电动汽车动态无线充电紧-强耦合模式分析

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电动汽车动态无线充电紧 强耦合模式分析

张一献1,金一耀1,苑朝阳1,魏一斌2,王松岑2,赵牧天1

(1.

天津市电工电能新技术重点实验室(天津工业大学),天津市300387;2.中国电力科学研究院,北京市100085)摘要:针对感应耦合结构近距离二弱偏移,以及谐振耦合式结构易受干扰的问题,提出紧 强耦合协

同工作机构三通过建立动态无线充电系统的数学模型,研究其传输特性随品质因数和耦合系数的变化规律三基于有限元仿真,分析了系统的动态传输特性三为提高系统的抗偏移性二降低电磁辐射,在接收线圈装设铁氧体屏蔽结构三通过搭建实验平台对仿真过程进行实验验证,证明了所设计耦合机构的可行性三结果表明所设计的耦合机构具有较高的动态传输性能,并且在85kHz 下获得了93.9%的传输效率三关键词:动态无线充电;紧 强耦合;协同工作;磁屏蔽

收稿日期:2016-09-13;修回日期:2016-12-02三上网日期:2016-12-13三国家自然科学基金资助项目(51677132);天津市自然科学基金青年项目(15JCQNJC01900)

;国家电网公司科技项目(DG71-16-005)

三0一引言

电动汽车由于采用高能密度电池组作为动力源,具有无污染二零排放的特点,且其动力源具有多元化采集的特点,不仅能够通过电网的夜间峰谷电力进行能源储备,还可以利用太阳能二风能二潮汐能等清洁能源实现电能转换三目前,电动汽车主要采用充电桩进行充电,这种充电桩方式存在多种弊端,比如充电操作过于繁琐和触头长期接触摩擦会产生电火花,并且在雨雪天气中容易引发漏电事故等,给电动汽车高效二安全的使用带来挑战三无线电能传

输技术作为一种新型的电能传输方式[1-3]

,尤其是动态无线电能传输技术,将此技术应用于电动汽车充

电系统[4-5]

,既可以克服传统接触供电的劣势,还可

以打破续航里程对电动汽车普及的制约,提供灵活二

快捷的充电方式三

目前,美国[6]二新西兰[7-8]二日本[9]和韩国[10]

均

在动态耦合无线供电领域展开研究和试验三与此同

时,中国广西电网公司建成了国内首条电动汽车动态无线供电车道三美国橡树岭国家实验室在方形圆角线圈结构的基础上,研发出传输效率高达97%的

5kW 非对称耦合电动汽车无线充电系统[11]

;

新西兰奥克兰大学的研究团队提出具有较高抗偏移性的

DD 型线圈机构[12]

三文献[13]

设计出新型交叉分割式无线充电轨道,能够在传输距离为20cm 时实现

35kW 的功率传输,

而且该动态充电系统能够承受24cm 的横向偏移三

对于无线充电系统,耦合系数k 和品质因数Q 是评价系统性能的两个重要参数三文献[14]指出,当与k 相关的模式耦合因数足够大时,功率交换可称之为紧耦合,反之可称为松耦合;当与Q 相关的耦合能力因数足够大时也可实现大功率的能量交换,此种情况称之为强耦合,反之称为弱耦合三从现有无线电能传输技术特性分析,感应耦合与谐振耦合分别利用了能量交换理论中紧耦合与强耦合的优点三

基于上述研究,本文以动态无线电能传输作为技术背景,结合感应耦合与谐振耦合两者优点,提出了新型紧 强耦合协同工作的三重耦合机构三通过在接收端装设协同线圈,在提高k 的同时增大接收线圈Q ,使系统的动态传输效率和抗偏移性得到提升三根据耦合机构的工作特性,建立了系统的电路拓扑模型,并推导出传输效率随耦合系数和品质因数变化的函数表达式三在有限元仿真环境下,分析了动态耦合过程中耦合机构的磁场强度分布特性及其动态传输特性三为了进一步降低空间磁能耗散,提升系统传输效率,在接收线圈侧进行了结构优化三通过搭建实物模型验证了耦合机构的可行性,为电动汽车动态无线充电系统的设计提供了参考三

1一紧 强耦合协同工作机构模型分析

对于电动汽车动态无线充电系统而言,主要采

用两线圈耦合结构三但是,两线圈系统的传输性能

9

7Vol.41No.2Jan.25,2017

DOI :10.7500/AEPS20160913013

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