李名洋,牛萍娟 ,李宇鴻,李穎,隋宇
(1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)半導(dǎo)體光源系統(tǒng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),天津 300387)
無(wú)線電能傳輸[1-13](wireless power transmission,WPT)技術(shù)是將電網(wǎng)提供的電能輸入經(jīng)過(guò)整流濾波得到直流電壓,再經(jīng)過(guò)高頻逆變電源,利用線圈間電磁效應(yīng)進(jìn)行無(wú)線充電,當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈有相同頻率時(shí),兩個(gè)線圈發(fā)生諧振,這時(shí)候諧振耦合的回路阻抗最小,使得發(fā)射端的大部分能量通過(guò)耦合結(jié)構(gòu)傳給負(fù)載,系統(tǒng)的能量變化為電能-磁能-電能,最后經(jīng)過(guò)諧振電路回路進(jìn)行電力變換給負(fù)載供電,實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電能傳輸。線圈之間通過(guò)磁場(chǎng)高效、安全地進(jìn)行能量傳輸,不同廠商生產(chǎn)線圈類型不同,在特殊情況下車(chē)載端與地面端線圈類型難以匹配,同時(shí)由于駕駛員在停車(chē)時(shí)的不確定性,不可避免地出現(xiàn)軸向距離不能對(duì)齊的情況,因此線圈在一定范圍內(nèi)進(jìn)行偏移時(shí),兩線圈間可以進(jìn)行高效充電就顯得尤為重要。
對(duì)于線圈偏移對(duì)傳輸特性的影響研究,段青[1]在原邊線圈和副邊線圈中間加入了一個(gè)中繼線圈,對(duì)三線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)分析,得出原邊線圈結(jié)構(gòu)不動(dòng),僅僅副邊線圈發(fā)生偏移對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響小于副邊線圈與中繼線圈共同移動(dòng)對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響。王辰羽[2]運(yùn)用耦合模理論推導(dǎo)了無(wú)線電能傳輸功率效率,并界定了耦合范圍,得出兩線圈在橫向和縱向旋轉(zhuǎn)時(shí)總有一個(gè)角度可以達(dá)到功率和效率同時(shí)兼得。劉丹丹[3]對(duì)方-圓線圈進(jìn)行建模,得出相比于圓形線圈,發(fā)射線圈、接收線圈均為方形線圈時(shí)耦合效果更好,當(dāng)線圈進(jìn)行偏移時(shí),單方向偏移比對(duì)角線偏移傳輸效率更高。白雪寧[4]等通過(guò)與方形-方形線圈比較,從功率等級(jí)、劃分耦合參考區(qū)域ZGA與ZVA重合數(shù)量等方面提出了一種評(píng)價(jià)線圈間互操作性方法,評(píng)價(jià)了圓-方、DD-圓、DD-方線圈間互操作性。
本文通過(guò)推導(dǎo)無(wú)線電能傳輸SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),得出系統(tǒng)輸出功率、傳能效率表達(dá)式。分析軸向偏移距離[5]對(duì)互感系數(shù)M的影響,進(jìn)而得出三種線圈(圓-方、DD-方、DD-圓形線圈)偏移對(duì)傳輸特性的影響[6],通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,為不同種類線圈間高效充電提供了參考。
圖1為兩線圈結(jié)構(gòu)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)串聯(lián)-串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)[7]電路圖。其中US為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電源,R1和R2分別為系統(tǒng)發(fā)射和接收線圈的等效電阻,RS為系統(tǒng)電源電阻,L1和L2分別為發(fā)射和接收線圈的等效電感,M為兩線圈間互感,C1和C2分別為發(fā)射和接收線圈的等效電容。I1和I2分別為發(fā)射線圈和接收線圈電流,RL為負(fù)載電阻。
圖1 MCR-WPT系統(tǒng)示意圖Fig.1 MCR-WPT system schematic diagram
