（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢430205）

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電（DWC）技術(shù)是目前研究最為熱門的技術(shù)之一，該技術(shù)可以解決電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航不足等問題。但DWC 技術(shù)的主要缺點(diǎn)是車輛移動(dòng)過程中收發(fā)線圈之間的橫向偏移過大會(huì)導(dǎo)致接收效率嚴(yán)重減小[1-3]。為了實(shí)現(xiàn)從電源到車載電池的高效率傳輸，必須保持接收與發(fā)射線圈一定的對(duì)準(zhǔn)范圍，減小偏差。因此首先要測(cè)量出線圈之間的橫向偏差，再對(duì)車輛或線圈進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。目前對(duì)于電動(dòng)汽車偏差測(cè)量，其中主流的方法之一是通過高精度全球定位（GPS）來測(cè)量兩種線圈的橫向偏差[4-5]，但這種方法調(diào)節(jié)有延時(shí)和定位誤差；另一種方法是利用磁定位檢測(cè)技術(shù)來測(cè)量兩線圈的橫向偏差，但磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著永磁體與磁傳感器的距離增大而衰減，影響檢測(cè)的精度[6]。本文采用四線圈檢測(cè)模型以提高檢測(cè)精度，并在Maxwell、Simplorer 與Simulink 中進(jìn)行了聯(lián)合仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案的有效性[7]。

1 動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)架構(gòu)與控制策略分析

1.1 動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)架構(gòu)

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為四部分，分別為發(fā)射側(cè)電路、線圈耦合電路、接收側(cè)電路以及檢測(cè)電路。發(fā)射側(cè)電路是將市電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，由整流器、高頻逆變器、諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。線圈耦合電路由發(fā)射線圈、接收線圈以及4個(gè)檢測(cè)線圈構(gòu)成，發(fā)射線圈在高頻交流電的作用下產(chǎn)生電磁場(chǎng)，進(jìn)而與接收線圈和檢測(cè)線圈產(chǎn)生互感，并進(jìn)行電能傳輸。接收側(cè)電路由諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、整流電路、DC/DC 變換器以及充電電池構(gòu)成，該電路將接收到的交流電轉(zhuǎn)換成較為穩(wěn)定的直流電供電池充電[8-9]。檢測(cè)電路由諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、同步整流器、直流電壓檢測(cè)模塊構(gòu)成，該電路在車身處于不同情況下時(shí)，4個(gè)線圈會(huì)接收不同電壓，通過這4個(gè)大小不同的電壓來確定車身偏移的情況。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

1.2 動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)接收側(cè)穩(wěn)壓控制策略

動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)接收側(cè)穩(wěn)壓控制是該系統(tǒng)的重要組成部分。動(dòng)態(tài)無線充電傳輸功率是不穩(wěn)定的，電壓和電流會(huì)隨電動(dòng)汽車位置變化而變化。為增加電池循環(huán)次數(shù)，保持充電電壓恒定，動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)的接收側(cè)將接收到的交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?。進(jìn)一步穩(wěn)壓使用帶電容的閉環(huán)DC-DC 降壓變換器，來保護(hù)電池與其他用電設(shè)備。該電路的閉環(huán)控制在仿真與實(shí)際生產(chǎn)中都非常實(shí)用且高效，通過改變開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間與頻率即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的控制。接收側(cè)變換器輸入電壓Uin、輸出電壓Uout以及占空比D的關(guān)系為

式中：Ton為開通時(shí)間；Toff為關(guān)斷時(shí)間。動(dòng)態(tài)無線充電接收線圈的電壓隨著車輛位移而改變，所以Uin是一個(gè)變化的值，為了使得Uout穩(wěn)定，本文通過PI控制器對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓控制。

