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电动汽车无线充电线圈互操作性的评价方法

Evaluation method of wireless charging coil Interoperability for electric vehicles

作者:本站  来源:转载  浏览:153  发布时间:2021-05-13

    随着电动汽车无线充电技术的发展,充电线圈的类型越来越多。然而,由于不同线圈对磁通分布的需求各异,不同种类产品的发射端和接收端之间难以实现互操作,阻碍了不同技术路线间的互联互通。

    为准确评价不同线圈间的互操作性,哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院、中国电力科学研究院有限公司、国网河北省电力有限公司雄安新区供电公司的研究人员杨光、宋凯、黄晓华、李津、朱春波,在 2020 年《电工技术学报》增刊 2 上撰文,提出一套量规设备参数优化设计方法,明确了不同参数的取值与设计原则;设计了一套用于矩形线圈互操作性评价的量规设备样机,评价结果与功率测试结果相符,证明了提出的量规设备设计方法的有效性。



    随着电动汽车无线充电技术的发展,出现了矩形、 DD 型线圈等不同的线圈类型,串联、并联和 LCC 等不同的补偿拓扑,以及不同的控制方法等多种技术路线并存的现状。作为系统核心,线圈更吸引了研究者们的关注。自 2011 年开始,新西兰奥克兰大学对矩形线圈外形布局、圆盘尺寸、线圈宽度、磁芯尺寸和配置方式等方面进行优化设计,形成了不同应用环境下矩形线圈的设计方法。

    为提升矩形线圈不对准情况下的系统性能,研究团队提出了具有单侧磁通特性的 DD 型线圈,它与矩形线圈不同之处在于发射磁通由竖直变为水平。若接收线圈也采用 DD 型线圈,耦合系数能显著增加,漏磁量减小,磁通正交方向的抗偏移能力也明显提升。在此基础上,又有研究者对 DD 型线圈进行改进, DDQ 型和 BP 型线圈陆续问世

    上述线圈在耦合系数、抗偏移能力、电磁泄漏水平、制作工艺等方面各有优势,也被不同技术路线的产品分别使用。

    然而,由于线圈结构参数和电气参数存在较大差别,加之不同线圈对磁通的需求各异,不同线圈间难以实现互操作。如图1所示,在实际情况中,不同厂家生产的无线充电系统线圈结构存在多种组合方式,会造成电能发射与接收装置不匹配,影响充电效率甚至不能充电,导致不同技术路线的产品间不能互联互通,阻碍电动汽车无线充电产业的规模化发展。





    为准确评价不同技术路线间的互操作性,国外学术和工业界近年来开展了电动汽车无线充电产品间的互操作性测试,采用的方法通常有以下几种:

    1) “功率-效率评价法

    基于功率、效率进行互操作性评价是最基本的方法。若系统输出功率和传输效率满足标准要求,则认为互操作性被验证。有学者介绍了法国雷诺汽车公司对不同厂商生产的车辆侧设备进行的互操作测试结果,但缺点很明显:不同产品的发射机与接收机的交叉测试工作量较大;测试结果无法表明系统参数对互操作性的影响;电压与电流相位差难以准确测量,可能导致测量结果不准确等。

    2) 耦合系数-品质因数评价

    耦合系数和线圈品质因数决定了线圈间传输功率和效率,二者是否达标是判断互操作性的重要依据,但该方法不适用于存在复杂补偿拓扑或变换器的情况。另外,耦合系数和品质因数难以准确测量,不利于推广应用。

    3) 阻抗和基础互感值评价法

    有学者提出一种基于阻抗和基础互感值的互操作性评价方法。一方面,该方法首次引入了参考线圈,通过参考线圈相应端口阻抗的测量结果评价互操作性,不需进行产品车辆侧和地面侧设备的交叉测试。

    另一方面,提出了如图2所示的量规设备 ( Gauge Device, GD ) 。量规设备由三个相互独立的单匝量规线圈、磁芯和铝板构成。将量规设备与地面侧线圈间的基础互感值是否达标作为地面侧参考线圈的选取依据。该方法具有测试工作量小、测试结果可视化程度高等优点。





    综上所述,阻抗和基础互感值评价法是目前较先进的互操作性评价方法。然而,其中用到的量规设备设计方法尚不明确,只能按照固定的一套标准参数进行制作,缺乏各参数的最优化考虑和自主设计方案,不利于在国内大规模推广。

    因此,哈尔滨工业大学等单位的研究人员针对 SAE J2954 标准中用于互操作性评价的量规设备参数选取方法不明的问题,研究了量规设备关键参数优化设计方法,并得到以下结论:




    1) 相比于传统研究中关注的线圈间互感,基础互感值与匝数无关,仅与线圈结构和相对位置有关,可以反映系统输出功率和传输效率等指标,更适合作为互操作性评价判据。

    2) 基础互感值在实际测试中不易准确测得,但其直接体现为接收线圈感应电压这一电气参量,可保证较高的测量精度,故采用量规设备开路电压可准确测得基础互感值

    3) 量规设备尺寸、线圈个数和磁芯结构影响基础互感测量结果。为达到较高的测量精度,量规设备尺寸应接近标准接收线圈;线圈个数不应低于 3 个;磁芯可采用基本平铺式结构。

    以上研究成果发表在 2020 年《电工技术学报》增刊 2 上,论文标题为用于电动汽车无线充电线圈互操作性评价的量规设备研究,作者为杨光、宋凯 等。

   转自:电动汽车无线充电线圈互操作性的评价方法 (baidu.com)