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电动汽车无线充电松耦合变压器仿真研究

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第25卷 第8期 Vo1.25 No.8 电子设计工程 Electronic Design Engineering 2017年4月 Apr.2017 电动汽车无线充电松耦合变压器仿真研究 李秋生 ,张国兴 ,李培英 ,刘伟亮 ,郭金伟。 (1.河北工程大学机电学院,河北邯郸056038;2.邯郸学院河北邯郸056038;3.燕山大学机械工程学院, ’ 河北秦皇岛066004) 摘要:设计新型用于电动汽车无线充电系统的松耦合变压器,验证该松耦合变压器在电动汽车无线 充电系统中的性能。阐述电动汽车无线充电系统组成和原理,分析耦合系数与系统传输效率的关系。 利用MaxweU电磁场有限元分析软件对松耦合变压器进行参数化分析,讨论初级侧和次级侧相对位 置变化对耦合系数的影响。采用基于Simplorer软件系统场路耦合联合仿真的方法,对松耦合变压器 性能进行分析。得到耦合系数随气隙和偏移的变化曲线,获取系统电流电压参数。在200mm气隙且 未发生水平偏移条件下.采用该松耦合变压器的电动汽车无线充电系统功率为3.65kW,传输效率达 89.9%.该松耦合变压器满足电动汽车无线充电系统要求。 关键词:电动汽车;无线充电;松耦合变压器;仿真分析 中图分类号:TN03 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(2017)08—0027—05 Simulation and study on loosely coupled transformer for wireless power transfer of electric vehicle LI Qiu—sheng ,ZHANG Guo—xing ,LI Pei-ying2,LIU Wei—liang ,GU0 Jin—wei (1.Mechanical and Electrical Engineering Institue,Hebei University ofEngineering,Handan 056038, China;2.Handan University,Handan 056038,China;3.College ofMechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China) Abstract:The new loosely coupled transformer used for electric vehicle wireless charging system is designed.The performance of loosely coupled transformer needs to be tested when it is used for electic rvehicle wireless charging system.The Constitution and principle of wireless charging system are described in detail.The relationship between the coupling coeficient and the tfransmission eficiency ifs analyzed. Based on Maxwell parametric analysis,the proposed coupled structure is analyzed.Particularly,the relationship of the position and the coupling coeficifent iS needed to be concerned.The method of CO— simulation based on Simplorer software iS utilized to analyze the performance of the loosely coupled transformer.The curve of coupling coeficifent changing with gap and misalignment is obtained,and the parameters of voltage and current are obtained.With 200mm gap and no misalignment,the power of the system with proposed structure reaches 3.65kW.the transmission eficifency is 90.1 2%.The proposed loosely coupled transformer satisfies the requirement of electric vehicle wireless charging system. Key words:electric vehicle;wireless power transfer;loosely coupled transformer;simulation 化石燃料的短缺以及空气污染的日益严重促进 度轻等优势,适用于电动汽车无线充电。