一种新的电动汽车感应电能传输系统设计方法
侯满哲1,2, 马宏1, 贾方健3, 王月亭1     
1. 河北建筑工程学院, 河北张家口 075000;
2. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室, 长沙 410082;
3. 北京大学 物理学院, 北京 100871
摘要: 针对无线充电技术在电动汽车中的应用,提出了一种新型电力发射系统的设计方法。以矩形线圈和螺旋线圈为研究对象,最终确定采用复合绕组为最佳方案。通过计算单位面积互感系数得到磁通量密度,选择最优匝数和节距以形成均匀磁场,并且运用有限元分析获得发射端偏移容差的性能评估,从而使感应电能传输得到有效提升。模拟出所设计发射端的磁通量密度分布模式,所得结果与预先设计的计算值基本一致。复合结构发射端中,螺旋绕组使用非统一节距时,尽管发射端边缘处磁通量密度不可避免地有所下降,但其它大部分充电区域的磁通量密度仍保持均匀。
关键词: 无线充电     互感系数     有限元分析     感应电能     偏移容差    
A New Design Method for Inductive Power Transfer System of Electric Vehicle
Hou Manzhe1,2, Ma Hong1, Jia Fangjian3, Wang Yueting1     
1. Hebei Institute of Architecture Civil Engineering, Hebei Zhangjiakou 075000, China;
2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China;
3. School of Physics, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract: To apply the wireless charging technology to an electric vehicle, a design method for power transmitter has been put forward. Rectangular coils and spiral windings are specially selected for evaluation. The compound winding is chosen for optimization. The magnetic flux density is studied by calculating the mutual inductance per area. By optimally choosing the turns and pitch distances of the spiral winding, a uniform magnetic field is achieved. Using finite element analysis, the performances of the transmitter are evaluated, including its tolerance to misalignment, thus effectively improving the inductive power transmission. The magnetic flux density distribution model of the designed transmitting terminal is simulated, and the simulation results are basically consistent with the calculation amount of the pre-designed model. In the transmitting terminal of a compound structure, when the spiral winding adopts non-uniform pitch, although the magnetic flux density at the edge of transmitting terminal is unavoidably reduced, the magnetic flux densities in most other charging areas still remain uniform.
Key words: wireless charging     mutual inductance     finite element analysis     inductive power     offset tolerance    

近年来,感应电流无线充电技术在电动汽车中的应用取得了大量成果[1-4]。这项基于近场磁场的技术被证实在固定式充电和动态式充电中都发挥着重要作用。该系统的关键因素是磁耦合线圈。大面积供能时,复合线圈可以用来形成一个单一的均匀磁场[5-7]。以往的研究中提出了各种模块配置布局,其中包括多层六边形线圈组合等[8]。但无论采用哪种配置布局,关键还是在每个模块内能否实现均匀磁场。

通常情况下,无芯平面线圈的偏移容差要比相对应的铁氧体磁芯强化线圈高,尽管后者在完全对准时电传输能力更好[9-11]。对于线圈形状,矩形线圈则更为适宜。因为多个线圈构成单一表面时,使用圆形线圈会造成线圈组无覆盖面。采用多层布局固然可以解决这一问题,但费用也大大增加。在接收器中,使用较小的接收线圈可以进一步提高偏移容差。因此,发射端和接收端应选用不同的线圈布局。

本文中将着重介绍矩形发射端线圈的结构设计,这一结构更适合模块化应用。这里对最常见的线圈拓扑结构,即圈式结构和螺旋式结构进行了研究,最终采用了圈式——螺旋式复合结构,通过此结构来生成均匀磁场。为实现该复合结构的最优化设计,提出一种新型计算方法,即计算单位面积互感系数。当得出的单位面积互感系数保持恒定时,则认为磁场是均匀的。运用此方法,对一辆功率5 kW,电感气隙150 mm的电动汽车设计了充电系统。同时采用有限元分析法,在不同的偏移情况下,对磁场和负载功率进行了分析。

1 发送端基本结构研究

图 1a)和1b)展示的两个系统中,发射端分别采用了圈式结构和螺旋式结构,接收端则都采用圈式结构。

图 1 绕组省略图及相关参数

这两个系统均是针对上文所述的功率5 kW,气隙150 mm电动汽车的充电系统的需求而设计的。维数、操作频率等系数预先确定。发送端线圈数N1和接收端线圈数N2则是依据所需的蓄电池充电电压和功率而定。在可供选择的匝数比为N1:N2的不同线圈组合中,应选择铜块量使用较少的组合。电线的横截面面积视所需电流密度而定。所选电流密度为3~4 A/mm2。圈式发射端的具体系数根据文献[12]设定,详细参数说明见表 1。螺旋式发射端依据相同的系数构建,相邻线圈间节距为10 mm。

表 1 5 kW电动汽车充电系统参数
参数名称取值
发射端匝数N127
接收端匝数N27
发射端尺寸D*D800 mm*800 mm
接收端尺寸d*d400 mm*400 mm
气隙h150 mm
初始电流IP10 A
工作频率f0100 kHz
发射端线圈横截面面积S13 mm2
接收端线圈横截面面积S210 mm2

通过有限元软件分析建模,构建了圈式系统模型和螺旋式系统模型,将二者进行比较,并从150 mm的高度对发射端平面的磁通量密度进行扫描。磁通量密度分布如图 2所示。

图 2 有限元分析磁通量密度分布图

圈式发射端的磁通量密度分布模式图呈中心下凹的矩状形状。相反,螺旋式发射端的模式图的中心则向上凸起,并向四周逐渐下降,边缘处数值接近于零。分析研究表明,可以将以上两种结构进行组合,形成更均匀的磁通量密度。

