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感应耦合电能传输连续供电的电动汽车Zeljko Pantic, Sanzhong Bai and Srdjan M. LukicFREEDM System Center North Carolina State University Raleigh NC 27695, USA zpantic, sbai, smlukic 摘要: 经济和环境的主要问题是激励发展高效和可持续的电城市交通车辆。电动汽车（EV）相比混合动力车和汽油车有两个主要的优点：消除汽车尾气排放和简化传动系统。然而，当电动汽车配有目前最先进的能源存储有一个有限的范围之间的补给。为了减少的能量存储的局限性技术，我们提出了使用电感耦合功率传输（ICPT）供电的车辆，当汽车移动的时候。ICPT是一门在电源和负载之间没有物理连接的传输功率的有效技术。在本文中，我们探讨在ICPT要求下两种类型的车辆与ICPT系统结合的操作。第一辆车使用电池作为初级和ICPT作为辅助能源电动汽车供应源。我们的目标是达到300英里的覆盖范围。第二辆采用电化学电容器（超级电容器）作为电源和ICPT作为能量源。我们的目标是提供无限制的车辆。结果是电池系统的可行性分析对于不同的ICPT和超级电容器的的ICPT组合驾驶条件和车辆以及粗糙的评价预期的长度和轨道ICPT的最佳位置，指定驾驶循环。关键词：电动汽车；电化学电池；电感耦合功率传输；超级电容器命名：Lcyc 一个驱动周期的总长度Lsect,min ICPT部门最小长度LICPT,min 车辆足够的能量支持下ICPT允许的最小总长度（电池/电能传输的情况下）LICPT ICPT优化后的一个实际长度优化参数（电池/电能传输的情况下）tICPT,min ICPT能量转移EICPT必要提供的最小时间（电池/ ICPT的情况）Ibatt,max 允许的最大放电电流（电池/电能传输的情况下）Ibatt,set 电池放电电流的实际值优化参数（电池/电能传输的情况下）ICPT ICPT的电源转换效率PICPT ICPT的轨道电源的额定功率Ereq 在驾驶车辆的总能量的要求周期（电池/ ICPT的情况）Ebatt 一个SOC = 100%电池的总能量EICPT ICPT能源在一个周期的贡献（电池/电能传输的情况下）一、引言由于环境问题需要有更多的环保汽车。电力推进作为最终的解决方案，是因为可以产生无污染的电力使用的可再生能源。目前的混合电动汽车（HEV）和插入式混合动力电动汽车（PHEV）车被认为是短期内减少排放和改善燃料经济性的解决方案。同时出现了一个巨大的努力改善的能量存储系统的性能（如电池和电化学电容器）使发动机的燃烧可完全消除。电动汽车（EV）相比混合动力汽车有两个优势：可以彻底消除排放量并且车辆的传动系统大大简化。然而，电动汽车有一个问题可以覆盖当前的状态的范围理想的储能没有一个补给的需要。对于电动汽车与用汽油驱动的汽车进行竞争，能源存储能够快速充电，以及车辆的范围充电之间有相称的范围的汽油车。有一种方法来延长电动车的行驶范围当车移动时利用感应耦合电能传输（ICPT）转移电源。ICPT是传递动力与高效的技术它没有物理连接之间的源和负载 1 - 3 。ICPT概念应用在许多工业应用在源和负载之间的机械接触不可能或应该避免。在100mm 4 距离内能量转移的效率可以达到90%。基本的ICPT系统由三个主要部分组成：电源（转换器），供电轨（有或无铁磁材料为磁导体）和提取。该系统通常工作在高频率（kHz范围在1-200）来提高功率传输。为了减少开关损耗，该转换器的设计是利用系统电感形成谐振电路；一个额外的电容器用于在切换系统的电感产生共鸣频率 4 。ICPT也被认为是巷道动力电动汽车 5 ， 6 。在这样一个系统下的供电轨将埋下的巷道，与传感器位于车辆。这样的连续动力系统有着很大的可能解决当今能源存储系统的局限性问题对电力的更广泛接受的主要障碍车 7 。