该技术通过 了电动汽车产业的蓬勃发展『11。感应耦合电能传输技 松耦合变压器间高频磁场进行能量传输,松耦合变 术具有电能传输容量大、传输距离适中、电磁污染程 压器的性能直接影响系统传输效率.高效耦合变压 器的设计成为感应耦合电能传输系统设计的关键内 收稿日期:2016—08—02 稿件编号:201608007 基金项目:国家自然基金资助项目(11272112) 作者简介:李秋生(1959一),男,河北武邑人,硕士,教授。研究方向:机电设备开发与设计。 -27- 《电子设计工程)2017年第08期 容之一嘲。 为次级侧线圈内阻, 为互感系数,R为等效负载 阻抗, 为初级侧电感, 为次级侧电感。 为初级 常规松耦合变压器选型为罐型、U型和E型[ . 统对较高功率等级和较大错位偏差容忍能力的要求[61。 近年,研究人员对具有圆盘型铁芯和环形线圈结构 的松耦合变压器进行研究。其工作效率可达85%以 上,然而其传输距离有限阴。为了满足电动汽车无线 然而这些松耦合变压器无法满足电动车无线充电系 侧谐振补偿电容,e为次级侧谐振补偿电容。 充电系统对传输距离和功率等级的要求。本文设计 新型松耦合变压器。并采用Simplorer多域机电系统 设计仿真分析软件为平台,将耦合结构Maxwell电 图2M 系统等效不意图 磁场有限元分析模型引入Simplorer电路模型中进 行联合仿真。讨论耦合结构参数对磁场分布和系统传 输效率的影响。联合仿真方法的应用能1有效提高仿 真精度,并缩短实验和研发周期,降低研发成本 1。 1无线充电系统分析 电动汽车无线充电系统利用感应耦合电能传输 技术,通过初级能量发射装置将电能从初级侧传输 至安装在电动汽车上的次级侧能量拾取装置.从而 为车载电池组供电,如图1所示。 图1 电动汽车无线充电系统不意图 初级侧电能变换装置包括工频整流电路、滤波 电路、高频全桥逆变电路和串联谐振补偿电路。耦合 结构包括线圈拓扑结构和铁氧体铁芯。次级侧电能 变换装置包括高频整流电路、滤波电路和负载。工频 交流电首先经过初级侧电能变换装置将工频交流电 转换为高频交流电,经过初级侧谐振电路,在初级侧 线圈和铁芯周围产生高频交变磁场;次级侧线圈和 铁芯拾取部分高频磁场,产生高频感应电压.经过串 联谐振电路,在次级侧电能变换装置中对高频交流 电进行变换,最终给电池组充电【l2. 41。 2感应耦合充电原理 感应耦合无线电能传输技术可采用互感模型进 行描述,系统等效示意图如图2所示。其中 为高 频正弦交流电压,(cJ为频率,R。为初级侧线圈内阻, -28- 根据图2所示系统结构模型,分别对松耦合变 压器初级侧和次级侧列写KVL方程: I显D+1 mL l (J∞CP)-jtoMI,=Up 1、 IjtoL I l/ ∞C s +l汉-jmMIp 定义系统传输效率叼为次级侧负载得到功率 与初级侧输入功率 的比值。系统工作频率为谐振频率 时,电能传输效率最高。因此系统工作频率09。可表示为: wo=l/、/ =I/X/LpCp (2) 联立式(1)和(2),可得系统传输效率: 鲁—Re(R ,+R )2+tooL2M2(R,+R) (3) 定义耦合系数为k : L山s f4) 、 当初级侧内阻远小于次级侧电阻时,式(3)可表 示为: t,7: 尺 +∞ fL正  (5) 耦合系数是表征系统传输效率的重要因素.理 论上只与耦合结构几何形状、磁性材料和相对位置 有关。其他参数确定情况下,耦合系数k越大,系统 传输效率越高。对于电动汽车感应电能传输,耦合结 构几何参数的合理选择是提高系统能量传输效率的 有效途径【 。 3松耦合变压器设计 3.1结构设计 传统松耦合变压器大多由线圈结构实现能量的 发射和接收,电磁场能量在线圈周围空间分布较为 发散,导致传输范围有限、传输距离较小和耦合效率 较低。因此需要在松耦合变压器初级侧和次级侧添 加能量磁场引导材料,并对其结构进行合理设计。电 动汽车无线充电系统能量拾取装置需要安装于车辆 李秋生,等 电动汽车无线充电松耦合变压器仿真研究 底盘部位。在保证传输性能的前提下,拾取装置的长 度、宽度和厚度要尽量小,以满足汽车行驶过程中车 能量发射装置上方,磁感应强度分布和磁力线流向较 为均匀:在能量发射装置下方磁感应强度相对较弱。 这是南于网盘形状能量发射端结构可提供加大范闱 辆底盘距离地面的安全要求。 针对电动汽车无线充电系统工作特性,本文设 的磁场,同时其铁芯结构形成良好磁场屏蔽作刚。 计如图3所示松耦合变压器结构。