楊 奕，曹桂梅，李海嘯

(重慶理工大學電氣與電子工程學院，重慶 400054)

為助力實現(xiàn)“雙碳”目標，新能源電動汽車受到了世界各國的大力推廣。電動汽車充電方式主要包括有線充電和無線充電，但有線充電方式因其固有的插拔式操作容易產(chǎn)生火花而造成安全隱患，且難以適應雨雪等惡劣天氣[1]。而無線充電方式以其特有的能量轉換形式和安全性高、便捷靈活、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，可用于室內(nèi)外停車場以及特定路面充電等實際應用場景。在國內(nèi)外相關研究機構及企業(yè)的努力下，天際ME7、奔馳GLE、北汽EV200、捷途X70s、奧迪AI、沃爾沃XC40 等無線充電車型已得到了廣大消費者的認可。

然而，在電動汽車無線充電系統(tǒng)中，若電動車偏離有效充電區(qū)域會極大地限制其充電能效性，目前相關研究人員從改進線圈結構[2－4]、改變補償網(wǎng)絡[5－7]、優(yōu)化控制策略[8－9]等方面進行了大量研究，來改善磁耦合機構的抗偏移能力[10]，但在實際應用中耦合機構的偏移容忍度提升是有限的，針對該問題，標準J2964 提到將位置檢測與泊車過程相結合[11]的定位技術以保證車輛實現(xiàn)有效充電。

為實現(xiàn)電動車定位以提升無線充電效率，現(xiàn)有文獻主要采用了三種方式:增設通信設備、結合WPT 系統(tǒng)自身特性、采用定位輔助線圈。

在增設通信設備方面，現(xiàn)有文獻通過增設攝像頭、RFID、鐵氧體計數(shù)器等實現(xiàn)位置檢測。文獻[12]基于攝像頭設備，將地標信息與預測地圖信息進行匹配實現(xiàn)位置識別，但該方法對識別區(qū)域內(nèi)障礙物的敏感性低。為提升位置檢測精度，文獻[13]將射頻識別技術引入到無線充電系統(tǒng)以實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的線圈定位，但該方法標簽易磨損、成本高。考慮到功率線圈大多配置相應鐵氧體以提升耦合性能，KAIST 提出在一次側增設鐵氧體位置計數(shù)器的方法，針對含有鐵氧體磁芯的二次側線圈進行位置識別[14]，然而該方法受限于接收線圈的鐵氧體空間分布?？梢娡ㄟ^增設通信設備或添加傳感器定位的方法，提高了系統(tǒng)的整體運營成本。

在結合WPT 系統(tǒng)自身特性實現(xiàn)定位方面，為避免額外增設檢測傳感器導致系統(tǒng)復雜化，文獻[15]通過測量發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合系數(shù)實現(xiàn)發(fā)射端線圈位置檢測，但該方法僅能使電動車移動至直徑20 cm～30 cm 內(nèi)的近完美耦合區(qū)域，且僅適用于發(fā)射線圈與接收線圈為圓形線圈的情況。另外，西南交通大學研究團隊[16]考慮到采用的數(shù)據(jù)擬合方式仍具備不確定性，在發(fā)射線圈與接收線圈均為圓形線圈的基礎上，通過推導互感與線圈位置之間的數(shù)學解析關系，提出了基于互感參數(shù)的線圈自定位方法，定位精度可達1 mm。該定位方法精確度很高，但受限于線圈結構，適用性有待提高。

可見，通過增設傳感器以及結合系統(tǒng)自身特性實現(xiàn)定位均受限于無線充電系統(tǒng)的實際應用場合。因此，采用定位輔助線圈實現(xiàn)車輛位置識別的定位方式受到了國內(nèi)外相關研究人員的廣泛關注。

