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公共交通50 kW / 85 kHz IPT系统的多目标优化
摘要 - 感应电能传输 (IPT) 对于维护要求不高的公共交通工具 (EVs) 的自动电池充电是一种很有吸引力的解决方案。本文介绍了50 kW / 85 kHz非接触式EV充电器的设计，配有IPT 发射器和接收器线圈。通过多目标磁场优化，在不移动机械部件的情况下，揭示了大功率 PT 系统在高效率、高功率密度和低杂散场方面的 Pareto 折衷和性能限制。实现了一个完整的硬件样机并进行了实验研究。DC-DC转换效率（包括所有电力电子器件）在 50 kW 功率下通过 n 个 160 mm 的空气间隙（线圈尺寸410times;760times;60 ）传输时测量为 95.8%。在最差情况下，150 mm 线圈未对准，DC-DC效率降至 92%。距离IPT线圈中心800毫米时，磁杂散场表明符合ICNIRP 2010标准。
索引条款 - 电动汽车，感应电力传输，帕累托优化。
- 介绍
随着人们对二氧化碳污染的警觉的提高和电动汽车总成本的降低，电动汽车正迅速发展。新出售的车辆中电动车市场份额的上升表明了更加可持续的交通方式的趋势势[1]，[2]。在城市公共交通中，正在进行中从传统的化石燃料驱动的车辆和无轨电车向插入式混合动力和蓄电池电动公共汽车的转变[3]，[4]。减少废气排放，更安静的运行以及不那么明显的基础设施，例如，没有用于无轨电车供电的架空线路，是城市环境中电动车辆的关键优势。此外，使用电能代替柴油或石油作为主要能源，降低了运营成本，降低了燃料价格波动。主要缺点是所需的车载电能存储占初始成本的主要部分。此外，与传统的化石燃料车辆相比，以便在公交车站充电，插电式EV使操作员延长停留时间。
为了减少必要的电池容量和停留时间，几家车辆设备制造商最近提出了机会充电概念，将充电过程从公共汽车站转移到自动充电站，这些充电站分布在公共汽车站、出租车站或公路沿线的红绿灯处。将充电与电动汽车的正常运行相结合，因此可以大大缩短公交车站所需的充电时间。此外，可以利用更频繁的充电间隔来减少机载储量，同时由于放电深度较低，它们也使电池的使用寿命更长。
为了实现该设想，需要一种快速、可靠和自动化的方法来启动充电过程。[5]和[6] 中提出的解决方案依靠移动的机械组件在充电站的隔离直流输出和位于车辆上的充电控制器之间建立电偶连接。然而，这些系统遭受机械磨损和疲劳，以及与充电站和机载电力电子设备连接的裸露金属触点的腐蚀。作为一种无电流连接的替代方案，使用感应电源传输 (IPT) 的非接触式电池充电系统已被提出用于公共交通。在 IPT 系统中，充电电缆由电感耦合传输线圈代替。高频交流电流在发射机线圈中嵌入路面，用于将充电能量通过车辆接地间隙所产生的气隙传输至通过磁感应安装在电动车底盘上的接收机线圈。
由于100-200kW的高功率水平，在[7]和[8]中，接收器线圈机械地降低到路面，以减小线圈之间的气隙。这提高了传输效率并且减少了充电平台周围环境中的高频电磁杂散场，但仍然存在移动机械部件的缺点。沿着公交线路有充足数量的机会充电站，充电功率也可以更低。对于功率水平约 50 kW，IPT 系统可以实现几乎没有移动的机械部分。这降低了对机械部件的维护要求，从而降低了操作成本。
独立于所采用的技术，EV充电设备必须满足汽车要求，例如低成本，高可靠性和高紧凑性。为了最小的能源成本，必须具有高充电效率。对于非接触式EV充电器，实现这些的主要挑战来自于所采用的传输线圈的紧凑性和所述传输线圈的效率之间的权衡。为了获得高的磁力耦合和传输效率，IPT 线圈的物理尺寸必须大于车辆的地面间隙。然而，在实践中，这往往是不可能的。
一方面，由于 IPT 接收器线圈必须集成到 EV 底盘中，可用的结构体积通常受到限制。然后，必须使用更紧凑的线圈设计，具有更高的功率密度，因此具有更高的损耗。另一方面，高频杂散磁场也与线圈尺寸和效率之间通过权衡。较小的 IPT 线圈提供了一个较小的磁场源，因此，简化了屏蔽。由于机会充电站需要在公众可以到达的地方停机，例如在公共汽车站，因此需要高安全性要求。因此，在足够高的功率水平下，为了实现相关的杂散场， 更紧凑的IPT线圈可能成为强制性的标准。紧凑型 IPT 线圈提出了一个特殊的挑战，因为其热管理是一项艰巨的任务。例如，放置在靠近磁性部件的金属散热器可能会受到感应涡流的影响，从而导致额外加热并进一步降低效率。为了简化热管理，优化的磁体设计是保证 IPT 线圈损耗最小的关键。然而，电力电子拓扑的选择以及所采用的调制和控制方案也会对绕组电流和线圈中的功率损耗产生影响。因此，只有综合考虑所有这些方面的系统优化，才能对 IPT 系统的可实现性能提供有意义的方案。
