甄建軍，張毅，胡光波

（1.華北油田公司水電廠，河北 任丘 062552;2.中石油西氣東輸管道公司，上海 200122;3.中國人民解放軍91640部隊(duì)，廣東 湛江 524064）

0 引言

近年來，電動(dòng)汽車的感應(yīng)電能傳輸技術(shù)迅猛發(fā)展。學(xué)者對感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的效率進(jìn)行了研究，指出耦合系數(shù)與傳輸效率密切相關(guān)［1～3］。為了提高效率，日本學(xué)者提出了附加耦合電容的方法，這種方法對于參數(shù)變化的魯棒性更強(qiáng)［4］。文獻(xiàn)［5］分析了原邊線圈和副邊線圈在沒有對準(zhǔn)的情況下的傳輸效率。新西蘭奧克蘭大學(xué)的學(xué)者提出了雙向流動(dòng)的三相逆變器，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)適用于5 kW的電池充電系統(tǒng)。文獻(xiàn)［6］分析了太陽能和風(fēng)能同時(shí)接入汽車時(shí)對充電系統(tǒng)的影響，分析了電動(dòng)汽車感應(yīng)電能傳輸時(shí)的響應(yīng)情況。韓國學(xué)者提出了利用EECS機(jī)構(gòu)進(jìn)行汽車非接觸式電能傳輸?shù)姆椒ǎ?］。該系統(tǒng)可在間隙為20 cm時(shí)，實(shí)現(xiàn)60 kW的功率傳輸，同時(shí)效率保持在80%左右。但是由于在汽車底盤加裝了大量的金屬電刷，使得隨著機(jī)車行駛距離的增加，會(huì)導(dǎo)致金屬刷脫落使得充電系統(tǒng)的可靠性降低，因而導(dǎo)致EECS機(jī)構(gòu)沒有大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的價(jià)值。同時(shí)，美國政府在加州大學(xué)建成了非接觸式充電校園公交系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在25 mm的距離下實(shí)現(xiàn)50 kW電能傳輸。

雖然利用電磁感應(yīng)方式進(jìn)行電動(dòng)汽車的電能傳輸已經(jīng)有了大量的研究，但是還存在充電距離太短（一般為線圈直徑的1/3）和對停車位置準(zhǔn)確度要求過高的問題。本文提出一種在較大氣隙長度下（傳輸距離與線圈直徑相等）進(jìn)行感應(yīng)電能傳輸?shù)钠矫鏌o鐵芯式耦合線圈。為了分析系統(tǒng)性能，首先通過耦合線圈的幾何參數(shù)計(jì)算獲得耦合系數(shù)。同時(shí)使用工作在稍高于諧振點(diǎn)的等效LLC串聯(lián)諧振逆變裝置，進(jìn)行松耦合狀態(tài)下的補(bǔ)償。通過理論分析，建立了一個(gè)包含輸出調(diào)節(jié)特性的封閉方程組。仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析模型以及電路性能的準(zhǔn)確性，當(dāng)初次級(jí)線圈距離為100 mm時(shí)，滿載情況下傳輸功率達(dá)到2 000 W，同時(shí)傳輸效率保持在93%。

圖1 螺旋平面線圈非接觸式充電系統(tǒng)示意圖

圖2 螺旋平面線圈示意圖

1 分析模型

平面線圈如圖1所示，其磁場3D分布如圖3所示。建立包含初級(jí)側(cè)、次級(jí)側(cè)自感和互感的變壓器模型，如式（1）所示。其中L11，L22為初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)繞組的自感，M為繞組之間的互感。v1，v2為初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)電壓，Ψ1

圖3 螺旋平面線圈磁場分布

圖4 半橋LLC諧振逆變器等效電路

和Ψ2為初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)磁鏈。耦合系數(shù)定義為:

通過Neumann方法可以得到互感值，其中 μ0=4π ×10－1，R12為線圈相對位置。

與普通的具有高耦合系數(shù)的變壓器不同，感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中自感比漏感小得多。因此通過自感的電壓要小于漏感電壓。通過使用如圖4所示的諧振電路，在諧振工作點(diǎn)附近可以補(bǔ)償由于漏感造成的電壓降。為了與式（1）所示的模型保持一致性，必須滿足式（4）至式（6）的約束。

為了建立包含直流輸出性能的模型，建立在諧振點(diǎn)附近電流波形為近似正弦時(shí)的包含整流模型的精確模型。諧振角頻率和特征阻抗為:

1.1 逆變器模型條件

除整流電流為正弦外，還考慮到如下情況:

1）次級(jí)側(cè)電流在θ/ω0時(shí)刻為0:

2）整流電路輸出電流平均值等于負(fù)載電流:

3）整流電壓vi與次級(jí)側(cè)線圈輸出電壓之差等于諧振電路初級(jí)電壓與漏感電壓之和:

1.2 運(yùn)行在諧振點(diǎn)附近的逆變器模型

根據(jù)以上的定義，初級(jí)側(cè)電流為正弦，可以表示為:

次級(jí)側(cè)輸出電壓和次級(jí)側(cè)電流均為交替的方波?？紤]到次級(jí)側(cè)電壓，流過Lmx的電流為:

當(dāng)系統(tǒng)工作在諧振點(diǎn)附近，逆變電壓為:

濾波電容電壓與整流二極管輸入電壓和整流電流同步，因此Vsec為:

次級(jí)側(cè)電流為:

對以上方程進(jìn)行聯(lián)立求解，即可得到諧振電流輸出電流和輸出電壓為:

如圖5所示為由分析模型計(jì)算所得的變量時(shí)域變化圖，圖8為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過對比可以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

圖5 理論計(jì)算波形

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室搭建如圖4所示的電路模型進(jìn)行試驗(yàn)，Np=Ns=20，f=20.5（kHz），Cp=Cs=0.57（μF），設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。當(dāng)線圈距離100 mm，輸入電壓24 V時(shí)，逆變器輸出電壓，初級(jí)側(cè)電流，輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。實(shí)驗(yàn)得到螺旋平面線圈在偏芯情況下的性能，在軸向偏移下的性能和帶載能力如圖9至圖11所示。

在電壓增益方面，由圖7可以看出，螺旋平面線圈電磁耦合器對于偏芯偏移有很好的適應(yīng)性，偏芯100 mm時(shí)，電壓增益仍穩(wěn)定在5.8%。由圖8可以看出，螺旋平面線圈電磁耦合器對于軸向偏移較為敏感，在距離較小和較大時(shí)，電壓增益誤差較大。這是因?yàn)樵谳S向偏移時(shí)，漏感變化較大，導(dǎo)致諧振工作點(diǎn)發(fā)生偏移所致。在實(shí)際使用時(shí)可以對諧振頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以跟蹤最佳頻率。如圖9所示，螺旋平面線圈電磁耦合器可以在較大的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出并且實(shí)驗(yàn)效率在偏芯情況下仍保持90%左右。

圖6 實(shí)驗(yàn)波形（線圈距離100 mm，輸出電壓24 V）

圖7 偏芯偏移

圖8 軸向偏移

圖9 帶載能力

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種螺旋平面線圈式電磁耦合器，以適應(yīng)電動(dòng)汽車充電過程中的間隙變化較大的問題。通過理論分析，建立了包含輸出調(diào)節(jié)特性的封閉方程組，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析模型的準(zhǔn)確性，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)耦合器參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示本文所提出的電磁耦合器具有較高的充電效率和穩(wěn)定的充電電壓，在未來電動(dòng)汽車無線電能傳輸方面有廣闊的應(yīng)用前景。

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