在采用定位輔助線圈方面，現(xiàn)有研究主要在改造發(fā)射線圈或接收線圈的基礎上結合相應定位算法以實現(xiàn)位置檢測。文獻[17]采用四個圓形輔助線圈對稱分布于方形接收線圈外圍，利用電磁平衡原理，采集兩組對稱線圈的差分電壓并結合參數(shù)擬合進行定位，該定位方法精度可達1 厘米，但需要二次改造車載接收線圈。針對車載系統(tǒng)安裝輔助定位線圈使得體積繁雜這一問題，文獻[18]將四個半徑極小的圓形線圈對稱內(nèi)嵌于圓形接收線圈內(nèi)部構成輔助機構實現(xiàn)定位，但因其輔助線圈尺寸限制，使得定位高度受限。為解決位置識別范圍的問題，文獻[19]提出將八個感應線圈分成四組分別纏繞在接收線圈側面的無線充電定位系統(tǒng)，結合相應算法實現(xiàn)定位，但發(fā)射線圈面積約為接收線圈三倍，且需要二次改造接收線圈的結構。綜上，目前引入輔助線圈的定位方式大多需要在現(xiàn)有車載線圈結構上進行二次改造且無法滿足各類車型的定位高度需求，這給電動車定位的實際應用帶來一定難度。

綜上，本文從利用現(xiàn)有車載系統(tǒng)逆變器和接收線圈實現(xiàn)位置檢測為出發(fā)點，研制一種垂向磁場較強且不影響功率線圈工作的定位輔助線圈，并提出相應方向引導及位置檢測方法以修正停車點。相較于其他定位方法，該輔助線圈及其定位方式具有以下優(yōu)點:無需二次改造車載系統(tǒng)；滿足不同車型的定位高度需求；適應多種典型磁耦合機構；不影響功率線圈工作。

1 基于3U 型定位輔助線圈的WPT 系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介

無線電能傳輸系統(tǒng)主要由直流電源、逆變電路、補償拓撲、發(fā)射線圈、接收線圈、整流濾波電路以及負載組成。從利用車載系統(tǒng)現(xiàn)有逆變電路及接收線圈出發(fā)，為適應現(xiàn)有典型磁耦合機構及不同底盤高度車型，設計U 型輔助線圈并置于發(fā)射線圈底部以避免影響主耦合機構能量傳輸過程。WPT 定位系統(tǒng)整體結構如圖1 所示。定位時，以不同工作頻率分別控制各個U 型線圈工作，并實時采集相應負載電壓作為定位信號，當發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生偏移時，三個U 型線圈與接收線圈之間的耦合程度各不相同，通過對各輸出電壓值進行特征軌跡識別來實現(xiàn)位置檢測。

圖1 基于3U 型定位輔助線圈的WPT 系統(tǒng)

3U 型定位輔助磁耦合機構如圖2 所示，在不改變功率接收線圈基礎上，設計輔助線圈以U 型結構呈等邊三角形分布于發(fā)射線圈底端，在不影響發(fā)射端線圈工作基礎上實現(xiàn)位置檢測功能，其中U1 線圈到輔助結構原點的距離為110 mm。

圖2 3U 型輔助機構介入下的磁耦合機構

1.2 數(shù)學模型分析

圖3 為基于3U 型輔助線圈并采用LCC-S 諧振網(wǎng)絡的WPT 定位系統(tǒng)電路圖。其中，Q1－Q4為全橋逆變電路的開關管，D1－D4為橋式整流電路的二極管，LT－LU3為主線圈(TC、RC)和定位輔助線圈(U1、U2、U3)的自感，Lt－L3和CT－CU3分別為發(fā)射線圈和輔助線圈的諧振電感和諧振電容，MT1－MTR為磁耦合機構中對應兩個線圈之間的互感。為避免交叉耦合影響以及有效識別多個輔助線圈的具體工作狀態(tài)，采取頻率控制方法對該輔助線圈進行控制，三個U 型線圈的開關頻率設置為94.5 kHz、95.5 kHz、96 kHz，耦合頻率設置為95 kHz。

圖3 WPT 定位系統(tǒng)電路結構

采用基波分析法對系統(tǒng)電路進行數(shù)學建模[20－21]，相應的電路諧振條件為:

在定位狀態(tài)下，以U1 線圈工作為例，U2、U3、TC 不工作，即I2、I3、It為0，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)等效電路圖

在不考慮補償電感Lt、L1、L2、L3交叉耦合的條件下，結合補償條件(1)，由基爾霍夫定律可知相關回路電流為:

考慮到整流電路和濾波電容CO的影響，接收端的等效電阻為:

結合式(2)、式(3)可知，當不同U 型線圈單獨工作時，負載兩端電壓和互感MRi為:

在線圈固有參數(shù)、補償電感以及輸入電壓確定的情況下，負載端輸出電流、輸出電壓與互感呈正比關系。

假設接收線圈為NR匝，每匝由M點組成，任一點可表示為Pn－m(Xn－m，Yn－m，Zn－m)(n＝1，2，…，NR且m＝1，2，…，M)。因U 型輔助線圈屬于密繞螺線管線圈，所以每匝線圈可近似為閉合圓形電流，因此空間內(nèi)Pn－m點處的磁感應強度可等效為NU匝圓載流線圈在該點各自激發(fā)的磁感應強度的疊加[22]，圖5 為磁感應強度示意圖。

圖5 磁感應強度計算簡化圖

為簡化計算，以每匝U 型線圈中點建立子坐標xjyjzj(j＝1，2，…，NU)，結合三維空間坐標系在旋轉與平移情況下的變換規(guī)律，得到xjyjzj空間內(nèi)的Pn－m點位置(xn－m－j，yn－m－j，zn－m－j)。即:

式中:e表示相應的單位向量。根據(jù)畢奧－薩伐爾定律，得到單匝圓形線圈在Pn－m點磁感應強度的軸向分布Bz分別為[22]:

式中:A＝R2＋d2－2Rdcosθn－m－j且θ＝β－α。

NU匝螺線管線圈情況下Pn－m點磁感應強度的軸向分布為:

得到相應NU匝螺線管線圈(U1、U2、U3)與NR匝接收線圈(RC)的磁通鏈ψiR為:

結合式(5)～式(9)可知，U 型線圈與接收線圈之間的互感與兩者的相對位置有關，即在兩者相對位置發(fā)生變化的偏移情況下，對應的互感也會發(fā)生變化。同時由于三個U 型線圈的結構特征，使得在某一接收線圈偏移情況下，三個U 型線圈分別與接收線圈之間的互感均不同。

2 3U 型定位輔助線圈的適用性分析

將定位輔助線圈引入至現(xiàn)有典型磁耦合機構中以分析其磁耦合器適應性。因該線圈的分布特點，MR1、MR2、MR3總體呈120°旋轉對稱變化，以下僅通過分析MR1的變化規(guī)律來說明其適用性。

2.1 輔助結構應用于方形－方形磁耦合機構

當發(fā)射線圈與接收線圈均為方形線圈(SC)時，不同傳輸距離d對應的MR1(SC-SC)變化如圖6 所示。可見，不同距離d對應的MR1(SC-SC)總體平面變化規(guī)律一致，且MR1(SC-SC)隨d增大而減小，另外在X1O1Y1平面的任意象限內(nèi)，MR1(SC-SC)隨著X軸的偏移逐漸減小且在X軸上各點的互感可近似為0、隨著Y軸的偏移先增大后減小。當發(fā)射線圈與接收線圈正對齊時，接收線圈結構中心位于輔助線圈中心，接收線圈與三個U 型線圈幾乎無耦合現(xiàn)象，即MR1(SC-SC)＝MR2(SC-SC)＝MR3(SC-SC)≈0。當發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生偏移時，接收線圈與三個U 型線圈的互感各不相同，即MR1(SC-SC)≠MR2(SC-SC)≠MR3(SC-SC)。

圖6 不同偏移情況下的MR1(RC-RC)變化規(guī)律

2.2 輔助結構應用于DD 型－DD 型磁耦合機構

當發(fā)射線圈與接收線圈均為DD 型線圈時，輔助線圈與接收線圈之間的互感變化如圖7 所示?？梢奙R1(DD-DD)在不同距離d下的變化趨勢一致，且隨d增大而減小。在X1O1Y1平面的任意象限內(nèi)，MR1(DD-DD)隨ΔX的偏移逐漸減小，隨ΔY的偏移先減小再略增大，最小點為U 型線圈結構終點。發(fā)射線圈與接收線圈正對齊時相應互感為MR1(DD-DD)≈MR2(DD-DD)＝MR3(DD-DD)。發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生偏移時，接收線圈與三個U 型線圈的互感各不相同，即MR1(DD-DD)≈MR2(DD-DD)≠MR3(DD-DD)。

