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一种降低电动汽车输出功率脉动动力充电系统
摘要-本文提出了一种用于电动车辆的连续动态无线电力传输系统，可在充电过程中减少功率脉动。 在初级侧使用多重矩形单极线圈作为发射器，而另一个单极线圈在次级侧用作接收器。发射器紧密放置在一起，以减少沿接收器移动轨迹的磁场变化。 这种结构引起相邻发射机之间的自耦合。 采用LCC补偿电路拓扑结构，提供补偿参数设计，考虑初级线圈之间的自耦合。 使用Maxwell进行动态充电系统的有限元分析。 接收器尺寸经过优化以减少耦合系数的变化。 根据设计的线圈结构和电路参数构建1.4kW的动态充电原型。 有六个发射器，每个发射器尺寸为388 mmtimes;400 mm，一个接收器尺寸为485 mmtimes;400 mm。 实验结果表明，动态充电过程中输出功率脉动在plusmn;7.5％以内，最大效率为89.78％。 如果忽略发射机的边缘效应，那么功率脉动在plusmn;2.9％以内。
索引术语 - 连续动态充电，动态充电，电动汽车（EV），感应电力传输（IPT）。
- 介绍
无功功率传输（IPT）是以无线方式为电动车辆（EV）充电的最常用方法[1]，[2]。 它利用磁场通过约150毫米的气隙距离向车辆传输动力。 在输出功率为7 kW时，IPT系统从直流电源到直流负载的效率已经达到96％以上[3]，这使得无线充电器与有线充电器技术相媲美。
目前大多数IPT系统专注于固定充电应用。车辆停在充电器上，接收器应该与发射器完全对齐。否则，当接收器和发射器之间的偏差很大时，输出功率和效率将明显下降[4]。
动态充电是一种有前途的技术，可以帮助推动电动汽车的采用[5]。当车辆在道路上行驶时，可以持续供电。电动车的行驶里程可以延长，可以使用更小的电池组来减轻车重，提高运输效率[6] - [8]。如果20％的道路拥有40千瓦的动力充电系统，则EV的行驶里程可以延长至少80％[9]。
动态充电系统可根据其发射线圈的长度进行分类，即长轨道发射机[10] - [12]或短个体发射机[13]。长轨道变送器通常在10到100米之间，比车辆长度长得多。因此，它可以同时支持多辆车[14]，[15]。它的优点是简单并且电路组件数量极少。它在韩国市场上销售，在那里被命名为在线电动汽车（OLEV）[16]，[17]。在3460米的路线上，变送器的总长度为90米，最大充电功率可达100千瓦[18]。为了消除辐射磁场，发射器可以扭曲成“X”形[19]，并且除了发射器[20]之外，还可以应用额外的有源场消除线圈。此外，发射器和接收器的宽度可以设计成不对称，以提高输出功率对横向不对准的容差[21,22]。在其他设计中，额外的正交线圈被添加到接收器端以进一步改善错位能力[23]，[24]。
长轨道发射机结构的局限性在于效率低。 在27千瓦输出时，OLEV系统的最大效率约为74％[21]。 这是因为长发射器的电感非常大，开关频率通常限制在20 kHz。 长回路的质量因子Q =omega;L/ R因此低于固定系统，通常以85kHz开关[25]。 由于接收器比发射器小得多，耦合系数也很小。 因此，根据[26]，长轨道动态充电器的效率低于静态充电器。
在短发射器设置中，发射器与固定充电系统中的发射器尺寸相同，通常在1米以内[27]，[28]。多个短发射器排列成阵列以形成车辆的跟踪车道。由于每个发射器线圈都有自己的补偿网络，因此设计动力巷道的总长度更加灵活。而且，发射器可以根据接收器的位置进行激励。当接收机离开时，可关闭发射机，从而提高效率并降低磁场辐射[29,30]。
短发射机结构的局限性在于其复杂性，因为它需要大量的补偿组件和电力电子转换器。总成本高于长循环系统。因此，为了降低系统成本，可以串联或并联多个线圈以共享相同的功率电子转换器。短路结构的另一个缺点是接收器在移动时受到功率脉动。主发射器通常彼此远离布置以消除它们之间的自耦合。因此，发射器之间的位置的磁场很弱，并且当接收器移动到两个发射器之间的位置时接收的功率下降。例如，在[29]中，两个发射器之间的输出功率几乎为零。减少功率脉动的一个解决方案是将发射器彼此靠近以增加它们之间的磁场。因此中间位置的重新获得的权力可以增加。然而，功率脉动也存在于[27]和[28]。当发射器之间的距离大约是发射器长度的30％时，功率脉动仍然是最大功率的50％[28]。
