新能源汽车中基于磁耦合谐振的无线电能传输线圈横向错位影响分析及线圈自动调节设计
范祖良
摘? 要：针对新能源汽车基于磁耦合谐振无线充电技术为何传输功率小、充电效率低的问题展开研究。通过对磁耦合线圈耦合系数的推导分析和论证，发现发射线圈与接收线圈的横向错位、纵向超距是造成磁耦合谐振无线电能传输功率小、效率低的主要原因之一。提出了针对新能源汽车无线充电磁耦合线圈错位、超距能够实现线圈自动调节的设计方案。
关键词：新能源汽车;无线充电;磁耦合谐振;线圈错位;线圈自动调节
中图分类号：TM724 文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：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
随着电池技术的不断进步，全球油气资源的日益枯竭和人们环境保护意识的不断增强，新能源汽车迎来了很好的发展契机。目前中国在新能源汽车的生产和保有量上都处于世界领先地位，来源于新京报的数据截止至2019年底全国共计有新能源汽车约为400万辆而且这个数字还处于不断的增长中。但是目前全国现有的充电桩数约为102万个，新能源汽车数与充电桩数之比高达4：1。若不采取相应的措施尽快缩小车桩比，将会流失未来潜在的新能源汽车客户，从而制约新能源汽车的进一步发展。
新能源汽车充电桩数偏少究其原因新建充电桩需要占用较大面积的土地，且位置会较偏僻。由于原有的地面充电桩或立体停车场预留空间有限无法通过加装充电桩来进行改造，即使将充电桩勉强安装在停车场中往往也会遭遇车辆的剐蹭、碰撞出现损坏甚至发生人员触电的危险。所以本文提出新能源汽车采用无线充电技术，只需将充电线圈中的发射线圈埋设于地面停车位或者立体停车场中的车位托架上，新能源汽车只需正常的泊入车位即可进行电能传输为汽车电池进行充电。
1 无线电能传输技术
无线电能传输技术（wireless power transfer，WPT）是一种借助于物理空间中的能量载体，基于非导线接触方式，实现电能传输的技术[1]。在众多的无线充电技术中最常用且技术相对成熟的两种方式是磁耦合谐振式与电磁感应式，其具体功能参数如表1所示。目前新能源汽车在进行无线电能传输充电时地面预埋线圈距离汽车底盘的实际传输距离在0.1～0.25米之间，充电功率约为120瓦。由此可见磁耦合谐振式无线充电技术在功率、传输距离上更符合新能源汽车无线充电的应用场景需要，所以本文最终确定采用磁耦合谐振式无线充电技术来进行对新能源汽车的无线充电系统的应用探究。
2 磁耦合谐振式线圈无线电能传输原理
磁耦合谐振式无线电能传输系统主要由电网电源、电能转换器、磁耦合线圈、负载组成。电网交流电电能通过电能转换器作用于发射线圈，当交变电流通过发射线圈时产生高频的交变磁场，处于高频交变磁场中的接收线圈就会产生同频的感应电动势从而实现电能的无线传播。工作原理示意图如图1所示。
3 耦合线圈正对面积、间距对无线电能传输效率、功率的影响分析
在静态下利用无线电能传输系统给新能源汽车电池进行电能补充的设计方案：将磁耦合谐振式无线电能传输系统的发射线圈预埋停车位中，将接收线圈安装在汽车底盘上。当新能源汽车停车入位后，汽車底盘上安装的接收线圈就处于发射线圈所激发的高频磁场中从而在接收线圈中产生感应电动势就实现了电能的无线传输可以为新能源汽车电池进行充电。
在利用磁耦合谐振无线电能传输技术给新能源汽车电池进行电能补充时，发射线圈与接收线圈的耦合程度，也就是互感系数M直接决定了电能无线传输的功率、效率。在影响磁耦合谐振线圈耦合程度的诸多因素中，发射线圈和接收线圈间的正对面积、线圈间距是一个影响很大的因素[2]。在公共停车场中的停车位，由于不同驾驶员、不同车辆在停放过程中车辆位置、车辆底盘的高低个体差异性较大，所以想要提高无线电能传输的效率和实际功率满足新能源汽车充电的实际需求就必须了解这些差异所带来的影响，并设法解决这些个体差异性所带来的问题。磁耦合谐振线圈横向错位示意图如图2所示。
样也与发射线圈与接收线圈的距离有关。当线圈距离超过理论模型的最佳距离即，d'>d时也会引起M' 结论：当两线圈由于错位或线圈超距时将导致实际有效重叠的正对面积减小或者线圈距离增大，引起互感系数M减小从而引起无线电能传输效率和功率减小。由此可见，发射线圈和接收线圈的错位和超距不仅会造成电能的额外损失而且也会使新能源汽车充电时间延长[4]。 4 发射线圈和接收线圈正对面积、距离的自动调整方案设计 由于公共停车位的无线电能传输充电系统面对的对象是广大停车驾驶技术水平参差不齐，底盘离地间距高矮不一的新能源汽车，所以固定不变的预埋式发射线圈设计显然无法满足新能源汽车无线充电系统的大功率、高效率的要求。为了实现线圈间正对面积、高度的自动调节现提出以下两种设计方案。 