正的电动汽车不间断充电的天罗地网。 关键词：电动汽车；无线移动充电；LCL-SS电路；移动互充技术； 1．引言 随着城市汽车保有量地大幅上升，以及 人们环保意识的提高，传统燃油汽车已经逐 渐开始被以电动汽车为主的新能源汽车所 替代。然而现有的电动汽车却也存在不少问 题，比如续航能力较差，持续行驶距离不长 等等。近年来，一种新型的无线电动汽车移 动充电系统为电动汽车的推广应用提供了 崭新的技术支撑手段。 根据国内外的文献调研，目前的充电模 式主要以充电桩和充电站为主，然而这些概 念与传统加油站相差不多，所以并非是最适 合电动汽车的能量补给方式，因此各国科学 家开始从这点寻求突破。 电动汽车无线供电系统本质为感应耦 合 无 线 电 能 传 输 （ Inductively Coupled Power Transfer, ICPT）系统。目前，国内外 许多团队都在对其进行研究。 韩国科学院于最近几年提出了电动汽 车移动中无线电能补给的概念（Online Electric Vehicle, OLEV），主要是采用基于电 磁感应耦合原理的无线电能传输技术,其研 究重点主要集中在电磁耦合机构的优化设 计与电磁场屏蔽技术等方面[1-7]。 通过这种 设计方式，电动汽车可以在移动中汲取电能， 这样可以很大程度上解决汽车对于电池的 依赖，使电池容量削减至常规电动汽车电池 容量的 60% [8-11]。具体结构示意图如下： 图 1-1 韩国 OLEV 系统结构示意图 除韩国 OLEV 项目之外，美国奥克兰 大学针对能量发射机构采用集中式线圈阵 列的电动车动态感应供电系统，提出了一种 双极性导轨线圈（Bipolar Track Pad）结构[12].。 这种结构可以消除相邻两个线圈之间的相 互影响，通过调整叠加距离能够使相邻线圈 的互感为零；并提出一种双 D 形正交 （Double-D-Quadrature，DDQ）[13,14]拾取 线圈结构。为了解决电动车动态取电过程中 的横向偏移问题，提出了一种多相导轨式感 应耦合电能传输系统[15]，该系统可以在更宽 的范围内产生相对比较均匀的磁场；并提出 一种可以同时接收横向和纵向磁场的正交 拾取线圈。 在国内，很多汽车制造厂商如奇瑞、长 安、比亚迪等都推出了自己的电动汽车，但 是已经上市销售的电动车数量并不多，而且 都采用传导充电方式。 除了企业，也存在十余所高校和科研院 所相关研究团队也积极开展了电能无线传 输技术的研究与开发工作，并取得了良好的 成果，期中也包括上海交大唐厚君教授团队。 他们都为中国的电能无线传输技术发展奠 定了坚实的基础。 最后本文在以上基础上进行仿真和模
拟，改进了磁耦合结构，优化了电路参数， 耗很低，并且一定程度上解决了接触型充电 提高了系统效率，并制作了200W的小型样机， 的诸多问题。这种移动电能补给的方式使电 并且在文末提出了上述方案的先进性和局 动汽车能在行进过程中获得能量，使车载电 限性，并在此基础上进一步提出了电动汽车 池的容量要求降低许多，从而显著降低了电 无线互充的新理念和实现方法。 池的成本。此外，由于能量是通过无线传播 且发射设备埋在地底，充电设施不占空间， 2.问题的提出 降低了发生充电设备碰撞及触电事故的可 2.1电动汽车现状与问题 能性。当大范围推行此类技术时，电能不足 自汽车1886年诞生以来，人们的出行 的电动汽车只需行驶到有电能补给设备的 越来越便利，社会的发展脚步也越来越快。 道路上，而不用刻意寻找充电站，使得充电 但是，由于燃油汽车使用的是不可再生能源， 难的问题得到了很大程度上的缓解。因此 而且其排放的尾气是大气的污染源之一，正 这项技术解决了许多电动汽车使用和推广 在不断危害地球的环境。