對(duì)方-圓形線圈之間的互感進(jìn)行理論推導(dǎo),如圖2所示為非共軸方-圓形線圈示意圖,設(shè)方形線圈邊長(zhǎng)為2a,圓形線圈半徑為r,兩線圈徑向偏移距離為t,兩線圈軸向偏移距離為l,dl1~dl4為方形線圈各部分的積分因子[9],圓形線圈上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)為(rcosθ,rsinθ+t,l),方形線圈邊長(zhǎng)為AB,BC,CD,DA,線段AB與圓形線圈間的互感為
圖2 方形-圓形線圈之間互感圖Fig.2 Mutual inductance diagram between square-circular coils
式中:μ0為磁導(dǎo)率,與介質(zhì)有關(guān)[10];y為y軸的偏移距離;θ為線圈偏移的角度。
同理可得到其他邊長(zhǎng)的互感:
兩方形線圈之間的互感:
式中:l1,l2分別為發(fā)射線圈的邊長(zhǎng);h為兩線圈之間的間距;d為線圈橫向偏移距離;y1,y2分別為兩線圈y軸方向偏移距離。
同理可以求得其他邊長(zhǎng)互感Ml1la,Ml2lb,Ml3lc,Ml4ld,Ml1lc,Mlal3,Ml2ld,Mlbl4等參數(shù)。
根據(jù)式(10)和式(13),互感M受線圈間距t和偏移角度θ的影響,DD-方形、DD-圓形線圈互感也是如此。根據(jù)式(7),系統(tǒng)接收功率Pout受互感變化的影響更大[11],對(duì)互感變化更為“敏感”,所以可將接收功率Pout作為系統(tǒng)傳輸特性界定依據(jù)之一,應(yīng)保持傳輸頻率、負(fù)載電阻、線圈半徑和線圈徑向距離不變,僅僅改變橫向偏移,觀察傳輸特性變化。
無(wú)線充電系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)中,發(fā)射線圈在路面下,接收線圈安裝在汽車(chē)底盤(pán)上,目前汽車(chē)距離地面端的距離變化范圍一般在100~250 mm之間,本文選取的縱向距離在200 mm,利用有限元仿真分析發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合系數(shù)與傳能效率,圖3為不同類型線圈。
圖3 三種不同類型耦合線圈Fig.3 Three different types of coupling coils
耦合系數(shù)k由耦合線圈結(jié)構(gòu)、有無(wú)鐵心、線圈間距與線圈偏移距離決定[12-13],表現(xiàn)了接收線圈接收到的磁通量轉(zhuǎn)化為電能的能力,不同橫向位置,耦合系數(shù)k也不同,k值越大,線圈間耦合效果越好,選擇耦合系數(shù)作為傳能特性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)如表1所示。
表1 主要仿真參數(shù)設(shè)定Tab.1 Main simulation parameter settings
DD線圈為發(fā)射線圈,方形線圈為接收線圈,坐標(biāo)系以圖3為量綱,由于安培環(huán)路定理和法拉第電磁感性定律以及DD線圈繞制方式,對(duì)稱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大小相等、方向相反感應(yīng)電流,在DD線圈中軸線方向i1(t)和i′1(t)在中心產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消,所以接收線圈做X軸方向偏移,無(wú)論偏移多大距離,線圈間耦合系數(shù)k和傳能效率都很低,接近于0。在遠(yuǎn)離DD線圈中軸線方向線圈磁場(chǎng)互相增強(qiáng),所以在Y軸方向做單向偏移,偏移距離越大,耦合系數(shù)和傳能效率越大,耦合效果越好,在偏移0.1 m時(shí)耦合系數(shù)高達(dá)0.142 5,傳能效率達(dá)93.0%。在X軸和Y軸方向同時(shí)偏移時(shí),偏移距離分別為0.05 m和0.1 m,分別占線圈半徑的25%和50%時(shí),耦合系數(shù)和傳能效率為0.091,0.119和69%,84.5%,整體比Y軸單向偏移低,耦合效果一般。
圖4 DD-方形線圈模型及傳輸特性Fig.4 DD-square coil model and transmission characteristics
DD線圈為發(fā)射線圈,圓形線圈為接收線圈,對(duì)圖5中做X軸方向單向偏移,無(wú)論偏移距離多大,兩項(xiàng)數(shù)值均無(wú)明顯變化,接近0,耦合效果很差。做Y軸單向偏移,隨著偏移距離變大,耦合系數(shù)k和傳能效率都增大,偏移距離越大,線圈耦合效果越好,Y軸方向單向偏移0.1 m,耦合系數(shù)最大為0.142 5,傳能效率最高為93%。在X軸與Y軸方向都做偏移時(shí),偏移距離分別偏移0.05 m和0.1 m,分別占線圈半徑的25%和50%時(shí),耦合系數(shù)和傳能效率為0.09,0.120和85%,90%,數(shù)值比Y軸單向偏移低,耦合效果一般。
圖5 DD-圓形線圈模型及傳輸特性Fig.5 DD-circular coil model and transmission characteristics