圖7 不同偏移情況下的MR1(DD-DD)變化規(guī)律

由以上分析可知，當3U 型輔助結構介入到以上典型磁耦合機構時，各U 型線圈與對應接收線圈的互感隨兩者相對位置變化而變化，即使在d＝250 mm時，互感變化也較為明顯。因此該輔助結構完全適用于方形、DD 型線圈組成的多種磁耦合系統(tǒng)，且滿足大部分車型對定位高度嚴苛的要求。

3 基于等值互感特征軌跡的定位與方向引導方法

3.1 典型耦合結構下的等值互感特征軌跡分析

若接收線圈發(fā)生位置偏移，則接收線圈與各個U 型線圈之間的互感也會相應變化，進而導致相應U 型線圈單獨工作下的負載電壓改變。當功率線圈均為方形線圈時，以U1 線圈單獨工作為例，結合圖6 所示的MR1(SC-SC)變化規(guī)律可知，在傳輸距離Δz一定時，若測得確定的負載電壓UO1，此時該負載電壓對應唯一的互感MR1(SC-SC)，而MR1(SC-SC)對應無數(shù)種接收線圈與U1 線圈的偏移情形。這些偏移情形可概括為接收線圈的結構中心向輔助結構平面的投影點位于(X－a)2＋(Y－｜b｜)2＝R2的圓上，其中a＝110 mm，b＝160 mm，R與MR1(SC-SC)相關。圖8 為方形接收線圈下的等值互感特征軌跡示意圖。

圖8 方形接收線圈下的等值互感特征軌跡示意圖

類似地，當接收線圈為DD 型線圈時，結合MR1(DD-DD)變化可知，在傳輸距離Δz一定時，若測得確定的負載電壓UO1，此時該負載電壓對應無數(shù)種接收線圈與U1 線圈的偏移情形。這些偏移情形可概括為接收線圈的結構中心向輔助結構平面的投影點位于(X－110 mm)2/a2＋Y2/b2＝1(a>b>0)的橢圓上，其中a、b與MR1(DD-DD)相關。圖9 為方形接收線圈下的等值互感特征軌跡示意圖。

圖9 DD 型接收線圈下的等值互感特征軌跡示意圖

3.2 典型耦合結構下的定位與方向引導方法

根據(jù)負載電壓UO1和以U1 線圈為基準的等值互感特征軌跡的特定關系，當接收線圈發(fā)生偏移時，三個U 型線圈單獨工作時的負載電壓將對應三個不同的互感軌跡(A、B、C)，且接收線圈當前位置的唯一性也決定了對應互感軌跡A、B 和C 將具有唯一交點。因此，基于所提出的3U 型輔助機構的接收線圈位置檢測與方向引導功能主要通過估計可能點和判斷確定點來實現(xiàn)。

當接收線圈為方形時，其位置檢測和方向引導示意如圖10 所示，功能實現(xiàn)包括五個過程。①接收線圈初始位置區(qū)間判斷:當接收線圈進入U2 線圈或U3 線圈的可識別區(qū)域時，MCU 實時采集相應負載電壓并將其與數(shù)據(jù)庫信息進行比對檢索得到相應互感軌跡。此時如果互感軌跡B、C 無交點，則表示接收線圈僅處于其中一個U 型線圈的可識別區(qū)域，若UO2>0，則當前接收線圈處于XOY平面第二象限，引導軌跡指向－Y軸；反之若UO3>0，則接收線圈處于XOY平面第三象限，引導軌跡指向＋Y軸。②可能位置點估計:如果互感軌跡B、C 存在兩個交點，則可推導出兩個可能的當前位置點(x1，y1)和(x2，y2)。③引導軌跡初步生成:初步根據(jù)離中心點更遠的可能位置點生成引導軌跡引導接收線圈移動。④確定點判定和確切的引導軌跡生成:移動接收線圈直到檢測到UO1≠0，此時接收線圈進入可識別范圍，并根據(jù)互感軌跡A、B、C 的唯一交點即可確定接收線圈當前位置(x，y)，同時得到確切的引導軌跡。⑤進入有效充電區(qū)域:重復上述步驟，直到滿足最佳充電條件(UO1≈UO2≈UO3≈0)。