目前主要解决尾气 过程中所要面临的问题，为实现真正的电动 污染的方法分为两种：一是提高燃料的使用 汽车绿色出行提供了可能。 效率及品质，减少不完全燃烧产生的颗粒物， 然而电动汽车无线供电系统也存在着 然而这种方法始终是治标不治本，污染只能 许多尚未解决的问题。比如由于距离较远、 进行一次管理，即生产燃料时进行控制，可 发射线圈与接受线圈之间位置的不固定导 在排放过程中始终是无法控制的。二是改变 致的耦合系数较低、系统耦合参数发生变化、 能源形式，使用更为清洁的能源一电能。 系统功率输出不稳定等等，使得无线供电系 相较于燃油汽车，电动汽车的运行可以实现 统功率传输效率不够高、经济性能不够好、 零污染，零排放。同时生产电能造成的排放， 输出功率不够稳定。本文旨在针对这些问题， 可以在发电厂内进行更加高效集中的处理。 提出一种新型的耦合结构，使得无线供电系 因此，电动汽车可以说是21世纪汽车潮流 统能够实现经济高效的电能传输。 所向。然而目前电动汽车的推广却并不符合 预期，随着调研的不断深入，本文发现制约 2.3无线充电系统主电路 电动汽车普及的主要成因就是电池的充电 典型的电动汽车无线供电系统由发送 问题。要保证续航里程就需要保证电池电量 端电能变换装置、电磁耦合机构、车载端电 充足，这就增大了电池的体积和重量以及充 能变换装置三个部分组成。电能从电网无线 电站的数量，从而抬高了电动汽车的使用成 传输到车载端主要经历三个变换过程： 本。 ①AC-DC-AC变换：发送端电能变换装置 而在充电设施方面，在目前较普遍的传 通过整流、滤波、稳压、高频逆变等环节将 统充电桩的使用中，经常会出现由于其体积 工频三相交流电变换为高频交流电送入电 大，从而极容易发生碰撞事故。而且传统充 磁耦合机构；②AC-AC变换：使用感应耦 电桩需要连接一根外露的充电导线，极容易 合技术实现高频交流电从电磁耦合机构的 发生漏电及触电事故。这些问题也成为了许 发送端远距离传输到拾取端；3AC-DC-DC 多消费者在购买电动汽车时的重要顾虑。 变换：车载端拾取到的高频交流电经由整流 这些来自于电动汽车运行成本和充电 -滤波-调压后输入到车载充电机中对电动 设施隐患的问题严重影响了电动汽车的普 汽车进行充电。由此可得电动汽车无线供电 及，因此需要探寻解决之道。 系统结构图如图2-1所示。 本系统采用交流220V供电，经过整流 2.2电动汽车“边走边充”的研究意义 逆变电路以恒压交流电源的形式输入主电 “边走边充”是指电动汽车在移动过 路。经过原边补偿从发射线圈发出，经放置 程中获得电能补给。无线电能传输技术由于 在车上的接收线圈接收变为恒流交流电源 不需要导线就可以远距离传输电能并且损 进入整流电路，再经DC/DC模块变成恒压
拟，改进了磁耦合结构，优化了电路参数， 提高了系统效率，并制作了200W的小型样机， 并且在文末提出了上述方案的先进性和局 限性，并在此基础上进一步提出了电动汽车 无线互充的新理念和实现方法。 2．问题的提出 2.1 电动汽车现状与问题 自汽车 1886 年诞生以来，人们的出行 越来越便利，社会的发展脚步也越来越快。 但是，由于燃油汽车使用的是不可再生能源， 而且其排放的尾气是大气的污染源之一，正 在不断危害地球的环境。目前主要解决尾气 污染的方法分为两种：一是提高燃料的使用 效率及品质，减少不完全燃烧产生的颗粒物， 然而这种方法始终是治标不治本，污染只能 进行一次管理，即生产燃料时进行控制，可 在排放过程中始终是无法控制的。二是改变 能源形式，使用更为清洁的能源——电能。 相较于燃油汽车，电动汽车的运行可以实现 零污染，零排放。同时生产电能造成的排放， 可以在发电厂内进行更加高效集中的处理。 因此，电动汽车可以说是 21 世纪汽车潮流 所向。