该耦合结构南能 量发射端和能量拾取端组成。能量发射端为盘形结 构。线圈下方设置铁 I+-结构,铁芯为8个“T”型铁芯 和环形铁芯组成,与传统能量发射线圈相比,该种结 构可将能量发射到更远距离,.且具有一定的磁场屏 蔽作用。能量拾取端为方形结构,线圈分为上下两 侧,上层线圈为两个矩形线圈.下层为方形线圈,线 圈上方为条状铁芯结构。双层线圈结构可以增强能 量拾取的能力.并提高系统对错位偏移的容忍能力。 发射线圈 寸为800 ̄800 ̄60 mill,接收线圈尺寸为 60 ̄60 ̄50 mill,耦合距离为200 mllq。 4次级侧钛芯 磁力线分布l刳 次级侧线圈 耦合结构线圈绕制和铁芯布置方式确定后,系统耦 合系数取决于电动汽车进行充电的停靠位置和载重 初级侧线圈 初级侧铁芯 情况。电动汽车停靠位置无法使车载能量拾取装置 和置于地面的能量发射装置对齐时,耦合结构ff{现 水平方向的错位偏移情况。电动汽车载重大小会对 车辆底盘高度产生影响。进而对初级侧和次级侧耦 o 4.50 }{0(】(mm) 图3耦合结构 维图 合结构间竖直方向的气隙产生影响 在Maxwell软 件j维静态场中进行参数化求解,获取耦合系数随 竖直方向气隙和水平方向偏移变化情况,如图5所 3.2有限元分析 Maxwell是一款专业电磁场有限元分析软件,具 有向导式的用户界面、高精度的白适应剖分技术和强 件 I。依据耦合结构设计参数在SolidWorks中建立系 统模型,将其导入到Maxwell软件中进行有限元分 析,获取该耦合结构磁力线分布情况.如图4所示。在 0.30 示。在未发生水平偏移条件下,耦合系数大小与初级 耦合系数逐渐减小。在200 mm气隙下,随着初级侧 和次级侧水平方向错位的增加,耦合系数呈现减小 趋势。 0・3O 大的后处理能力,3D模块为高性能三维电磁分析软 侧和次级侧问气隙大小成线性关系,随着气隙增加. ().25 0.20 糕O・28 垛 咖 0・15 窭0 26 娄0.1o O.O5 O 0O 75 180 l蹄i90 195 260 205 210 215 220 225 o.05 o ioo 2co l踟 qoo 500 竖直方向气隙大小/in/lf 永平偏羊霉 /mm 图5 耦合系数与气隙和偏移关系 4 联合仿真分析 电动汽车无线充电系统是南电路部分和松耦 篓喜篓 鬈 筹 誓鑫 -29- 《电子设计工程 ̄2017年第08期 分析和电路系统分析的仿真模型,才能更准确的进 行无线充电系统进行仿真模拟。通过Maxwell静态 在Maxwell软件建立松耦合变压器模型.其中 初级侧和次级竖直方向有200mm气隙,且未发生水 场进行参数化分析,讨论耦合系数和电感参数随耦 平偏移,将Maxwell中仿真模型导入到Simplorer软 合结构位置变化的关系。在Simplorer软件建立系统 件。其中联合仿真状态控制如图6所示。 电路模型,通过开展联合仿真的方法,对松耦合变压 器在系统中性能进行分析。电动汽车无线充电系统 仿真参数如表1所示。 表1系统仿真参数 该仿真系统主要包括松耦合变压器模型、初级 侧全桥逆变电路、功率补偿电路、次级侧整流滤波电 路和逆变电路控制模块。在Simplorer中通过建立状 态图对全桥逆变电路进行控制,其中载波频率设置 为850 kHz,信号波频率为85 kHz。初级侧和次级侧 均为电感线圈,为减少系统无功功率,提高系统传输 效率需要对初级侧和次级侧进行功率补偿,初级和 次级电路均采用串联补偿结构。通过联合仿真分析 获取松耦合变压器两端电路参数如表2所示。 联合仿真过程中,Maxwell软件和Simplorer软 件同时运行,Maxwell主要负责耦合结构电磁场有限 元分析,将Simplorer产生的电信号作为激励导入 Maxwell模型,同时将有限元仿真产生的状态空间方 表2松耦合变压器两端参数 5 结 论 文中针对电动汽车感应耦合无线充电系统特 点,设计了新型松耦合变压器。其中通过Maxwell有 限元分析获取的磁场分布图,表明该装置符合电动 汽车无线充电特性:由Maxwell软件参数扫描分析, 程计算并输出到电路仿真系统。仿真结果显示传输 显示该结构耦合系数满足偏移和气隙变化要求;通 l和Simplorer联合仿真分析表明,该结构 功率为3.65 kW,传输距离200 mm,未发生水平偏 过Maxwel移条件下,松耦合变压器两侧效率可达89.9%。因 满足电动汽车对耦合装置传输效率和功率等级的要 此.该松耦合变压器结构传输功率等级和效率满足 求。该耦合结构的提出,为电动汽车无线充电松耦合 变压器设计和选择提供一定参考。 电动汽车无线充电系统设计要求。 -30- 李秋生.等 电动汽车无线充电松耦合变压器仿真研究 参考文献: Transactions on Power Electronics,201 1,26(11): 3096-3 108. 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