李秋生，張國興，李培英，劉偉亮，郭金偉

（1.河北工程大學 機電學院，河北 邯鄲056038；2.邯鄲學院 河北 邯鄲056038；3.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島066004）

電動汽車無線充電松耦合變壓器仿真研究

李秋生1，張國興1，李培英2，劉偉亮2，郭金偉3

（1.河北工程大學 機電學院，河北 邯鄲056038；2.邯鄲學院 河北 邯鄲056038；3.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島066004）

設計新型用于電動汽車無線充電系統(tǒng)的松耦合變壓器，驗證該松耦合變壓器在電動汽車無線充電系統(tǒng)中的性能。闡述電動汽車無線充電系統(tǒng)組成和原理，分析耦合系數(shù)與系統(tǒng)傳輸效率的關系。利用Maxwell電磁場有限元分析軟件對松耦合變壓器進行參數(shù)化分析，討論初級側和次級側相對位置變化對耦合系數(shù)的影響。采用基于Simplorer軟件系統(tǒng)場路耦合聯(lián)合仿真的方法，對松耦合變壓器性能進行分析。得到耦合系數(shù)隨氣隙和偏移的變化曲線，獲取系統(tǒng)電流電壓參數(shù)。在200mm氣隙且未發(fā)生水平偏移條件下，采用該松耦合變壓器的電動汽車無線充電系統(tǒng)功率為3.65kW，傳輸效率達89.9%，該松耦合變壓器滿足電動汽車無線充電系統(tǒng)要求。

電動汽車；無線充電；松耦合變壓器；仿真分析

化石燃料的短缺以及空氣污染的日益嚴重促進了電動汽車產業(yè)的蓬勃發(fā)展[1]。感應耦合電能傳輸技術具有電能傳輸容量大、傳輸距離適中、電磁污染程度輕等優(yōu)勢，適用于電動汽車無線充電。該技術通過松耦合變壓器間高頻磁場進行能量傳輸，松耦合變壓器的性能直接影響系統(tǒng)傳輸效率，高效耦合變壓器的設計成為感應耦合電能傳輸系統(tǒng)設計的關鍵內容之一[2]。

常規(guī)松耦合變壓器選型為罐型、U型和E型[3-5]，然而這些松耦合變壓器無法滿足電動車無線充電系統(tǒng)對較高功率等級和較大錯位偏差容忍能力的要求[6]。近年，研究人員對具有圓盤型鐵芯和環(huán)形線圈結構的松耦合變壓器進行研究，其工作效率可達85%以上，然而其傳輸距離有限[7]。為了滿足電動汽車無線充電系統(tǒng)對傳輸距離和功率等級的要求，本文設計新型松耦合變壓器。并采用Simplorer多域機電系統(tǒng)設計仿真分析軟件為平臺，將耦合結構Maxwell電磁場有限元分析模型引入Simplorer電路模型中進行聯(lián)合仿真。討論耦合結構參數(shù)對磁場分布和系統(tǒng)傳輸效率的影響。聯(lián)合仿真方法的應用能1有效提高仿真精度，并縮短實驗和研發(fā)周期，降低研發(fā)成本[8-11]。

1 無線充電系統(tǒng)分析

電動汽車無線充電系統(tǒng)利用感應耦合電能傳輸技術，通過初級能量發(fā)射裝置將電能從初級側傳輸至安裝在電動汽車上的次級側能量拾取裝置，從而為車載電池組供電，如圖1所示。

圖1 電動汽車無線充電系統(tǒng)示意圖

初級側電能變換裝置包括工頻整流電路、濾波電路、高頻全橋逆變電路和串聯(lián)諧振補償電路。耦合結構包括線圈拓撲結構和鐵氧體鐵芯。次級側電能變換裝置包括高頻整流電路、濾波電路和負載。工頻交流電首先經(jīng)過初級側電能變換裝置將工頻交流電轉換為高頻交流電，經(jīng)過初級側諧振電路，在初級側線圈和鐵芯周圍產生高頻交變磁場；次級側線圈和鐵芯拾取部分高頻磁場，產生高頻感應電壓，經(jīng)過串聯(lián)諧振電路，在次級側電能變換裝置中對高頻交流電進行變換，最終給電池組充電[12-14]。

2 感應耦合充電原理

感應耦合無線電能傳輸技術可采用互感模型進行描述，系統(tǒng)等效示意圖如圖2所示。其中Up為高頻正弦交流電壓，ω為頻率，Rp為初級側線圈內阻，Rs為次級側線圈內阻，M為互感系數(shù)，R為等效負載阻抗，LP為初級側電感，Is為次級側電感。Cp為初級側諧振補償電容，Cs為次級側諧振補償電容。

