新能源汽車中基于磁耦合諧振的無線電能傳輸線圈橫向錯位影響分析及線圈自動調節設計

范祖良

摘? 要：針對新能源汽車基于磁耦合諧振無線充電技術為何傳輸功率小、充電效率低的問題展開研究。通過對磁耦合線圈耦合系數的推導分析和論證，發現發射線圈與接收線圈的橫向錯位、縱向超距是造成磁耦合諧振無線電能傳輸功率小、效率低的主要原因之一。提出了針對新能源汽車無線充電磁耦合線圈錯位、超距能夠實現線圈自動調節的設計方案。

關鍵詞：新能源汽車;無線充電;磁耦合諧振;線圈錯位;線圈自動調節

中圖分類號：TM724 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0020-03

Abstract： This paper studies the problem of low transmission power and low charging efficiency of new energy vehicles based on magnetically coupled resonant wireless charging technology. Through the derivation， analysis and demonstration of the coupling coefficient of the magnetic coupling coil， it is found that the lateral dislocation and longitudal overdistance between the transmitting coil and the receiving coil is one of the main reasons for the low power and low efficiency of magnetic coupling resonant radio energy transmission. This paper puts forward a design scheme thatautomatic adjustment can be performed to the coil for the dislocation and overdistance of the electromagnetic coupling coil in the wireless charging of the new energy vehicle.

Keywords： new energy vehicle; wireless charging; magnetic coupling resonance; coil dislocation; coil automatic adjustment

引言

隨著電池技術的不斷進步，全球油氣資源的日益枯竭和人們環境保護意識的不斷增強，新能源汽車迎來了很好的發展契機。目前中國在新能源汽車的生產和保有量上都處于世界領先地位，來源于新京報的數據截止至2019年底全國共計有新能源汽車約為400萬輛而且這個數字還處于不斷的增長中。但是目前全國現有的充電樁數約為102萬個，新能源汽車數與充電樁數之比高達4：1。若不采取相應的措施盡快縮小車樁比，將會流失未來潛在的新能源汽車客戶，從而制約新能源汽車的進一步發展。

新能源汽車充電樁數偏少究其原因新建充電樁需要占用較大面積的土地，且位置會較偏僻。由于原有的地面充電樁或立體停車場預留空間有限無法通過加裝充電樁來進行改造，即使將充電樁勉強安裝在停車場中往往也會遭遇車輛的剮蹭、碰撞出現損壞甚至發生人員觸電的危險。所以本文提出新能源汽車采用無線充電技術，只需將充電線圈中的發射線圈埋設于地面停車位或者立體停車場中的車位托架上，新能源汽車只需正常的泊入車位即可進行電能傳輸為汽車電池進行充電。

1 無線電能傳輸技術

無線電能傳輸技術（wireless power transfer，WPT）是一種借助于物理空間中的能量載體，基于非導線接觸方式，實現電能傳輸的技術[1]。在眾多的無線充電技術中最常用且技術相對成熟的兩種方式是磁耦合諧振式與電磁感應式，其具體功能參數如表1所示。目前新能源汽車在進行無線電能傳輸充電時地面預埋線圈距離汽車底盤的實際傳輸距離在0.1～0.25米之間，充電功率約為120瓦。由此可見磁耦合諧振式無線充電技術在功率、傳輸距離上更符合新能源汽車無線充電的應用場景需要，所以本文最終確定采用磁耦合諧振式無線充電技術來進行對新能源汽車的無線充電系統的應用探究。

2 磁耦合諧振式線圈無線電能傳輸原理

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統主要由電網電源、電能轉換器、磁耦合線圈、負載組成。電網交流電電能通過電能轉換器作用于發射線圈，當交變電流通過發射線圈時產生高頻的交變磁場，處于高頻交變磁場中的接收線圈就會產生同頻的感應電動勢從而實現電能的無線傳播。工作原理示意圖如圖1所示。