圖10 方形接收線圈下的修正方向引導示意圖

類似的，當接收線圈為DD 型時，其位置檢測和方向引導示意如圖11 所示，功能實現(xiàn)可細化為四個過程。①接收線圈初始位置區(qū)間判斷:通過負載電壓UO2和UO3得到相應互感軌跡B 和C，在B、C 無交點基礎上若UO2>0，則當前接收線圈處于XOY平面第二象限，引導軌跡指向－Y軸；若UO3>0，則當前接收線圈處于XOY平面第三象限，引導軌跡指向＋Y軸。②可能位置點估計:如果互感軌跡B、C 存在兩個交點，則可推導出兩個可能的當前位置點(x1，y1)和(x2，y2)。③確定點判定和確切的引導軌跡生成:結合MR1(DD-DD)變化規(guī)律和預先設定的停車方向，若互感軌跡B、C 交于兩點，必然存在一個或兩個交點處于U1 線圈的可檢測范圍，此時根據(jù)負載電壓UO1即可確定接收線圈實際位置，進而生成確切的引導軌跡。④進入有效充電區(qū)域:重復上述步驟，直到滿足(UO1≈UO2≈UO3≠0)。

圖11 DD 型接收線圈下的修正方向引導示意圖

結合上述分析可知，當所提3U 型輔助線圈介入到接收線圈為方形或DD 型的磁耦合結構時，其相應的接收線圈定位與方向引導流程如圖12 所示。

圖12 定位與方向引導流程圖

4 實驗驗證

為驗證所提3U 型輔助結構的寬范圍位置檢測與方向引導功能的實際效果，根據(jù)表1 給出的磁耦合機構參數(shù)，并結合LCC-S 補償電路的參數(shù)配置方法搭建圖13 所示的實驗樣機。

表1 樣機主要參數(shù)及元件型號

圖13 實驗樣機

在接收線圈分別為方形、DD 型線圈的條件下，依次測取對應的U 型線圈與接收線圈之間的互感和各個U 型線圈單獨工作下的負載電壓，以驗證所提3U 型輔助結構的位置檢測與方向引導可行性。

4.1 3U 型輔助結構的偏移敏感與定位可行性驗證

為驗證3U 型輔助結構的偏移敏感性，以X＝±200 mm和Y＝±200 mm 為邊界，50 mm 作為步進長度，測取了傳輸距離d分別為120 mm 和250 mm 時U1 線圈分別與方形、DD 型接收線圈之間的互感MR1(SC-SC)、MR1(DD-DD)，測量結果如圖 14 所示。圖14(a)中MR1(SC-SC)隨Y變化呈現(xiàn)出“波峰－波谷－波峰”的變化規(guī)律，隨X變化呈現(xiàn)先增大后減小且在X軸上始終為零的規(guī)律。圖14(b)中MR1(DD-DD)隨X、Y變化均呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。同時，MR1(SC-SC)和MR1(DD-DD)在同一傳輸距離d條件下相鄰測量點之間的互感變化明顯?？梢?，測量值與仿真基本吻合，驗證了3U 型輔助結構的偏移敏感性。

圖14 不同傳輸距離下MR1(SC-SC)和MR1(DD-DD)的測量結果

為驗證3U 型輔助結構的定位可行性，在與上述相同步進長度及邊界條件下，測取了不同傳輸距離d條件下三個U 型線圈分別工作下的負載電壓。當接收線圈為方形時，測量結果如圖15 所示?？梢姡攄＝120 mm 時UO1、UO2、UO3的實驗測量值與仿真的平均相對誤差為3.38%、4.77%、4.55%。當d＝250 mm時平均相對誤差為9.38%、8.77%、9.55%。其中，當接收線圈中點處于X軸時輸出電壓為0 且當其處于U型線圈端點時負載電壓達到最大。同時，在功率線圈正對齊時負載電壓滿足UO1＝UO2＝UO3＝0，當兩者發(fā)生水平偏移時有UO1≠UO2≠UO3。且隨著傳輸距離增加，各負載電壓隨之減小，這使得靠近正對齊位置的范圍中各負載電壓可能為0，即該輔助結構的整體可識別范圍將隨傳輸距離增大而逐漸減小。但當d≤250 mm 時，經(jīng)方向引導后若檢測到UO1＝UO2＝UO3＝0，則系統(tǒng)判定發(fā)射與接收線圈為正對齊情況，此時接收線圈仍然處于有效充電區(qū)域。