然而目前电动汽车的推广却并不符合 预期，随着调研的不断深入，本文发现制约 电动汽车普及的主要成因就是电池的充电 问题。要保证续航里程就需要保证电池电量 充足，这就增大了电池的体积和重量以及充 电站的数量，从而抬高了电动汽车的使用成 本。 而在充电设施方面，在目前较普遍的传 统充电桩的使用中，经常会出现由于其体积 大，从而极容易发生碰撞事故。而且传统充 电桩需要连接一根外露的充电导线，极容易 发生漏电及触电事故。这些问题也成为了许 多消费者在购买电动汽车时的重要顾虑。 这些来自于电动汽车运行成本和充电 设施隐患的问题严重影响了电动汽车的普 及，因此需要探寻解决之道。 2.2 电动汽车“边走边充”的研究意义 “边走边充”是指电动汽车在移动过 程中获得电能补给。无线电能传输技术由于 不需要导线就可以远距离传输电能并且损 耗很低，并且一定程度上解决了接触型充电 的诸多问题。这种移动电能补给的方式使电 动汽车能在行进过程中获得能量，使车载电 池的容量要求降低许多，从而显著降低了电 池的成本。此外，由于能量是通过无线传播 且发射设备埋在地底，充电设施不占空间， 降低了发生充电设备碰撞及触电事故的可 能性。当大范围推行此类技术时，电能不足 的电动汽车只需行驶到有电能补给设备的 道路上，而不用刻意寻找充电站，使得充电 难的问题得到了很大程度上的缓解。 因此 这项技术解决了许多电动汽车使用和推广 过程中所要面临的问题，为实现真正的电动 汽车绿色出行提供了可能。 然而电动汽车无线供电系统也存在着 许多尚未解决的问题。比如由于距离较远、 发射线圈与接受线圈之间位置的不固定导 致的耦合系数较低、系统耦合参数发生变化、 系统功率输出不稳定等等，使得无线供电系 统功率传输效率不够高、经济性能不够好、 输出功率不够稳定。本文旨在针对这些问题， 提出一种新型的耦合结构，使得无线供电系 统能够实现经济高效的电能传输。 2.3 无线充电系统主电路 典型的电动汽车无线供电系统由发送 端电能变换装置、电磁耦合机构、车载端电 能变换装置三个部分组成。电能从电网无线 传输到车载端主要经历三个变换过程： ①AC-DC-AC 变换：发送端电能变换装置 通过整流、滤波、稳压、高频逆变等环节将 工频三相交流电变换为高频交流电送入电 磁耦合机构；②AC-AC 变换：使用感应耦 合技术实现高频交流电从电磁耦合机构的 发送端远距离传输到拾取端；③AC-DC-DC 变换：车载端拾取到的高频交流电经由整流 -滤波-调压后输入到车载充电机中对电动 汽车进行充电。由此可得电动汽车无线供电 系统结构图如图 2-1 所示。 本系统采用交流 220V 供电，经过整流 逆变电路以恒压交流电源的形式输入主电 路。经过原边补偿从发射线圈发出，经放置 在车上的接收线圈接收变为恒流交流电源 进入整流电路，再经 DC/DC 模块变成恒压
直流电源为电动汽车供电。系统结构示意图 补偿，双边线圈采用SS串串电容补偿。电 如图2-1所示。 路结构如图3-1所示： 图2-1电动汽车“边走边充”系统示意图 图3-1主电路示意图 2.4分段控制策略 分段控制策略的主要思想是用传感器 电压通过整流、逆变电路变成一个恒压 获取车辆的位置信息，传递至MCU,MCU 交流电源，经过由L1、L2、C组成的LCL补 处理信息产生控制信号，控制相应的发射线 偿电路变成一个恒流交流电源5-1，再经过 圈导通或者断开。 已由电容对自感进行过补偿的耦合线圈传 递到接收侧，为电动汽车进行供电。 2.5车辆移动互充技术 SS串联-串联电容补偿用于补偿耦合线 本文提供的移动无线充电技术具有较 圈的自感。耦合线圈传输无线电能的原理近 高的可行性，但作者认为在城市空间利用率 似于变压器，都是通过交变的磁场进行电能 仍具有一定局限性。