两种方法都已经实现了：连续 5 和 6 部分供电轨。在第一种情况下，供电轨比更长的回升；第二，他们是相称的。本文分析了功率传输的要求在延长电动车的范围内满足一个预定义的距离目标。我们看了两种情况：车辆安装可以覆盖300英里范围内有限的电池和一个装有可以覆盖无限范围的超级电容车。对于第一个问题的分析，可以利用ICPT的两个函数。首先是“帮助能源”这意味着那ICPT应该转移额外的能量电池或直接为车辆发动机的支持实现的总驾驶循环的能源需求。第二种方法是“帮助与权力”即ICPT应该接受峰对本身的功率要求，均衡电池电源在周期的要求。据认为，对于一个轨道ICPT主要的优化布置准则：1） 指定的车辆范围内减少了ICPT轨道的长度在满足（能量准则），2） 最大限度地减少所需的电池功率峰值（功率准则）。第一个条件是通过放置在满足ICPT轨道的驱动周期在车辆速度较低的部分。第二个条件的地方的轨道区段在驾驶循环的功率要求高的区域，从而降低峰值输出功率从电池组以及能源贮存寿命延长。为了评价这两个标准，选择一个优化函数。本程序是在第三部分，介绍和分析的结果在第四节。本研究的第二部分探讨用非接触式ICPT轨道只有电化学电容器驱动的电动汽车提供能量的主要来源的可能性。本程序是在第五部分提出而提出和分析结果在第六部分。二、常见的假设和约束条件的优化在这项研究中我们考虑了三个类型的车辆，在三种情况下运行。研究中使用的车辆：（1） 紧凑型轿车(Honda Insight)，（2） 大轿车(Chevrolet Impala)，（3） 多功能运动车(Ford Explorer)。三车辆的参数在附录表IX中给出。我们也考虑过驾驶周期代表的各种驾驶情况：1） 低要求：UDDS城市驾驶循环，2） 高速公路行驶循环：HWFET，3） 高要求的驱动周期：VAIL2NREL。驱动周期的图形表示在图1中，而不同的汽车所需的能量，不同的驾驶周期和300英里的覆盖面积表一中出了。图1、驱动周期的研究认为：UDDS和HWFET，vail2nrel速度和高度作为时间的函数表一所需要的能量为300英里覆盖度所有的分析和模拟考虑在同一ICPT轨道进行和供给特征：1） 轨道段的长度不短于Lsect,min=10m；2） 系统的能量传递效率（ICPT）是75%；3） 轨道电源的额定功率（picpt）选择为20kW，或40kW，或60kW每车。第一个局限性的约束是一个实用的，常识性的，第二个是根据人发的应用程序应用于今天的平均效率源ICPT系统。轨道供电的额定功率值的选择，包括今天（20和40千瓦）预计在未来（60kw）额定功率为谐振变换器通常供应ICPT车辆跟踪 6 ， 8 。三、汽车电池储能优化程序对于第一个问题，可以在市场牵引电池（见附录，表x）进行了推导出一般的理想状态的电池参数的考虑。该电池模块的参数（见表二）与所获得的短期目标的电池将能够通过电动汽车长期商业化的描述值。美国对于第一个问题，可以在市场牵引电池（见附录，表x）进行了推导出一般的理想状态的电池参数的考虑。该电池模块的参数（见表二）与所获得的短期目标的电池将能够通过电动汽车长期商业化的描述值。基于对问题的简化假设，额外介绍了多变量的性质：1）8，11，和15的电池模块分别为Honda Insight，Chevy Impala 和Ford Explorer的电池组。2）车辆将覆盖300英里的距离。这将需要多个驱动周期才能走过这段距离。在开始时，电池的充电状态（SOC）是100%，而在最后是20%。根据车辆的行驶范围，不同的汽车和不同的驾驶周期没有ICPT供应（只是用自己的电池）进行了计算，在表三给出了。表二、电池模块的参数选择表三、没有ICPT的 驱动范围（英里）为了便于优化，一个标准函数定义在方程（1）：（1）；系数0,1应根据实际情况决定。例如，如果对ICPT的总成本是主要关注的问题，那么主要的目标是最大限度地减少ICPT的长度，和系数应该接近1。