圖15 接收線圈為方形線圈時不同傳輸距離d 下UO1、UO2、UO3的測量結果

當接收線圈為DD 型且傳輸距離分別為150 mm和250 mm 時，各負載電壓的測量結果如圖16所示。當d＝150 mm 時UO1、UO2、UO3的實驗測量值與仿真的平均相對誤差為4.12%、3.76%、4.05%，當d＝250 mm 時平均相對誤差為8.75%、9.21%、9.66%。同時，當發(fā)射線圈與接收線圈正對齊時各負載電壓滿足UO1≈UO2≈UO3≠0，當兩者發(fā)生水平偏移時則滿足UO1≠UO2≠UO3。另外，隨著傳輸距離增加，各負載電壓隨之減小，使得該輔助結構的整體可識別范圍減小，但d≤250 mm 時的有效充電區(qū)域仍可被有效識別。

圖16 接收線圈為DD 型線圈時不同傳輸距離d 下UO1、UO2、UO3的測量結果

測量結果與仿真基本符合，證實了發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生相對位置偏移與三個負載電壓之間的對應關系?；趩蝹€U 型線圈的可識別范圍，當接收線圈為方形時，傳輸距離d＝120 mm 對應的整體可識別范圍約為300 mm×400 mm，當d＝250 mm 時可通過方向引導將接收線圈修正到國際標準規(guī)定的偏移容忍度范圍內(nèi)的有效充電區(qū)域。當接收線圈為DD 型時，傳輸距離d＝150 mm 對應的整體可識別范圍約為400 mm×300 mm，當d＝250 mm 時仍可通過方向引導將接收線圈修正到有效充電區(qū)域。

方形、DD 型接收線圈位于XOY平面內(nèi)第二象限的位置檢測結果如圖17 所示。

定位結果與實際位置基本一致，互感變化明顯的特定范圍內(nèi)定位精度較高，而隨著偏移位置的變化，特別是在U 型線圈與接收線圈互感較低的偏移位置下，定位精度有所下降，但仍保持在10 mm 內(nèi)。

4.2 基于3U 型輔助結構的接收線圈方向引導驗證

為實現(xiàn)系統(tǒng)有效充電，在接收線圈位置檢測基礎上提出方向引導功能。在傳輸距離d＝120 mm 且接收線圈為方形線圈的條件下，分析了三種典型情況的接收線圈初始位置以驗證方向引導可靠性，對應接收線圈的方向引導和步進位置如圖18 所示。

圖18 方形接收線圈下的位置引導示意圖

將接收線圈置于XOY平面第二象限任意位置，在初始位置測得三個U 型線圈分別工作下的負載電壓UO1＝0 V，UO2＝14.5 V，UO3＝11 V，將其與數(shù)據(jù)庫信息進行比對，檢索到相應互感軌跡B 和C。結合所提出的定位方法推導出接收線圈的兩個可疑位置點為(x1＝－ 200 mm，y1＝50 mm) 和(x2＝－190 mm，y2＝30 mm)。由于這兩個可疑位置點均處于3U 型輔助結構整體可識別范圍外，此時初步根據(jù)距原點更遠的可疑點(x1，y1)生成引導軌跡以修正接收線圈位置。另外，若接收線圈實際位置處于可疑點(x2，y2)，在修正過程中，該位置也會在相同方向移動相同距離直到滿足可識別條件(UO1≠0 V)，此時接收線圈進入整體可識別范圍，在實際測試中測得UO1＝0.2 V，UO2＝12.8 V，UO3＝12.4 V，從而判斷出接收線圈當前位置(x＝－150 mm，y＝20 mm)，在此基礎上得到確切的方向引導軌跡。進而重復定位與方向引導步驟直到滿足有效充電條件(UO1＝UO2＝UO3＝0 V)。