2 動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)及偏差檢測(cè)理論分析

2.1 動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)分析

系統(tǒng)的諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用的是S-S型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振條件不受電動(dòng)汽車位置影響。S-S 諧振式互感模型如圖2所示，C1是發(fā)射側(cè)諧振補(bǔ)償電容；R1是發(fā)射側(cè)電感的等效電阻；C2是接收側(cè)諧振補(bǔ)償電容；R2是接收側(cè)電感的等效電阻；RL是負(fù)載電阻；和是發(fā)射側(cè)輸入電壓與電流；和是接收側(cè)輸出電壓與電流；L1和L2分別是發(fā)射線圈和接收線圈自感；M為發(fā)射線圈與接收線圈的互感，諧振頻率為ω[8-9]。

圖2 S-S 諧振式互感模型Fig.2 S-S resonant mutual inductance model

圖2的電路網(wǎng)孔方程為

當(dāng)系統(tǒng)諧振時(shí)，可得：

則諧振條件為

由上式輸入回路的等效阻抗為

電流輸出比：

電壓輸出比：

發(fā)射側(cè)功率：

2.2 偏差檢測(cè)理論分析

由上文分析可知，傳輸功率的大小與互感有著極大的關(guān)系。線圈的偏移對(duì)互感有很大的影響，對(duì)線圈偏差分析是必要的，如圖3所示，對(duì)于單匝矩形發(fā)射線圈A1B1C1D1的長為2a1，寬為2b1，單匝接收線圈A2B2C2D2的長為2a2，寬為2b2，假設(shè)發(fā)射線圈和接收線圈中心點(diǎn)坐標(biāo)分別為（0，0，0）、（X，Y，H），則兩線圈的的互感為

由式（11）可知線圈尺寸越大，其積分區(qū)間越大，互感M越大；兩線圈相對(duì)偏移越大，即X、Y越大，積分項(xiàng)的分子越小，則互感M 就越??；兩線圈垂直距離H越大，積分項(xiàng)分母越大，則互感M 就越小。

3 動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

圖3 兩單匝線圈相對(duì)位置示意圖Fig.3 Diagram of relative positions of two coils

動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖4所示，基于S-S 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)射線圈經(jīng)高頻交流電源UO的驅(qū)動(dòng)下與接收線圈和檢測(cè)線圈發(fā)生諧振。其中C1、C2、C3是這3個(gè)線圈的諧振電容，R1、R2、R3是這3個(gè)線圈的等效電阻，II、IO、I3分別為發(fā)射回路、接收回路與檢測(cè)回路的回路電流。整流電路和電容C6是將接收線圈接收到的交流電轉(zhuǎn)化為平滑直流電。整流后緊接的是buck 穩(wěn)壓電路，控制器通過控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)MOS 管G5，使負(fù)載兩端的電壓穩(wěn)定。圖5 中負(fù)載電阻R6為電池內(nèi)阻。檢測(cè)電路的本質(zhì)其實(shí)就一個(gè)特殊的接收電路，它的采樣電阻R5比接收電路的負(fù)載電阻R6大很多，由式（4）～式（6）可知此時(shí)檢測(cè)電路的功率和電流I3都非常小，而檢測(cè)線圈兩端電壓基本都被該大電阻所分得，在檢測(cè)線圈接收到電能后為了檢測(cè)其電壓大小，本文采用了同步整流的方法，通過給同步整流電路的MOS 管G1、G2、G3、G3施加同步PWM 信號(hào)，使交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再經(jīng)過電容C5濾波得到平滑的直流電。通過前后兩對(duì)線圈的電壓大小可判斷車輛的偏移情況、車身的傾斜情況。

圖4 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖Fig.4 System circuit design drawing