否则，如果主要关注的是通过降低放电电流在周期延长电池的使用寿命，系数要小。目的是优化程序，找到后对（licpt，ibatt，set）给定标准函数的参数指定的值的最小值。额外的结果将建议的最佳长度和截面位置沿指定的驱动周期。优化过程将基于假设值时最佳的电池电流（ibatt，set）的选择，与电流超过规定值应覆盖ICPT路段行驶循环的任何部分。轨道ICPT的其余部分将在速度最快的地区。换句话说，当限制电池电流的计算，对轨道ICPT剩下的唯一的定义。因此，方程（1）可以改写为一个变量的函数： （2）；优化过程的最终结果将是ICPT最佳位置和长度（licpt，opt）将能够：传递足够的能量来的车辆，覆盖所有的功率要求高于最佳设定值并给予标准函数的最小值。因此，优化过程可以分为以下五个步骤：1） 能量需求计算为了“帮助能量”，ICPT应该提供EICPT所定义的式（3）：(3);利用ADVISOR仿真软件，这种能量可以很容易地计算。2） 最低供给时间的计算利用能量的要求eicpt，ICPT转换器输出功率（picpt）和ICPT过程总有效率（ICPT），最短时间为ICPT提供所需功率必要可以计算: (4);很明显，如果ticpt定义为总时间ICPT可以为车辆提供电力，该tICPTtICPT,min应满足能量要求。3） 绝对最小ICPT长度计算这一步确定ICPT轨道的结果在最小的轨道长度的位置在满足能源需求的总电能传输。如前所述，ICPT应该放在驾驶循环，车辆行驶速度是最低的最小长度的部分。使用的算法的流程图如图2所示。对美国汽车和洞察力的车前面的步骤的结果是在图3中给出。而粗实线表示路段ICPT放置。图2、对LICPT,min计算的算法流程图图3、为LICPT,min计算程序的说明4） 轨道区段长度精炼一些在步骤3计算的分段可小于Lsect,min是最小的ICPT段合理长度。因此，这些领域扩展到lsect，至少作为一个结果， ICPT供应的能源将超过要求。因此，与平均速度的最高价值的部分将被丢弃，同时仍然满足ticpt约束，至少这一步也概括为图2的流程图的一部分。值得注意的是，在最后这一步是从方程的最优解的结果（2）和= 1。（4） 包含电流极限在这一步中，放电电流限制ibatt，将增加ibatt，选择允许的最大放电电流ibatt，最大。如前所述，如果实际所需的放电电流大于电流限制ibatt，set，ICPT轨道被放在那里。再丢弃或缩短的部分程序，类似于一个解释在步骤4中应确保能源约束是刚认识的。预定义的值，任何指定的值的放电电流和计算ICPT段长度合适的值，最小化函数f的值由（2）将计算。最后，我们确定ibatt值，选择一个给定的给出标准函数最小。四、优化程序和主要的结果（电池ICPT的情况下）A.优化程序所有的结果将被绘制为UDDS循环工况下的循环，而其他的驾驶循环的结果总结在表IVVI虽然优化是300英里的整个范围，从中的范围只有一个周期的绘制。图4给出了ICPT跟踪最佳位置的所有三个车型，= 0.5和picpt = 40千瓦。图5说明了同样的情况出现在现在大型车（Chevrolet Impala）和三种不同的优化参数：= 0，= 0.5和=1。不同的模型优化的意图不同的价值观：高意味着我们的主要关注的是长度ICPT跟踪和最终的成本价值。对低值代表我们倾向于保护电池，延长他们的生命周期定位在驱动器的要求是最高的ICPT。在图6中给出的结果是电力picpt = 20kW的不同值的仿真结果，picpt = 40kW和picpt = 60KW，但是一辆车（Chevrolet Impala）和优化参数= 0.5的一个值。所有循环优化的结果总结在表四，五和六。结果给出了参数不同的值，分析汽车类型和驱动周期和ICPT转换器的输出功率PICPT=40kW。 