圖2 系統(tǒng)等效示意圖

根據(jù)圖2所示系統(tǒng)結構模型，分別對松耦合變壓器初級側和次級側列寫KVL方程：

定義系統(tǒng)傳輸效率η為次級側負載得到功率Ps與初級側輸入功率Pp的比值。系統(tǒng)工作頻率為諧振頻率時，電能傳輸效率最高。因此系統(tǒng)工作頻率ω0可表示為：

聯(lián)立式（1）和（2），可得系統(tǒng)傳輸效率：

定義耦合系數(shù)為k

當初級側內阻遠小于次級側電阻時，式（3）可表示為：

耦合系數(shù)是表征系統(tǒng)傳輸效率的重要因素，理論上只與耦合結構幾何形狀、磁性材料和相對位置有關。其他參數(shù)確定情況下，耦合系數(shù)k越大，系統(tǒng)傳輸效率越高。對于電動汽車感應電能傳輸，耦合結構幾何參數(shù)的合理選擇是提高系統(tǒng)能量傳輸效率的有效途徑[15]。

3 松耦合變壓器設計

3.1 結構設計

傳統(tǒng)松耦合變壓器大多由線圈結構實現(xiàn)能量的發(fā)射和接收，電磁場能量在線圈周圍空間分布較為發(fā)散，導致傳輸范圍有限、傳輸距離較小和耦合效率較低。因此需要在松耦合變壓器初級側和次級側添加能量磁場引導材料，并對其結構進行合理設計。電動汽車無線充電系統(tǒng)能量拾取裝置需要安裝于車輛底盤部位，在保證傳輸性能的前提下，拾取裝置的長度、寬度和厚度要盡量小，以滿足汽車行駛過程中車輛底盤距離地面的安全要求。

針對電動汽車無線充電系統(tǒng)工作特性，本文設計如圖3所示松耦合變壓器結構。該耦合結構由能量發(fā)射端和能量拾取端組成。能量發(fā)射端為盤形結構，線圈下方設置鐵芯結構，鐵芯為8個“T”型鐵芯和環(huán)形鐵芯組成，與傳統(tǒng)能量發(fā)射線圈相比，該種結構可將能量發(fā)射到更遠距離，，且具有一定的磁場屏蔽作用。能量拾取端為方形結構，線圈分為上下兩側，上層線圈為兩個矩形線圈，下層為方形線圈，線圈上方為條狀鐵芯結構。雙層線圈結構可以增強能量拾取的能力，并提高系統(tǒng)對錯位偏移的容忍能力。發(fā)射線圈尺寸為800×800×60 mm，接收線圈尺寸為60×60×50 mm，耦合距離為200 mm。

圖3 耦合結構三維圖

3.2 有限元分析

Maxwell是一款專業(yè)電磁場有限元分析軟件，具有向導式的用戶界面、高精度的自適應剖分技術和強大的后處理能力，3D模塊為高性能三維電磁分析軟件[2]。依據(jù)耦合結構設計參數(shù)在SolidWorks中建立系統(tǒng)模型，將其導入到Maxwell軟件中進行有限元分析，獲取該耦合結構磁力線分布情況，如圖4所示。在能量發(fā)射裝置上方，磁感應強度分布和磁力線流向較為均勻；在能量發(fā)射裝置下方磁感應強度相對較弱。這是由于圓盤形狀能量發(fā)射端結構可提供加大范圍的磁場，同時其鐵芯結構形成良好磁場屏蔽作用。

圖4 磁力線分布圖

耦合結構線圈繞制和鐵芯布置方式確定后，系統(tǒng)耦合系數(shù)取決于電動汽車進行充電的?？课恢煤洼d重情況。電動汽車停靠位置無法使車載能量拾取裝置和置于地面的能量發(fā)射裝置對齊時，耦合結構出現(xiàn)水平方向的錯位偏移情況。電動汽車載重大小會對車輛底盤高度產生影響，進而對初級側和次級側耦合結構間豎直方向的氣隙產生影響。在Maxwell軟件三維靜態(tài)場中進行參數(shù)化求解，獲取耦合系數(shù)隨豎直方向氣隙和水平方向偏移變化情況，如圖5所示。在未發(fā)生水平偏移條件下，耦合系數(shù)大小與初級側和次級側間氣隙大小成線性關系，隨著氣隙增加，耦合系數(shù)逐漸減小。在200 mm氣隙下，隨著初級側和次級側水平方向錯位的增加，耦合系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢。