3 耦合線圈正對面積、間距對無線電能傳輸效率、功率的影響分析

在靜態下利用無線電能傳輸系統給新能源汽車電池進行電能補充的設計方案：將磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的發射線圈預埋停車位中，將接收線圈安裝在汽車底盤上。當新能源汽車停車入位后，汽車底盤上安裝的接收線圈就處于發射線圈所激發的高頻磁場中從而在接收線圈中產生感應電動勢就實現了電能的無線傳輸可以為新能源汽車電池進行充電。

在利用磁耦合諧振無線電能傳輸技術給新能源汽車電池進行電能補充時，發射線圈與接收線圈的耦合程度，也就是互感系數M直接決定了電能無線傳輸的功率、效率。在影響磁耦合諧振線圈耦合程度的諸多因素中，發射線圈和接收線圈間的正對面積、線圈間距是一個影響很大的因素[2]。在公共停車場中的停車位，由于不同駕駛員、不同車輛在停放過程中車輛位置、車輛底盤的高低個體差異性較大，所以想要提高無線電能傳輸的效率和實際功率滿足新能源汽車充電的實際需求就必須了解這些差異所帶來的影響，并設法解決這些個體差異性所帶來的問題。磁耦合諧振線圈橫向錯位示意圖如圖2所示。

樣也與發射線圈與接收線圈的距離有關。當線圈距離超過理論模型的最佳距離即，d'>d時也會引起M'

結論：當兩線圈由于錯位或線圈超距時將導致實際有效重疊的正對面積減小或者線圈距離增大，引起互感系數M減小從而引起無線電能傳輸效率和功率減小。由此可見，發射線圈和接收線圈的錯位和超距不僅會造成電能的額外損失而且也會使新能源汽車充電時間延長[4]。

4 發射線圈和接收線圈正對面積、距離的自動調整方案設計

由于公共停車位的無線電能傳輸充電系統面對的對象是廣大停車駕駛技術水平參差不齊，底盤離地間距高矮不一的新能源汽車，所以固定不變的預埋式發射線圈設計顯然無法滿足新能源汽車無線充電系統的大功率、高效率的要求。為了實現線圈間正對面積、高度的自動調節現提出以下兩種設計方案。

方案一：利用安裝在停車位中的液壓移位和升降設備實現車輛位置和高度的自動調節

該方案的具體實現方式是將發射線圈及電源電纜固定預埋在停車位的預定位置。在線圈兩側安裝液壓移位和升降裝置，當新能源汽車駛入停車位后通過停車位表面的壓力傳感器觸發安裝在發射線圈周圍的紅外線對射和測距裝置進入工作狀態。該紅外線裝置可用于判斷車輛底盤上的接收線圈是否與發射線圈完全正對、兩線圈之間的高度是否合適。若正對面積或高度不滿足預設參數則啟動液壓移位和升降設備將汽車進行水平移位和高度調節，直至滿足預設參數，進而接通發射線圈電源進入無線電能傳輸狀態。當車輛駛離后壓力信號消失，液壓移位和升降設備及紅外設備復位并切斷發射線圈電源。

方案二：采用活動式發射線圈，通過發射線圈的水平位置和高度的調節來實現線圈耦合

該方案的具體實現方式是將活動式的電源電纜終端和發射線圈安裝在由兩個伺服電機驅動的導軌支架上，示意圖如圖3所示。該支架能在這兩個水平和豎直伺服電機的驅動下實現水平和豎直方向的移位和升降。當新能源汽車駛入停車位后，停車位表面的壓力傳感器觸發啟動發射線圈周圍的紅外線對射和測距裝置進入工作狀態。與方案一相同，該紅外線裝置也是用于判斷車輛底盤上的接收線圈是否與發射線圈完全正對、兩線圈之間的高度是否合適。若正對面積或高度不滿足預設參數，則啟動伺服電機驅動支架按照先水平后豎直的工作邏輯來調節發射線圈位置直至正對面積和線圈間距滿足預設參數。當車輛駛離后壓力信號消失，伺服電機驅動支架和紅外設備復位并切斷發射線圈電源。