4 系統(tǒng)的仿真與分析

4.1 線圈模型設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電以及橫向偏移檢測(cè)，在Maxwell 軟件中設(shè)計(jì)了如圖5的線圈模型，該模型用2個(gè)發(fā)射線圈來模擬公路上的發(fā)射線圈，該線圈匝數(shù)設(shè)置為27 匝，發(fā)射線圈與接收線圈尺寸相同，內(nèi)側(cè)長寬分別為42 cm、22 cm，外側(cè)長寬分別為70 cm、50 cm，線圈為單層線圈，其高度為3 mm。4個(gè)檢測(cè)線圈的尺寸相同其長寬是接收線圈的十分之一，高度為3 mm，線圈匝數(shù)為37 匝。接收線圈與發(fā)射線圈垂直距離為15 cm，檢測(cè)線圈與發(fā)射線圈的垂直距離設(shè)為10 cm，同時(shí)為了減小檢測(cè)線圈對(duì)接收線圈的影響，應(yīng)該讓2種線圈水平距離相距較遠(yuǎn)，本文設(shè)定的距離為10 cm，該模型與實(shí)際模型相似度較高，也很容易實(shí)現(xiàn)。

圖5 線圈耦合模型圖Fig.5 Coil coupling model diagram

4.2 動(dòng)態(tài)無線充電偏差檢測(cè)仿真

圖6為偏差檢測(cè)電路仿真圖，其發(fā)射線圈與檢測(cè)線圈的參數(shù)如4.1 節(jié)所述，由于整體電路圖比較大且4個(gè)偏差檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)相同，所以圖6 只給出了1個(gè)檢測(cè)線圈的電路圖。在動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)中，發(fā)射測(cè)利用頻率為100 kHz 且幅值為200 V的正弦電壓供電，其發(fā)射側(cè)與檢測(cè)側(cè)諧振電容C1、C3分別為5.4 nF 與28 nF，在諧振網(wǎng)絡(luò)的作用下使得發(fā)射線圈與檢測(cè)線圈產(chǎn)生諧振。此時(shí)檢測(cè)線圈上會(huì)有交流電產(chǎn)生，將交流電通過同步整流的方式變?yōu)橹绷麟姡痉抡媸峭ㄟ^電壓表直接讀取采樣電阻R6兩端電壓，在工程應(yīng)用中可以通過采樣電路采取R6兩端電壓。圖7是接收線圈橫向偏移時(shí)左右兩檢測(cè)線圈在縱向中線上的互感變化圖，當(dāng)接收線圈偏移為0 mm時(shí)，左右接收線圈與發(fā)射線圈的互感大小相等，均為2.1 μH 左右。當(dāng)接收線圈向左或向右偏移150 mm時(shí)，左或右檢測(cè)線圈與發(fā)射線圈的互感會(huì)達(dá)到最大互感，此時(shí)檢測(cè)線圈的中心在發(fā)射線圈的正上方。

圖6 偏差檢測(cè)電路仿真圖Fig.6 Simulation of deviation detection

圖7 兩縱向?qū)ΨQ檢測(cè)線圈與發(fā)射線圈的互感曲線Fig.7 Mutual inductance of a pair of receiving detect coils

圖8是接收線圈處于不同橫向偏差時(shí)檢測(cè)到的電壓波形圖，當(dāng)橫向偏移為0 mm時(shí)，左右檢測(cè)線圈檢測(cè)到的電壓基本一致，此時(shí)檢測(cè)線圈與發(fā)射線圈互感剛好與圖7 中交點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，汽車前方或后方每對(duì)線圈的互感相等，同時(shí)也可得到前方或后方每對(duì)線圈的電壓相等，當(dāng)橫向右偏移為140 mm時(shí)，線圈的互感也會(huì)隨之改變，橫向右偏會(huì)導(dǎo)致右邊的線圈與發(fā)射線圈的互感減小，左邊的線圈與發(fā)射線圈的互感增加，在圖中可以看到右偏140 mm時(shí)，左線圈的電壓接近8 V，右線圈的電壓不到2 V，這一規(guī)律也適合其他點(diǎn)電感和電壓的測(cè)量。