于是，作者提出了利用 传输。传统变压器原副边之间通过铁芯建立 道路中间的隔离栏对双向车道上行驶的电 磁路，耦合系数高达0.9-0.98，电能传输效 动汽车进行充电的理念，进一步可以开发城 率接近100%。但在应用于无线电能传输所 市其余空间进行“充电道路”铺设。 用的耦合线圈中时，由于线圈间距离较大， 不过，以上均是对现有电动汽车无线移 且传输介质并非导磁材料，原副边耦合系数 动充电技术的应用和拓展，但是终究离不开 一般小于0.2，效率只有20%-30%，因此需 空间上“充电道路”的局限。于是，受到空 要引入补偿网络。一般采用能与线圈自感匹 中加油机和太空加油卫星的启发，作者提出 配的补偿电容，在工作频率点产生谐振，从 了基于车联网的电动汽车互冲技术，将每辆 而提高能量的传输效率。 车都变成移动的充电桩，形成不间断充电的 天罗地网。具体来说是采用双H桥这样的对 3.2耦合线圈的建模与分析 称拓扑结构，使得传输的方向更加灵活，通 3.2.1耦合线圈结构的基本原理 过控制对应桥臂的开通相位控制能量的传 耦合线圈的设计是电动汽车“边走边 输方向，实现车辆充放电的随时切换。其次， 充” 系统中至关重要的一环，发射线圈铺设 运用基于车联网的自动定位驾驶技术可使 于路面以下，接受线圈安装于电动汽车上。 行驶的车辆间实现定点互充。另外，从经济 当汽车在路面行驶时，接受线圈通过与发射 学的角度，此模式也可仿照嘀嘀打车，实现 线圈的耦合从电源端接收电能，以达到边走 app“叫电”，应急充电提高报酬等功能，电 边冲的效果。所以，选择出一种合适的线圈 动汽车公司和电网也可以给予一定的补助 结构对于传输效率的提高有着重要的意义。 和优惠进行推广。当然由于技术与精力所限， 根据调研，现在国内外对于耦合线圈的设计 目前仍在实验室开发阶段，但相信未来会很 进过不断地发展，已经演化到第四代”型 有前景。 的结构。其基本原理如下图所示： 3.解决问题的方法 3.1主电路结构分析 本系统主电路结构采用的是原边LCL
直流电源为电动汽车供电。系统结构示意图 如图 2-1 所示。 图 2-1 电动汽车“边走边充”系统示意图 2.4 分段控制策略 分段控制策略的主要思想是用传感器 获取车辆的位置信息，传递至 MCU，MCU 处理信息产生控制信号，控制相应的发射线 圈导通或者断开。 2.5 车辆移动互充技术 本文提供的移动无线充电技术具有较 高的可行性，但作者认为在城市空间利用率 仍具有一定局限性。于是，作者提出了利用 道路中间的隔离栏对双向车道上行驶的电 动汽车进行充电的理念，进一步可以开发城 市其余空间进行“充电道路”铺设。 不过，以上均是对现有电动汽车无线移 动充电技术的应用和拓展，但是终究离不开 空间上“充电道路”的局限。于是，受到空 中加油机和太空加油卫星的启发，作者提出 了基于车联网的电动汽车互冲技术，将每辆 车都变成移动的充电桩，形成不间断充电的 天罗地网。具体来说是采用双 H 桥这样的对 称拓扑结构，使得传输的方向更加灵活，通 过控制对应桥臂的开通相位控制能量的传 输方向，实现车辆充放电的随时切换。其次， 运用基于车联网的自动定位驾驶技术可使 行驶的车辆间实现定点互充。另外，从经济 学的角度，此模式也可仿照嘀嘀打车，实现 app“叫电”，应急充电提高报酬等功能，电 动汽车公司和电网也可以给予一定的补助 和优惠进行推广。当然由于技术与精力所限， 目前仍在实验室开发阶段，但相信未来会很 有前景。 3．解决问题的方法 3.1 主电路结构分析 本系统主电路结构采用的是原边 LCL 补偿，双边线圈采用 SS 串串电容补偿。