根據(jù)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu),搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和測(cè)量系統(tǒng)如圖6所示,電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)主要由高頻逆變電源、發(fā)射線圈和接收線圈、接收控制器、負(fù)載箱組成,多自由度偏移系統(tǒng)做發(fā)射線圈橫向偏移。實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)基本一致。
圖6 線圈偏移實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.6 Coil offset test bench
實(shí)驗(yàn)得出四種線圈組合偏移距離對(duì)輸出功率及傳能效率的影響,如圖7、圖8所示,以方形-方形線圈為參考,圓形-方形線圈之間無(wú)論是X軸方向還是Y軸方向做平行偏移對(duì)傳輸特性的影響一致,傳能效率在線圈半徑50%之內(nèi)均在90%以上,保證了高效傳能。在耦合系數(shù)方面,圓形-方形線圈明顯比DD形-圓形、DD形-方形耦合效果更好,且隨著偏移距離增大,耦合效果越來(lái)越差。在輸出功率方面,在線圈正對(duì)時(shí)輸出功率達(dá)到3 300 W,接近輸入功率,在兩個(gè)方向偏移時(shí),與方形-方形線圈之間各項(xiàng)指標(biāo)差距不大,表現(xiàn)出了很好的抗偏移特性。
圖7 四種線圈組合偏移特性隨X軸方向變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.7 The experimental results of the deviation characteristics of the four coil combinations changing with the X-axis direction
圖8 四種線圈組合偏移特性隨Y軸方向變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.8 The experimental results of the deviation characteristics of the four coil combinations changing with the Y-axis direction
DD形-方形線圈在平行移動(dòng)兩個(gè)方向傳輸特性差距很大,如圖7當(dāng)DD型線圈與方形線圈處于正對(duì)位置時(shí),存在功率和效率的零點(diǎn),由于耦合磁場(chǎng)的相互抵消作用,導(dǎo)致在兩線圈正對(duì)時(shí),傳輸效率最低。在DD線圈中軸線方向偏移(即X方向)時(shí),無(wú)論偏移多大,傳能效率與輸出功率均接近于0,所以在X方向單向偏移時(shí)傳能效果很差。在Y軸單向偏移時(shí),隨著偏移距離增大,傳能效率由快到慢一直變大,在單向偏移距離占線圈半徑的50%時(shí),傳輸效率達(dá)到90%,輸出功率為1 150 W,傳輸特性有所提高。
DD形-圓形線圈在平行方向移動(dòng)時(shí)兩個(gè)方向差異性較大,與DD形-方形線圈原理類似,由于磁場(chǎng)抵消作用,在線圈正對(duì)時(shí),三項(xiàng)傳輸特性均很差,基本無(wú)能量傳輸。在DD線圈中軸線方向偏移,傳能效率與輸出功率都很低,接近于0,認(rèn)為基本無(wú)能量傳輸。在非中軸線方向偏移(即Y方向),傳能效率隨著偏移距離變大逐漸變緩,在Y軸方向單向偏移0.1 m,占線圈半徑50%時(shí),傳能效率超過(guò)90%,輸出功率隨著距離增大基本呈線性變大,輸出功率最大達(dá)到742 W,傳輸特性此時(shí)最好。表2為四種線圈組合傳輸特性最佳點(diǎn)對(duì)比。
表2 不同線圈組合傳輸特性對(duì)比Tab.2 Comparison of transmission characteristics of different coil combinations
本文針對(duì)相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究三種線圈結(jié)構(gòu)間橫向偏移對(duì)傳輸特性的影響,通過(guò)分析系統(tǒng)輸出功率和傳能效率等關(guān)鍵參數(shù),得出當(dāng)線圈結(jié)構(gòu)為圓形-方形線圈結(jié)構(gòu)組合時(shí),在停車(chē)充電時(shí)不能保證線圈正對(duì),平行方向無(wú)論向哪個(gè)方向偏移,差距都不大。對(duì)DD形-方形線圈與DD形-圓形線圈組合,停車(chē)充電應(yīng)保證DD線圈非中軸線方向有一定的偏移量,可在一定范圍內(nèi)對(duì)汽車(chē)充電。