阻止发射线圈靠近的限制是它们之间的自耦合，这给补偿电路设计带来挑战。在之前的设计[27] - [29]中，相邻发射器之间的距离足够大，以至于可以忽略自耦合。如果分离距离继续减小，功率脉动进一步减小，并且必须在补偿电路设计中考虑发射器之间的自耦合，这是本文的重要贡献。
在本文中，六个发射器线圈紧密排列以减少两个相邻线圈之间的功率脉动。设计电路参数时会考虑相邻发射器之间的自耦合。接收器线圈的尺寸旨在最大限度地减少功率脉动。六个发射器线圈由单个逆变器同时供电，以简化电力电子电路结构。每个发射线圈均由其自身的补偿电路单独补偿，并与其他发射线圈及其相应的补偿电路并联连接。在这种结构中，调整发射器的总长度是方便的，并且还可以帮助减小补偿电容器上的电压应力。通过设计的线圈尺寸和电路参数值，输出功率脉动在平均功率的plusmn;2.9％以内。
描述线圈结构的参数
TABLE I
|
符号 |
说明 |
符号 |
说明 |
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lp |
发射端长度 |
ls |
接收端长度 |
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w p |
发射端长度 |
w s |
接收端长度 |
|
lw p |
发射端绕组宽度 |
lw s |
接收器绕着宽度 |
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h A l |
铝厚度 |
d p |
发射端空间e |
|
h m |
铁线圈厚度 |
d a |
气隙距离 |
|
h c |
线圈厚度 |
p o |
接收厚度t |
II. 连续动态充电的线圈设计
本文采用短发射方式实现动态充电系统。 在本节中，提供了发射器和接收器的结构和尺寸。有限元分析（FEA）模拟使用Maxwell进行，以确定线圈的自感和耦合系数。
A.结构设计
线圈结构的前和3-d视图被示出在图1中，且尺寸也标记为在图1中有我们的设置6个单极发射机，标记的P1至P6。接收器线圈也是单极结构，标记为Sa。表I中描述了尺寸的定义。
在我们的设置中，利兹线用于构建线圈，并且铁氧体板用于发射器和接收器以增加磁耦合。此外，铝片用于减少磁场泄漏。线圈的厚度hc由李兹线的直径决定。它包含1900股AWG 38线，总直径为6毫米。铁氧体板的厚度hm为5mm，铝hA l的厚度为2mm。铁氧体板和铝板之间的距离设置为25mm，以减少铝板中的涡流损耗。接收器位移po定义为接收器线圈左边缘与发射器线圈左边缘之间的距离。
图1还表明，铁氧体的长度和宽度比线圈大50mm，以便更好地耦合。 同时，铝片的长度和宽度比铁氧体大50mm，以提供更好的屏蔽。
- 发射端设计
本文的主要贡献是研究发射线圈之间的自耦合，并为耦合发射机设计补偿电路。由于空间限制，变送器长度lp设置为388mm，宽度wp设置为400mm，并且线圈宽度lw p设置为54mm，这意味着每个线圈具有9圈。因此，发射机线圈间距dp是唯一的变量。 FEA模拟dp与发射器之间的耦合系数之间的关系如图2所示，其中使用Maxwell。
所有的发射线圈都受到同向流动的电流激励。在图2中，k1 2表示相邻发射线圈之间的耦合，其他表示非相邻线圈之间的耦合。耦合系数的符号取决于从一个线圈耦合到另一个线圈的磁链的方向[31]。在这个系统中，由于所有六个发射线圈都是相同的并且布置在同一平面内，所以当两个发射线圈完全重叠时，可以定义磁通的正方向。图2显示耦合系数k1 2从参数dp从正向减小到负向，参数dp定义了发射器之间的距离。它表明，当发射机间距dp为正值时，相邻耦合系数k1 2为负值。当间距dp减小到负值时，这意味着发射线圈重叠，耦合减小到最小值。随着重叠的进一步增加，耦合增加到正值。不相邻发射机之间的耦合总是负的，如图2所示。