电 路结构如图 3-1 所示： 图 3-1 主电路示意图 电压通过整流、逆变电路变成一个恒压 交流电源，经过由 L1、L2、C 组成的 LCL 补 偿电路变成一个恒流交流电源[15-18]，再经过 已由电容对自感进行过补偿的耦合线圈传 递到接收侧，为电动汽车进行供电。 SS 串联-串联电容补偿用于补偿耦合线 圈的自感。耦合线圈传输无线电能的原理近 似于变压器，都是通过交变的磁场进行电能 传输。传统变压器原副边之间通过铁芯建立 磁路，耦合系数高达 0.9~0.98，电能传输效 率接近 100%。但在应用于无线电能传输所 用的耦合线圈中时，由于线圈间距离较大， 且传输介质并非导磁材料，原副边耦合系数 一般小于 0.2，效率只有 20%~30%，因此需 要引入补偿网络。一般采用能与线圈自感匹 配的补偿电容，在工作频率点产生谐振，从 而提高能量的传输效率。 3.2 耦合线圈的建模与分析 3.2.1 耦合线圈结构的基本原理 耦合线圈的设计是电动汽车“边走边 充”系统中至关重要的一环，发射线圈铺设 于路面以下，接受线圈安装于电动汽车上。 当汽车在路面行驶时，接受线圈通过与发射 线圈的耦合从电源端接收电能，以达到边走 边冲的效果。所以，选择出一种合适的线圈 结构对于传输效率的提高有着重要的意义。 根据调研，现在国内外对于耦合线圈的设计 进过不断地发展，已经演化到第四代“I”型 的结构。其基本原理如下图所示：
0. 02 044 0.1 熙 0.16 014 5 6 7 1型桩垂直高度(cm) ()结构剖面图(b)整体结构示意图(c)结 构左视图 图3-31型桩不同高度下的耦合系数 图3-2第四代“”型发射及接收结构示 根据实验曲线，耦合系数在Ⅰ型桩垂直 意图 高度从4-5cm变化时增加较多，5-7cm变 化时增加尚可，而7-8cm时增加较少。同 这种结构的优点在于：传输距离大，传 时考虑到丨型桩需铺设在地底下，高度越高 输效率高，铁芯结构较小，抗水平偏移能力 对于施工的难度和成本也就越高，故综合考 强。但同时也具有一些缺点：绕线结构较复 虑两者因素，选取了6cm为最后结果。 杂，在设计过程中需要注意各级之间的磁场 此外，我们还对于1型桩上表面、中间 变化情况。以次结构为原型，我们通过JMAG 支撑部分和下表面的厚度依次做了控制变 仿真软件对耦合线圈部分进行建模和仿真， 量，发现厚度对于原副边的耦合系数几乎没 通过对线圈磁芯形状和参数的调整，改善耦 有影响，分析可知因为主磁路的路径并没有 合线圈的耦合系数，从而达到提高传输效率 因为厚度的变化而改变，故可把铁芯做的相 的目的。 对薄一点，已节省成本。不过，考虑到实物 的机械强度有限，过薄的铁芯容易受到损坏， 3.2.2耦合线圈仿真过程 维护起来有一定难度。故在使用亚克力板进 3.2.2.1确定基本参数 行加固的同时，铁芯也因具有一定的厚度。 基本参数指的是对整体设计有重要衡 最后将上下层的铁芯厚度定为5mm,中间 量意义的参数。 支撑部分定为1cm。 根据实物代步车的尺寸和限制，并考虑 在定好铁芯的结构尺寸后，便需要考量 实际情况，将车底距地面高度定为10cm, 极间距的选取，极间距即两个“”型相隔的 车底所能搭载接收线圈的最大尺寸为： 的距离。一方面，由于在移动电能补给系统 600*300mm。 中原副边的距离比较大，且没有导磁材料， 故会存在一部分漏磁通通过空气直接与相 3.2.2.2确定铁芯结构与极间距 邻的桩形成闭合磁路，我们要想办法减少这 合理的铁芯结构对于耦合系数的提高 一部分损耗，也就是通过改变极间距，检测 有着至关重要的意义，而耦合系数的提高也 副边接受线圈在两极中心点的磁场强度来 意味着传输效率和功率的提高，是无线移动 确定传输效率最高时对应的极间距。另一方 充电技术十分重要的一环。 面，又要考虑经济成本，对于相同长的道路， 在选取了1型作为发射线圈结构后，我 极间距越小意味着需要铺设的桩也就越多， 们主要对铁芯的高度做了控制变量分析，在 成本也就越高。 其余条件都相同的情况下运用JMAG的自 感互感工具进行仿真测量。 图3-4接受线圈极间距变化图