最近的一些出版物讨论了适用于公共交通EV的充电功率水平的IPT系统。然而，到目前为止，尚未提出针对所列限制的IPT系统的整体系统优化或性能限制的分析。通常，仅考虑选定方面，而不是对所有相关性能因素和可用自由度进行综合分析。因此，也不清楚完全优化的 IPT 系统与传统的导电充电解决方案相比，在可达到的元件尺寸、传输效率、材料努力和成本方面有何不同。因此，本出版物所依据的行业研究项目的目标是回答这些问题，并确定示范 50 kW 公共交通 IPT 系统的最佳性能。因此，本文给出了一个经过充分优化的技术演示器的设计，并为这样的性能比较提供了一个基准。本文主要围绕磁路设计展开，对电力电子器件的设计仅做了简单的概述。关于功率转换器和所采用的控制的详细讨论可以在另一篇论文中找到[21]。完整的工作文件载于[22]。
图 1. IPT 系统电源转换链，从欧洲 400 V 50 Hz 三相网电源到公共交通工具 EV 的高压电池
首次提出了 IPT 系统的多目标设计流程，并在 14 日的实验室规模样机设计中得到了实际验证。本文将该方法应用于公交应用全尺寸 50 kW 非接触式充电器的设计，其规格见表 1，电力电子结构见图 1，优化的主要要求是综合组件和系统模型，用于计算所考虑的性能因素。因此，在第二节中，推导了计算新型矩形线圈线圈线圈损耗的解析模型。为了考虑磁芯和屏蔽材料的功率损耗，并估算杂散磁场，将解析模型与三维有限元模拟相结合。开发了用于估计绕组和铁心温度的附加模型。
在第III节中，给出了IPT线圈的多目标优化的详细描述。在详细讨论中突出显示并分析了遇到的权衡，参数相互依赖性和性能限制。制风冷IPT线圈设计，尺寸为410times;760times;60 mm3，总重量为24.6 kg，面积相关功率密度为1.6 kW / dm2，重量功率密度为 2 kW/ kg（或 907w/ lb）的压气冷却 IPT 线圈设计，实现了硬件样机。在第 IV 节中，提供了原型实现的详细信息，并概述了测试所用的测量设置，直至额定功率 50 kW。然后，在第五节中，给出了原型系统的实验结果。在理想对齐的 IPT 线圈上，测量的 50 kW 跨过 160 mm 的气隙传输的最大 dc -dc 效率为 95.8%, 包括线圈损耗、谐振电容损耗、涡流屏蔽和电感损耗的电力电子器件。在最坏情况下，线圈未对准150 mm时，dc-dc 效率降至92％。磁杂散场的测量结果证实符合所考虑的标准。
最后，在第六节中，总结了本文得出的主要结论。还详细讨论了非接触式EV充电的结果和未来展望。
图2.提出的矩形IPT线圈几何结构，包括谐振电容器模块（发射器和接收器是相同的）。指出了可用于多目标优化的自由度。
- 线圈几何和功率损耗建模
[14]中描述的多目标优化过程的前提条件是用于计算IPT线圈中的功率损耗，元件温度和线圈装置的磁杂散场的综合模型。在本节中，针对所考虑的IPT线圈几何结构推导出高频绕组损耗的分析模型。绕组损耗计算与3-DFEM仿真相结合，用于结合磁芯中的损耗和涡流屏蔽，以及估算磁杂散场。
线圈几何的选择
提出了图2的矩形线圈几何形状。由于其矩形形状，该线圈几何形状允许在EV上最佳地利用矩形结构体积。对于圆形线圈几何形状，矩形结构体积的角不用于非接触式电力传输。因此，取决于所考虑的工业应用中的结构体积的纵横比，矩形线圈几何形状可以导致改进的磁耦合。此外，所提出的线圈几何结构仅由平面芯结构和单个平面绞合线绕组组成，这简化了制造过程。本文的重点是多目标优化过程。因此，单独的出版物[28]详细比较了申报的 IPT 线圈几何结构和经常讨论的[24]-[27]的双D线圈布局。
仅考虑单层线圈，因为其剖面较小并且自电容较低。如 29 所述，铁氧体磁芯被分成若干分离的条，实际上是通过对准多个 i 磁芯来实现的。与完全覆盖绕组背面的单个铁芯相比，这显著降低了铁芯重量。由于芯材料的高相对磁导率，芯的分裂仅对场分布和磁特性具有小的影响。
谐振电容器组装在紧凑的强制风冷模块中，该模块安装在IPT线圈的背面。尽管有铁氧体磁芯，但谐振电容器位置处的磁场相对较高。因此，将由无氧铜制成的屏蔽板（导电率约为43MS / m）作为涡流屏蔽放置在铁氧体棒和电容器之间。有关屏蔽尺寸的详细信息见[22]。