2 复合结构发射端最优化设计

电源和负载量等系数确定后,发射端和接收端的互感系数便成为负载功率的主要决定因素[13-14]。如果整个充电区域上的磁通密度均匀,互感系数将保持稳定,从而得到最大的偏移容差。因此,在设计发射端之前,可以反过来用互感系数评估磁通量密度的均衡性。

互感系数由接收端线圈中的磁通量决定。图 3为两个不同边长的同心矩形线圈。接收端线圈分为4段:MN、NP、PQQM,集成这4段中产生的磁通量,根据毕奥-萨伐尔定律,计算得出互感系数[15]。无论在发射端还是接收端中,多匝线圈的互感系数均会以线圈匝数N1N2翻倍。

图 3 多匝同心矩形线圈

螺旋式结构可视作圈式结构的特殊情况。绕组中的每一圈均相当于一个单匝线圈,其互感系数可用式(1)计算得出。所有线圈的互感系数之和即为螺旋式结构的总互感系数,如式(2)所示。

    (1)
    (2)

发射端和接收端不是中心对准时,应将式(2)扩展为非中心对准情况。此时需要选取不同的测试点进行评估,从而增加了复杂度。为了简化设计过程,研究中将单位面积互感系数作为调整对象,而非互感系数本身。将接收端的矩形边长d从0逐步增加至D,根据式(3)计算出单位面积的互感系数为

    (3)

如果随着d的变化,M/S的比值基本恒定,则认为磁通密度是均匀的。设计复合结构的发射端时,主要任务是选择合适的螺旋绕组圈数,并将相邻线圈间的节距调整至最佳数值。如图 4所示,基于第一部分中设计的27匝圈式结构发射端,这里将其改进为复合结构。首先,选定螺旋绕组的圈数。将圈数从1开始逐步增加,计算出相应情况下的单位面积互感系数。研究表明,当螺旋绕组的圈数为5时,相对应的磁通量密度分布图中心的凹面能够得到有效补偿。之后,调整节距。如图 5所示,当螺旋绕组中的节距为统一值时,发射端中心的M/S值较高,但边缘处的数值则迅速下降。这一现象使得复合绕组中心部分的M/S值曲线也呈现相同的下降趋势。为了克服这一弊端,需对节距进行调整。缩小靠近外边缘处的节距,即增加螺旋绕组边缘处线圈密度,从而增加此处的磁通量密度。采用不均匀间距复合结构的发射端时,大部分区域的单位面积互感系数基本衡定,但边缘处依然有所下降,这种情况在任何结构中都无法避免。详细的节距设置见表 2

图 4 复合绕组布局及相关参数
图 5 圈式、螺旋式、复合式绕组单位面积互感系数值
表 2 复合绕组节距
节距均匀节距/mm不均匀节距/mm
S153
S254
S355
S456
S557
3 设计成果及其偏移评估

使用有限元分析法,从150 mm的高度重新扫描改进后的发射端平面磁通量密度。如图 6所示,与圈式结构相比,改进后的复合式结构发射端的磁通量密度模式图更为均匀,中心部分尤为明显。这一特征与第二部分中互感系数的计算结果是一致的。

图 6 复合式绕组磁通量密度有限元分析图

发送端与接收端不是中心对准时,磁通量分布将不均匀,互感系数也将随之波动。图 7所示为双串口平衡式感应电力传输系统的等值电路图,其中M表示发送端和接收端之间的互感系数。其它要素还包括电源内部电阻Rs以及负荷内部电阻RL。方便起见,这里假定负荷是纯电阻性的。负载功率与M有很大关联性,用公式表示为

    (4)
图 7 双串口平衡式感应电力传输系统的等值电路图

文中提及的复合结构发射端中,大部分充电区域的磁通密度是均匀的。然而,当接收端偏移程度较大时,电能输入能力评估也依然重要。如图 8所示,此次研究从直线和斜线方向共选取了6个偏移点进行测试,图中红点代表接收端的中心。每种偏移情景下,使用有限元分析法,计算出互感系数和负载功率。如图 9所示,偏移量越大,负载功率越低,最差情况下负载功率为额定记录的60%。

图 8 偏移评估测试点
图 9 不同偏移量下的负载功率和互感系数
4 结论

针对无线充电技术在电动车中的应用,提出了一种新型电力发射机的设计模式。运用有限元分析法,对常见的圈式结构和螺旋式结构的特点进行了研究,并在此基础上设计了一个复合结构发射器,该发射器适用于功率5 kW,气隙150 mm的系统。此次研究将单位面积互感系数作为性能优化指数,同时运用有限元分析法,模拟发射端的磁通量密度分布,所得结果与预期基本相符,从而有效改善感应电能传输效率。

参考文献
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DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0922
中华人民共和国工业和信息化部主管、西北工业大学主办。
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文章信息

侯满哲, 马宏, 贾方健, 王月亭
Hou Manzhe, Ma Hong, Jia Fangjian, Wang Yueting
一种新的电动汽车感应电能传输系统设计方法
A New Design Method for Inductive Power Transfer System of Electric Vehicle
机械科学与技术, 2017, 36(9): 1447-1451
Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2017, 36(9): 1447-1451.
DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0922

文章历史

收稿日期:2016-07-29

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