方案一：利用安装在停车位中的液压移位和升降设备实现车辆位置和高度的自动调节 该方案的具体实现方式是将发射线圈及电源电缆固定预埋在停车位的预定位置。在线圈两侧安装液压移位和升降装置，当新能源汽车驶入停车位后通过停车位表面的压力传感器触发安装在发射线圈周围的红外线对射和测距装置进入工作状态。该红外线装置可用于判断车辆底盘上的接收线圈是否与发射线圈完全正对、两线圈之间的高度是否合适。若正对面积或高度不满足预设参数则启动液压移位和升降设备将汽车进行水平移位和高度调节，直至满足預设参数，进而接通发射线圈电源进入无线电能传输状态。当车辆驶离后压力信号消失，液压移位和升降设备及红外设备复位并切断发射线圈电源。 方案二：采用活动式发射线圈，通过发射线圈的水平位置和高度的调节来实现线圈耦合 该方案的具体实现方式是将活动式的电源电缆终端和发射线圈安装在由两个伺服电机驱动的导轨支架上，示意图如图3所示。该支架能在这两个水平和竖直伺服电机的驱动下实现水平和竖直方向的移位和升降。当新能源汽车驶入停车位后，停车位表面的压力传感器触发启动发射线圈周围的红外线对射和测距装置进入工作状态。与方案一相同，该红外线装置也是用于判断车辆底盘上的接收线圈是否与发射线圈完全正对、两线圈之间的高度是否合适。若正对面积或高度不满足预设参数，则启动伺服电机驱动支架按照先水平后竖直的工作逻辑来调节发射线圈位置直至正对面积和线圈间距满足预设参数。当车辆驶离后压力信号消失，伺服电机驱动支架和红外设备复位并切断发射线圈电源。 通过比较以上两种方案可知：（1）功能实现情况：两种方案都能够实现谐振线圈耦合的自动控制功能;（2）节能 环保情况：两种方案都有考虑到节能问题，发射线圈都可以实现的自动上电和断电功能;（3）各方案施工难度：方案一中为实现液压移位和升降设备的安装需要在发射线圈两边实施挖沟作业，同时也要额外的为液压设备配备液压油储油坑、布放液压管道等导致施工难度较大施工周期较长;方案二只需在预埋发射线圈时加装伺服电机及支架、额外布放少量控制电线即可，施工简单施工周期也较短;（4）方案成本：方案一中由于施工难度大人工成本较高，液压设备也较为昂贵导致成本较高;方案二中人工成本较方案一而言相对较低，同时基于伺服电机在方案二中的作用仅是为发射线圈移位和升降提供动力所以也可选用控制精度适中、扭矩适中、价格合理的伺服电机进行驱动以便更加合理的控制成本;（5）方案后期维护难度与成本：方案一中组成的配件多、分布广，液压装置更是采用隐蔽工程安装方式这将大大增加工程后期的维护难度、维护时间和维护成本;方案二中发射线圈、电源电缆、安装支架及伺服电机等安装位置相对集中，而且都为地面式安装方式方便后期维护，维护周期短成本低。（6）适用性：方案一只适用于地面停车场的加装改造，对于立体停车场显然是不适合的;方案二针对现有的地面和立体停车位都能够轻松实现改造。 综上，基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的新能源汽车充电系统采用方案二，即发射来进行发射线圈和接收线圈的正对面积和距离的自动调节。通过自动调节就能大大提高谐振线圈的耦合系数，从而在一定程度上提高系统的充电效率和功率，同时降低电能损耗缩短汽车充电时间。 5 结束语 本文针对当下新能源汽车充电桩极度短缺的情况进行细致的原因分析，并针对目前城市土地短缺的实际情况提出了在现有的地面和立体停车场中加装新能源汽车无线充电设备方式。通过这种方式就能在短期内迅速增加新能源汽车充电桩数量，进而大大缓解新能源汽车充电难的状况，为新能源汽车的普及打下了坚实的基础。通过研究得出新能源汽车无线充电技术拟采用的磁耦合谐振方式所面临的充电功率小、效率低的一部分具体原因是发射线圈与接收线圈横向错位和纵向超距。针对这两个问题，提出了利用安装在停车位中的液压移位和升降设备实现车辆位置和高度的自动调节、采用活动式发射线圈，通过发射线圈的水平位置和高度的调节来实现线圈耦合两种控制方案。通过多个方面的比较，采用活动式发射线圈，通过发射线圈的水平位置和高度的调节来实现线圈耦合的调节方案在能够同样完成目标线圈调节的情况下，施工难度、成本、后期维护等方面都更胜一筹，是更适合的磁耦合谐振式线圈自动调节方案。 参考文献： [1]黄学良，王维，谭林林.磁耦合谐振式无线电能传输技术研究动态与应用展望[J].电力系统自动化，2017（2）：2-14+141. [2]李阳，杨庆新，闫卓，等.无线电能有效传输距离及其影响因素分析[J].电工技术学报，2013（01）：112-118. [3]李文华，马源鸿，王炳龙.电动汽车无线充电线圈错位及偏移影响研究[J].计算机仿真，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.