圖5 耦合系數(shù)與氣隙和偏移關系

4 聯(lián)合仿真分析

電動汽車無線充電系統(tǒng)是由電路部分和松耦合變壓器組成的系統(tǒng)，電路部分和松耦合變壓器存在相互影響，只有建立能夠同時進行電磁場有限元分析和電路系統(tǒng)分析的仿真模型，才能更準確的進行無線充電系統(tǒng)進行仿真模擬。通過Maxwell靜態(tài)場進行參數(shù)化分析，討論耦合系數(shù)和電感參數(shù)隨耦合結構位置變化的關系。在Simplorer軟件建立系統(tǒng)電路模型，通過開展聯(lián)合仿真的方法，對松耦合變壓器在系統(tǒng)中性能進行分析。電動汽車無線充電系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

在Maxwell軟件建立松耦合變壓器模型，其中初級側和次級豎直方向有200mm氣隙，且未發(fā)生水平偏移，將Maxwell中仿真模型導入到Simplorer軟件，其中聯(lián)合仿真狀態(tài)控制如圖6所示。

該仿真系統(tǒng)主要包括松耦合變壓器模型、初級側全橋逆變電路、功率補償電路、次級側整流濾波電路和逆變電路控制模塊。在Simplorer中通過建立狀態(tài)圖對全橋逆變電路進行控制，其中載波頻率設置為850 kHz，信號波頻率為85 kHz。初級側和次級側均為電感線圈，為減少系統(tǒng)無功功率，提高系統(tǒng)傳輸效率需要對初級側和次級側進行功率補償，初級和次級電路均采用串聯(lián)補償結構。通過聯(lián)合仿真分析獲取松耦合變壓器兩端電路參數(shù)如表2所示。

聯(lián)合仿真過程中，Maxwell軟件和Simplorer軟件同時運行，Maxwell主要負責耦合結構電磁場有限元分析，將Simplorer產生的電信號作為激勵導入Maxwell模型，同時將有限元仿真產生的狀態(tài)空間方程計算并輸出到電路仿真系統(tǒng)。仿真結果顯示傳輸功率為3.65 kW，傳輸距離200 mm，未發(fā)生水平偏移條件下，松耦合變壓器兩側效率可達89.9%。因此，該松耦合變壓器結構傳輸功率等級和效率滿足電動汽車無線充電系統(tǒng)設計要求。

圖6 聯(lián)合仿真狀態(tài)控制圖

表2 松耦合變壓器兩端參數(shù)

5 結 論

文中針對電動汽車感應耦合無線充電系統(tǒng)特點，設計了新型松耦合變壓器。其中通過Maxwell有限元分析獲取的磁場分布圖，表明該裝置符合電動汽車無線充電特性；由Maxwell軟件參數(shù)掃描分析，顯示該結構耦合系數(shù)滿足偏移和氣隙變化要求；通過Maxwell和Simplorer聯(lián)合仿真分析表明，該結構滿足電動汽車對耦合裝置傳輸效率和功率等級的要求。該耦合結構的提出，為電動汽車無線充電松耦合變壓器設計和選擇提供一定參考。

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Simulation and study on loosely coupled transformer for wireless power transfer of electric vehicle

LI Qiu-sheng1，ZHANG Guo-xing1，LI Pei-ying2，LIU Wei-liang2，GUO Jin-wei3
（1.Mechanical and Electrical Engineering Institue，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China；2.Handan University，Handan 056038，China；3.College of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China）

The new loosely coupled transformer used for electric vehicle wireless charging system is designed.The performance of loosely coupled transformer needs to be tested when it is used for electric vehicle wireless charging system.The Constitution and principle of wireless charging system are described in detail.The relationship between the coupling coefficient and the transmission efficiency is analyzed. Based on Maxwell parametric analysis，the proposed coupled structure is analyzed.Particularly，the relationship of the position and the coupling coefficient is needed to be concerned.The method of cosimulation based on Simplorer software is utilized to analyze the performance of the loosely coupled transformer.The curve of coupling coefficient changing with gap and misalignment is obtained，and the parameters of voltage and current are obtained.With 200mm gap and no misalignment，the power of the system with proposed structure reaches 3.65kW，the transmission efficiency is 90.12%.The proposed loosely coupled transformer satisfies the requirement of electric vehicle wireless charging system.

electric vehicle；wireless power transfer；loosely coupled transformer；simulation

TN03

：A

：1674-6236（2017）08-0027-05

2016-08-02稿件編號：201608007

國家自然基金資助項目（11272112）

李秋生（1959—），男，河北武邑人，碩士，教授。研究方向：機電設備開發(fā)與設計。