图2显示，当相邻发射机重叠约110毫米时，它们是分离的。 但是，k1 3 =
-0.045，k1 4 = -0.026，k1 5 = -0.018和k1 6 = -0.017，这意味着与不相邻线圈的耦合因此不能被忽略。 发射器线圈不能完全彼此分离。 此外，110毫米重叠意味着发射机失去其总有效长度的28％。 在实际应用中，重叠线圈之间的绝缘也是一个重要问题。 因此，不考虑重叠结构。
表二当dp = 0时MAXWELL模拟的耦合系数1和互感2在发射器之间
在本文中，发射器间距dp设置为0，这意味着发射器线圈紧邻放置。 这种结构有效地利用了线圈长度，并且避免了发射器线圈之间的低功率区域。 它还可以帮助减少发射器线圈和接收器线圈之间的耦合系数的变化。 发射极负耦合，耦合系数和互感如表2所示。 左下三角数据是耦合系数，右上三角数据是以mu;H为单位的互感。 对于互感，Mij = Mj i（i = j）。 第i台变送器与其他变送器的总互感量定义为Mi，如下所示：
利用表I中的参数，每个发射器的互感计算为M1 = M6 =-18.323mu;H，M2 =
M5 =-27.692mu;H，M3 = M4 =-28.195mu;H。 另外，发射器的自感为Li =88.29mu;H（i = 1,2，...，6)。
C.接收器设计
如图1所示，单极线圈用作接收机。为简单起见，接收器宽度ws和接收器线圈宽度lw s被设计为与发射器线圈相同，这意味着ws = 400mm和lw s = 54mm。接收器长度ls因此是唯一考虑的变量。
当接收器沿着发射器线圈移动时，每个发射器线圈通过磁耦合进行功率传输。它们的功率之和是总接收功率，并且来自每个发射器线圈的功率量由耦合系数确定。该设计的一个目标是通过优化接收器尺寸来最小化动态充电过程中的功率变化。如果接收器尺寸与发射器尺寸相同，ls = lp = 388 mm，则接收器和发射器线圈之间产生的耦合如图3（a）所示。虚线表示与每个发射器的耦合，分别定义为k1a，k2a，k3a，k4a，k5a和k6a。当接收器靠近一个发射器时，它们正向耦合。当接收器离开时，耦合降至负值。总耦合ka显示为红色实线，定义如下：
因此总耦合是六个脉冲的总和，在那里由于脉冲而在ka中变化。 在发射机设计中，发射器之间的间距dp已经设置为零减少耦合系数ka的变化。 如果间距dp增加，ka的大小也会增加。
接收器尺寸然后增加到ls = 1.25times;lp = 485mm，并且所得到的耦合如图3（b）所示。每个单独耦合的形状随着接收器尺寸的增加而变宽。 当它们加在一起时，总耦合ka的变化减小。 由于耦合系数与系统功率有关，这意味着输出功率的变化很小，并且车辆在道路上行驶时可以接收大致恒定的功率。
当接收器尺寸增加到ls = 2.0times;lp = 776mm时，耦合器如图3（c）所示。每个单独耦合的形状变得更宽。当它们加在一起时，它们的变化不能被消除，并且总耦合ka的波纹返回。图3所示的另一个重要现象是，当接收器移入和移出发射线圈时，总耦合ka中有两个峰值。图3（b）的细节如图4所示。这里，这两个
两端的峰值更加明显。当接收器移动到两端时，所有发射器位于接收器的一侧，与接收器的负耦合较小。因此，与其他位置相比，输出功率更大。当接收器移动到第二发射器并远离第五发射器时，中间部分被定义为[lp，5xlp-ls]。在标记的中间部分，耦合系数的变化仅为plusmn;2.1％。在中间部分，考虑图1和2中的耦合。如图3和4所示，平均耦合，耦合变化和接收器长度ls之间的关系如图5所示。
当接收器长度ls从194增加到776mm时，平均总耦合系数ka从5.8％增加到16.8％。 但是，耦合变化与接收器长度并不是单调的。 随着ls的增加，变化先减小到最小值然后增加。 最小变化发生在485mm，所以选择这个值来实现接收机。平均耦合ka为0.130，接收机的自感La =105.46mu;H。 当ls增加
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