( ( ( (a)结构剖面图 (b) 整体结构示意图 (c) 结 构左视图 图 3- 2 第四代“I”型发射及接收结构示 意图 这种结构的优点在于：传输距离大，传 输效率高，铁芯结构较小，抗水平偏移能力 强。但同时也具有一些缺点：绕线结构较复 杂，在设计过程中需要注意各级之间的磁场 变化情况。以次结构为原型，我们通过 JMAG 仿真软件对耦合线圈部分进行建模和仿真， 通过对线圈磁芯形状和参数的调整，改善耦 合线圈的耦合系数，从而达到提高传输效率 的目的。 3.2.2 耦合线圈仿真过程 3.2.2.1 确定基本参数 基本参数指的是对整体设计有重要衡 量意义的参数。 根据实物代步车的尺寸和限制，并考虑 实际情况，将车底距地面高度定为 10cm， 车底所能搭载接收线圈的最大尺寸为： 600*300mm。 3.2.2.2 确定铁芯结构与极间距 合理的铁芯结构对于耦合系数的提高 有着至关重要的意义，而耦合系数的提高也 意味着传输效率和功率的提高，是无线移动 充电技术十分重要的一环。 在选取了 I 型作为发射线圈结构后，我 们主要对铁芯的高度做了控制变量分析，在 其余条件都相同的情况下运用 JMAG 的自 感互感工具进行仿真测量。 图 3-3 I 型桩不同高度下的耦合系数 根据实验曲线，耦合系数在 I 型桩垂直 高度从 4-5cm 变化时增加较多，5-7cm 变 化时增加尚可，而 7-8cm 时增加较少。同 时考虑到 I 型桩需铺设在地底下，高度越高 对于施工的难度和成本也就越高，故综合考 虑两者因素，选取了 6cm 为最后结果。 此外，我们还对于 I 型桩上表面、中间 支撑部分和下表面的厚度依次做了控制变 量，发现厚度对于原副边的耦合系数几乎没 有影响，分析可知因为主磁路的路径并没有 因为厚度的变化而改变，故可把铁芯做的相 对薄一点，已节省成本。不过，考虑到实物 的机械强度有限，过薄的铁芯容易受到损坏， 维护起来有一定难度。故在使用亚克力板进 行加固的同时，铁芯也因具有一定的厚度。 最后将上下层的铁芯厚度定为 5mm，中间 支撑部分定为 1cm。 在定好铁芯的结构尺寸后，便需要考量 极间距的选取，极间距即两个“I”型相隔的 的距离。一方面，由于在移动电能补给系统 中原副边的距离比较大，且没有导磁材料， 故会存在一部分漏磁通通过空气直接与相 邻的桩形成闭合磁路，我们要想办法减少这 一部分损耗，也就是通过改变极间距，检测 副边接受线圈在两极中心点的磁场强度来 确定传输效率最高时对应的极间距。另一方 面，又要考虑经济成本，对于相同长的道路， 极间距越小意味着需要铺设的桩也就越多， 成本也就越高。 图 3-4 接受线圈极间距变化图
取到最高效率和最大负载有功，而在实际最 8.00 磁场强度 大值30cm时，效率仅下降了14%，而在后 6.00 文中会论述车辆的偏移会引起较大的负载 4.00 有功和效率下降，两者不可兼得，故综合考 2.00 虑后决定牺牲线圈宽度增大引起的有功和 0.00 效率下降，来提高线圈的抗便宜能力，线圈 2018161412108642 宽度仍定为30cm。 4代"P极间距(cm) 3.2.2.4考虑前移变化 图3-51型中心点磁场强度随极间距的变化 模拟车辆前进的效果，将接收线圈的位 根据所得曲线，|型桩间距在10-20cm 置前移，观察不同位置处的效率及功率变化 时，中心点磁场强度均较高，期中16cm时 情况。 为极大值。结合实际车上的接收线圈的尺寸 和实物限制，我们将极间距定为12cm。 