为了便于50 kW的实验验证，本文考虑了通过发送器侧和接收器侧直流链路端子之间的直流连接进行能量反馈的测量装置（参见第IV节）。为了限制必要的硬件工作，优选具有相同功率电子器件和用于发射器和接收器的IPT线圈的对称系统。所呈现的线圈原型用作接收器线圈。在最终实现中，可以考虑用于发射器线圈的不同布局，例如， 包括多个选择性激活的绕组以增加定位公差。本文提出的方法和结果也可以应用于这种配置。
采用三维有限元模型
由于所提出的线圈几何形状没有二维对称性，因此必须 使用三维有限元模型分析原型线圈。这需要模型简化功率 损耗估计，因为3-D FEM仿真比2-D计算明显更加计算密集。模拟传统变压器或电机常见的简化是将铜绕组模拟为具有 与原始导体相同的电流密度的实心铜区域。
类似的近似方法也可用于 IPT 线圈的三维有限元模型（见图 2）。由于没有对绕组进行详细建模，因此所需的计算时间比最初更为复杂的 3-D 模型所需的计算时间更短。如果实心铜区的几何形状与实际绕组的外形尺寸近似匹配且总绕组电流保持不变，则仍可准确计算绕组外的磁场。在这种情况下，简化模型中的电流密度与实际绕组中的不相同。因此，由于模型简化，无法再准确评价用于估计绞合线绕组中交流电阻和功率损耗的有限元结果。作为计算绕组损耗的另一种方法，在第 II-C 节中推导出了分析绕组损耗模型。
尽管进行了简化，但磁能的计算仍然足够准确。因此，可以用简化模型来预测自导性 L1 和 L2、互感 M 和磁耦合 k。通过比较从工具 Ansys Maxwell 获得的 FEM 计算的变压器等效电路参数，证实了其有效性。如表所示。
由于绕组外的磁场仍然是精确的，因此可以通过积分 Steinmetz 铁心损耗密度来计算采用的铁氧体磁芯中的功率损耗，也可以通过 FEM 工具获得涡流屏蔽中的损耗。
分析绕组损耗模型
为了计算由于皮肤和邻近效应引起的功率损耗，使用[30]中的模型。为了考虑外部邻近效应，必须计算绞合线导体中的外部磁场。发射器和接收器线圈绕组中的磁场分别计算。这是可能的，因为场主要由相同绕组内的相邻导体中的电流引起，并且仅相当可忽略的部分来自相对的IPT线圈中的电流，这是大气隙的结果。
如图3（a）所示，在单个IPT线圈的3-D模型中定义了三个2-D切割表面（标记为A，B和C）。近似地计算三个切割表面上的磁场。假设切割表面的几何形状在平面方向上无限延伸，并且忽略拐角效应。此外，使用导体中的直流电流分布和直流磁场。如果绞合线股直径与所考虑的工作频率下的趋肤深度相比较小，则这是有效的。假设铁氧体磁芯具有无限磁导率，这是mu;r,fe 2000的实际相对磁导率的良好近似。假设磁芯是不导电的，并且由磁芯中的涡流引起的磁场失真被忽略。
D. 简化的热模型
对于多目标优化，假设通过放置在线圈两侧的轴向冷却风扇进行强制对流冷却（见图 8）。用于估算绕组和核心热点温度 Tcu,hs 和Tcu,hs的考虑热模型如图 4 所示。热阻Rth,cu,surfminus;amb 模拟了从绕组内部的热点到绕组表面的热传导。热阻Rth,cu,surfminus;amb 表示由于强制对流在绕组表面的传热。假设顶部和底部缠绕表面的模型相同。对于铁氧体磁芯，使用了类似的模型。在这种情况下，考虑铁氧体磁芯的顶面和侧面。不管是绕组还是铁芯，假设各自的功率损耗 Pcu 和 Pfe 均匀分布在整个组件体积中。
由于所考虑的线圈布置的复杂性，更详细的考虑需要耦合磁路和流体动力学有限元模拟。为了加速优化过程中使用的计算，省略了这一点。从该简化计算结果足以评估 IPT 线圈设计的热可行性，并提供对主要设计权衡的基本理解。
Ⅲ、多目标线圈优化
基于所提出的模型，在该部分中进行线圈参数的多目标 优化。首先，概述了优化过程的侧面条件和主要步骤。然 后，给出了获得的结果，揭示了所考虑系统的性能限制。 详细讨论了在性能极限下遇到的性能因素传输效率，面积 相关和重量功率密度以及磁杂散场之间的特征Pareto权衡。在本节结束时，选择了一种设计来实现硬件原型。
- 传输频率和几何边条件
如 15 和 34 所示，IPT 系统的最大传输效率主要由优值 FOM =kQ 决定，其中 k 代表 IPT 线圈的磁耦合，Q asymp;omega;0 / Rac 代表传输频率 0 时的线圈品质因数，因此几何布置和传输频率对可达到的系统性能有重大影响。
对于不同IPT设备制造商的产品之间的互操作性，在即 将出
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