圖8 不同橫向偏差時(shí)檢測(cè)到的電壓波形Fig.8 Voltage waveforms detected with lateral deviations

4.3 動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)接收側(cè)穩(wěn)壓仿真

圖9是通過Simplorer、Maxwell 和Simulink 聯(lián)合仿真的仿真圖，圖9（a）是Simplorer 中的仿真電路圖，其中Simplorer 負(fù)責(zé)電路仿真，其中負(fù)載等效電阻R10=50 Ω。圖9（b）是在Simulink 中搭建的DC/DC 變換器PI控制電路模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收側(cè)50 V 穩(wěn)壓控制。線圈模型在Maxwell 軟件仿真，發(fā)射線圈與接收線圈的參數(shù)與模型如4.1 節(jié)所述，發(fā)射側(cè)電路與第3 節(jié)中相同，接收側(cè)的諧振電容為5.4 nF，此時(shí)發(fā)射線圈與接收線圈互感強(qiáng)度較大。

圖9 Simplorer、Maxwell 和Simulink 聯(lián)合仿真圖Fig.9 Joint simulation of Simplorer，Maxwell and Simulink

圖11為有或無檢測(cè)線圈時(shí)發(fā)射線圈與接收線圈的互感，其中有檢測(cè)線圈時(shí)收發(fā)線圈的互感是要略小于無接收線圈時(shí)收發(fā)線圈的互感的，這一結(jié)果也說明了四檢測(cè)線圈在水平距離接收線圈為10 cm時(shí)對(duì)收發(fā)線圈有一定的影響但影響很小。本仿真分別檢測(cè)了收發(fā)線圈中心點(diǎn)橫向偏差為100 mm、200 mm、250 mm時(shí)接收線圈所接收的電壓（此時(shí)縱向偏差為0 mm），根據(jù)圖10所示這3個(gè)位置所對(duì)應(yīng)的互感為114 μH、63.6 μH、37 μH，圖12是有發(fā)射線圈時(shí)接收線圈接收到的電壓通過整流電路后得到的直流電壓波形圖，此圖可以很明顯看出互感越大其接收側(cè)的接收電壓就會(huì)越大，DC/DC 變換器的調(diào)節(jié)時(shí)間就越長，但總體來看接受側(cè)最終的直流電壓是得到了有效的控制，在整個(gè)仿真過程中，其最大的電壓都小于60 V，與目標(biāo)值相差較小。

圖10 收發(fā)線圈相互偏移時(shí)的互感圖Fig.10 Mutual inductance diagram of transceiver coils offset from each other

圖11 發(fā)射線圈與接收線圈的互感Fig.11 Mutual inductance of transmitter and receiver coils

圖12 接收側(cè)輸出電壓Fig.12 Receive side output voltage

5 結(jié)語

本文針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及在運(yùn)行過程中出現(xiàn)橫向偏移這一問題進(jìn)行了分析與探究。通過在Maxwell、Simplorer 和Simulink中進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了上述理論。首先，電動(dòng)汽車在行駛的過程中難免會(huì)出現(xiàn)橫向偏移，當(dāng)橫向偏移大于100 mm，發(fā)射線圈與接收線圈的互感會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重下降，會(huì)導(dǎo)致電能傳遞效率的下降，所以電動(dòng)汽車的橫向偏移不得超出100 mm。其次電動(dòng)汽車出現(xiàn)橫向偏差時(shí)，檢測(cè)線圈的互感以及檢測(cè)到的電壓會(huì)隨之迅速的改變，根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過四個(gè)對(duì)稱線圈的檢測(cè)是完全可以實(shí)時(shí)確定電動(dòng)汽車的偏移情況的，該檢測(cè)是解決電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電橫向偏差問題的第一步，也是最為重要的一步，必須得到精確的測(cè)量結(jié)果。本文是通過矩形線圈進(jìn)行的仿真，對(duì)于圓形線圈的仿真其原理與上文相同。