類似地，將接收線圈置于XOY平面第三象限任意位置時，初始負載電壓為UO1＝0 V，UO2＝12.86 V，UO3＝13 V，此時推導兩個可疑位置點為(x1＝－220 mm，y1＝－80 mm) 與(x2＝－160 mm，y2＝－20 mm)，并根據(jù)(x2，y2)定義方向引導軌跡，當檢測到UO1≠0 V 時得到UO1＝0.18 V，UO2＝10.11 V，UO3＝11.3 V，從而推斷出當前實際位置(x＝－128 mm，y＝－27 mm)，進而修正引導軌跡，直至接收線圈與發(fā)射線圈正對準。若將接收線圈置于XOY平面－X軸:初始負載電壓為UO1＝0 V，UO2＝13.47 V，UO3＝13.5 V，此時推導兩個可疑位置為(x1＝－210 mm，y1＝0 mm)與(x2＝－180 mm，y2＝0 mm)，根據(jù)(x1，y1)定義引導軌跡。當測得UO1≠0 V 時，根據(jù)當前負載電壓UO1＝0 V，UO2＝12.51 V，UO3＝12.6 V 推斷出的當前所在位置(x＝－145 mm，y＝0 mm)修正引導軌跡，直至接收線圈與發(fā)射線圈正對準。

當d＝150 mm 且接收線圈為DD 型線圈時，三種典型情況下的接收線圈方向引導和步進位置如圖19所示。

圖19 DD 型接收線圈下的位置引導示意圖

將接收線圈置于XOY平面第二象限任意位置，測得初始電壓為UO1＝0 V，UO2＝5.3 V，UO3＝2.13 V，經(jīng)數(shù)據(jù)庫檢索后發(fā)現(xiàn)互感軌跡B、C 有兩個交點，即接收線圈可疑位置點為(x1＝－ 150 mm，y1＝200 mm)與(x2＝150 mm，y2＝80 mm)，結合設定的停車方向以及接收線圈為DD 型時的整體可識別范圍可知，當前位置點為(x1，y1)，因為(x2，y2)所對應的偏移位置下負載電壓UO1≠0 V。此時根據(jù)(x1，y1)生成引導軌跡直到滿足有效充電條件(VO1≈VO2≈VO3≈4.1 V)。類似地，將接收線圈置于XOY平面第三象限任意位置時，測得初始電壓UO1＝0 V，UO2＝2.41 V，UO3＝5.32 V，進而得到當前位置點(x1＝－200 mm，y1＝－200 mm)和可疑位置點(x2＝150 mm，y2＝－75 mm)。將接收線圈置于－X軸任意位置時，初始電壓UO1＝0 V，UO2＝2.41 V，UO3＝5.32 V，進而推導出當前位置(x1＝－200 mm，y1＝0 mm)和可疑位置(x2＝420 mm，y2＝0 mm)。

當接收線圈分別為方形和DD 型時，處于接收線圈位置檢測與方向引導過程的駕駛輔助顯示界面如圖20 所示。

表2 對所提3U 型輔助結構與現(xiàn)有典型輔助線圈結構[18，23]進行了比較?？梢?，所提3U 型輔助結構在不改造接收線圈基礎上兼具定位距離高、耦合機構適應性強和不影響發(fā)射線圈工作等優(yōu)點，為推動電動車無線充電定位技術產(chǎn)業(yè)化提供了可靠性。

表2 所提輔助線圈結構與現(xiàn)有輔助線圈結構的比較

5 結論

利用車載系統(tǒng)固有的逆變器和接收線圈，提出一種用于電動汽車無線充電系統(tǒng)的3U 型輔助結構及其接收線圈定位與方向引導方法。結合不同車型充電高度需求及磁耦合機構多樣性，設計輔助結構呈3U 型等邊分布以適應現(xiàn)實定位需求，并分析在該結構介入下典型磁耦合機構的磁場特性，并基于功率線圈相對位置、互感和負載電壓之間的特定關系提出相應接收線圈定位與方向引導方法。搭建WPT 系統(tǒng)實驗裝置以驗證所提方法可行性。在特定傳輸距離下，該結構定位精度能達到10 mm，且當接收線圈為方形時，輔助結構整體可識別范圍可達300 mm×400 mm，而當接收線圈為DD 型時，可識別范圍可達400 mm×300 mm，可滿足實際定位需求。相比于現(xiàn)有利用輔助線圈實現(xiàn)接收線圈定位的方式，所提出的線圈結構及其定位方法具有以下優(yōu)點:不改造車載接收線圈結構、適應多種磁耦合機構、適應底盤高度在標準規(guī)定范圍內(nèi)的不同車型、不影響發(fā)射線圈工作。