故通过以上仿真分析控制变量的方法， 我们将原边铁芯的结构基本确定。 3.2.2.3确定接收线圈尺寸 图3-7模拟车辆前进对比图 接收线圈位于小车底盘上，故要考虑实 160 100.00% 际情况，车底所能搭载接收线圈的最大尺寸 140 90.00% 为：600300mm。一方面，因为小车在行驶 80.00% 过程中或多或少会引起偏移，无法使接受线 120 70.00% 圈与发射桩完全正对，因此增大接收线圈的 100 60.00% 面积有利于在产生偏移时依然可以接受电 80 50.00% 能。另一方面，线圈过大，会导致磁感线在 40.00% 30.00% 在铁芯内自闭合。故选取合适的线圈大小， 40 可以提高传输的有功和效率。 20.00% 20 10.00% 通过改变接收线圈的尺寸，观察效率与 0 0.00% 功率的变化如下图所示： 。2负载相拐1奶182022242数率 20 s90.0% 74.7%207 80.0% 图3-8模拟车辆前移测试负载有功和效率 4 00 7249 731% 7.0% 可见在车辆前移过程中，当原副边线圈 5.9%69.0% 165 5.0 4.0%567%59.4%626% 正对时效率和有功都较高，但一旦副边线圈 14 2 50.0% 移动到原边1型桩中间时，会出现功率零点， 这会导致副边电压无法稳定，进而导致车辆 无法平稳运行，故我们将进一步解决这一问 20.0% 题。 10.C% 4238 2 3.2.2.5考虑侧移变化 线圈所围宽度(cm) ■负有功(W】 模拟车辆偏移轨道的情况，将接收线圈 图3-6负载有功和传输效率随接受线圈所 向单侧偏移，观察不同位置处的效率及功率 围宽度变化图 变化。 从图中可见，线圈所围宽度在10cm处
图 3-5 I 型中心点磁场强度随极间距的变化 根据所得曲线，I 型桩间距在 10-20cm 时，中心点磁场强度均较高，期中 16cm 时 为极大值。结合实际车上的接收线圈的尺寸 和实物限制，我们将极间距定为 12cm。 故通过以上仿真分析控制变量的方法， 我们将原边铁芯的结构基本确定。 3.2.2.3 确定接收线圈尺寸 接收线圈位于小车底盘上，故要考虑实 际情况，车底所能搭载接收线圈的最大尺寸 为：600*300mm。一方面，因为小车在行驶 过程中或多或少会引起偏移，无法使接受线 圈与发射桩完全正对，因此增大接收线圈的 面积有利于在产生偏移时依然可以接受电 能。另一方面，线圈过大，会导致磁感线在 在铁芯内自闭合。故选取合适的线圈大小， 可以提高传输的有功和效率。 通过改变接收线圈的尺寸，观察效率与 功率的变化,如下图所示： 线圈所围宽度（cm） 图 3-6 负载有功和传输效率随接受线圈所 围宽度变化图 从图中可见，线圈所围宽度在 10cm 处 取到最高效率和最大负载有功，而在实际最 大值 30cm 时，效率仅下降了 14%，而在后 文中会论述车辆的偏移会引起较大的负载 有功和效率下降，两者不可兼得，故综合考 虑后决定牺牲线圈宽度增大引起的有功和 效率下降，来提高线圈的抗便宜能力，线圈 宽度仍定为 30cm。 3.2.2.4 考虑前移变化 模拟车辆前进的效果，将接收线圈的位 置前移，观察不同位置处的效率及功率变化 情况。 图 3-7 模拟车辆前进对比图 图 3-8 模拟车辆前移测试负载有功和效率 可见在车辆前移过程中，当原副边线圈 正对时效率和有功都较高，但一旦副边线圈 移动到原边 I 型桩中间时，会出现功率零点， 这会导致副边电压无法稳定，进而导致车辆 无法平稳运行，故我们将进一步解决这一问 题。 3.2.2.5 考虑侧移变化 模拟车辆偏移轨道的情况，将接收线圈 向单侧偏移，观察不同位置处的效率及功率 变化