通過比較以上兩種方案可知：（1）功能實現情況：兩種方案都能夠實現諧振線圈耦合的自動控制功能;（2）節能

環保情況：兩種方案都有考慮到節能問題，發射線圈都可以實現的自動上電和斷電功能;（3）各方案施工難度：方案一中為實現液壓移位和升降設備的安裝需要在發射線圈兩邊實施挖溝作業，同時也要額外的為液壓設備配備液壓油儲油坑、布放液壓管道等導致施工難度較大施工周期較長;方案二只需在預埋發射線圈時加裝伺服電機及支架、額外布放少量控制電線即可，施工簡單施工周期也較短;（4）方案成本：方案一中由于施工難度大人工成本較高，液壓設備也較為昂貴導致成本較高;方案二中人工成本較方案一而言相對較低，同時基于伺服電機在方案二中的作用僅是為發射線圈移位和升降提供動力所以也可選用控制精度適中、扭矩適中、價格合理的伺服電機進行驅動以便更加合理的控制成本;（5）方案后期維護難度與成本：方案一中組成的配件多、分布廣，液壓裝置更是采用隱蔽工程安裝方式這將大大增加工程后期的維護難度、維護時間和維護成本;方案二中發射線圈、電源電纜、安裝支架及伺服電機等安裝位置相對集中，而且都為地面式安裝方式方便后期維護，維護周期短成本低。（6）適用性：方案一只適用于地面停車場的加裝改造，對于立體停車場顯然是不適合的;方案二針對現有的地面和立體停車位都能夠輕松實現改造。

綜上，基于磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的新能源汽車充電系統采用方案二，即發射來進行發射線圈和接收線圈的正對面積和距離的自動調節。通過自動調節就能大大提高諧振線圈的耦合系數，從而在一定程度上提高系統的充電效率和功率，同時降低電能損耗縮短汽車充電時間。

5 結束語

本文針對當下新能源汽車充電樁極度短缺的情況進行細致的原因分析，并針對目前城市土地短缺的實際情況提出了在現有的地面和立體停車場中加裝新能源汽車無線充電設備方式。通過這種方式就能在短期內迅速增加新能源汽車充電樁數量，進而大大緩解新能源汽車充電難的狀況，為新能源汽車的普及打下了堅實的基礎。通過研究得出新能源汽車無線充電技術擬采用的磁耦合諧振方式所面臨的充電功率小、效率低的一部分具體原因是發射線圈與接收線圈橫向錯位和縱向超距。針對這兩個問題，提出了利用安裝在停車位中的液壓移位和升降設備實現車輛位置和高度的自動調節、采用活動式發射線圈，通過發射線圈的水平位置和高度的調節來實現線圈耦合兩種控制方案。通過多個方面的比較，采用活動式發射線圈，通過發射線圈的水平位置和高度的調節來實現線圈耦合的調節方案在能夠同樣完成目標線圈調節的情況下，施工難度、成本、后期維護等方面都更勝一籌，是更適合的磁耦合諧振式線圈自動調節方案。

參考文獻：

[1]黃學良，王維，譚林林.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術研究動態與應用展望[J].電力系統自動化，2017（2）：2-14+141.

[2]李陽，楊慶新，閆卓，等.無線電能有效傳輸距離及其影響因素分析[J].電工技術學報，2013（01）：112-118.

[3]李文華，馬源鴻，王炳龍.電動汽車無線充電線圈錯位及偏移影響研究[J].計算機仿真，2018，035（2）：101-104，228.

[4]Mohrehkesh， Shahram， Nadeem， Tamer. [IEEE 2011 14th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems-（ITSC 2011）-Washington， DC， USA（2011.10.5-2011.10.7）] 2011 14th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems（ITSC）-Toward a wireless charging[C]//：113-118.