图4、覆盖着ICPT -不同的汽车优化区域 图5、覆盖着ICPT -参数不同的值优化区 图6、覆盖着ICPT -不同的转换器的额定功率优化区域 表四、优化结果（picpt = 40kW，= 0） 表五、优化结果（picpt = 40kW，= 0.5） 表六、优化结果（picpt = 40kW，= 1）B. ICPT电池：最后的话从结果我们可以发现，一些结论：1） ICPT长度很短的需要主要是因为车速较低满足UDDS循环能量需求。2） 因为太高太低的能源需求和供应能力，SUV的探险家是不能够实现HWFET和vail2nrel周期时picpt = 20kW（这些案件的结果不显示在图或表）。3） 当最小ICPT轨道长度仅为标准（= 1）的ICPT径迹长度很短。因此，它是有益的大小很容易满足峰值功率需求的电能。五、优化程序与超级电容车为了克服范围限制相结合的超级电容器板上与部分ICPT供应车辆的混合结构的探索。ICPT作为能量的主要来源，但对于一些片段的超级电容器将使用自己的能源供应车辆的需求。如前所述，ICPT是用来给汽车提供能量，因为有对UC源输出功率无约束。因此，优化问题简化。我们的分析是基于国家的最先进的超级电容器。为基本建筑块到125V，63f电容器模块是选择。该模块是由麦斯威尔公司生产及其参数在表七上了。对于第一种情况，ICPT电源变换器的三种不同的价值选择与输出功率为20kW picpt额定值，picpt = 40kW和picpt = 60kW。再三提到驾驶循环（UDDS，HWFET和vail2nrel）进行了分析。ICPT轨道段的最小长度又是10米，平均效率为75%。我们也认为，汽车是提供不同的超级电容模块数（表7），并且他们可以安排适当给予相同的电压，因为它是在研究的第一部分。我们分别选择使用1,2和3为Honda Insight UC模块，Chevy Impala和Ford Explorer汽车。表七、一个超级电容器模块描述六、优化程序和主要结果备注（UCICPT的情况下）A.优化程序优化的目标是连续驱动的电动汽车将给出ICPT径迹长度发现ICPT的位置。在超级电容器的能量的量应该在额外的限制他们的最大值10%也考虑在内。一个驱动周期的能源需求是分为连续的部分，相当于90%的超级电容器的总能量的能力。行驶循环的相应部分对应任何这些“能量”段相关。为了量化的优化过程，介绍了一些要求和假设：1） 车辆必须进入和离开这些“能量”段UC SOC超过50%；2） 一个“能量”段内，只有一个连续的ICPT部分应放置。这些假设意味着一个ICPT部分定位在一个“能量”段负责提供所有的节能量，而UC作为能源缓冲区。因此，我们的优化参数是从ICPT段内任何“能量”段的位置和长度。最优轨道ICPT里面的一段有最小长度满足在和“能量”段超过50%的UC SOC的要求。如果多于一个轨道放置在总量的一半以上，超级电容器的能量相同长度的结果，具有较高的能量应该接受为最优解的一个值。B. UC-ICPT案例：最后的话在UDDS和HFET行驶工况的分析结果在图七和总结在表八，而对于其他的驾驶循环的结果在给定表八。表八中ICPT的相对轨道的长度根据总行驶距离是给定周期（ICPT第一对电源计为20kW，二对电源计为 40kW第三对电源为60kw）分析计算值和绘制图形显示：1） 该算法最大限度地利用低速度地区除了当高能量转移苛刻的部分太长。在高速区太长高速部分需要ICPT段；2） 对于任何类型的车辆，在UDDS循环轨道和60kW功率变换器ICPT段所需的贡献是低于20%；3） 由于高车速美国需要更长的ICPT轨道；4） 高需求的VAIL2NREL驱动周期仅在最轻的车辆(Honda Insight)PICPT=60kW时实现。黑斑羚和探险家,甚至价值翻倍的加州大学车辆都不可以穿过整个周期。原因是高能源需求的长期ICPT跟踪不能够挽救电容完全放电；5） 有观点应用超级电容的ICPT组合提供电动汽车主要是速度低，中等功率要求的驾驶周期可以在城市周边的认可；6） 高速公路周期由于高速的轨道，使低效使用能量转移不是超级电容ICPT提供合适的；7） 低速的山路，由于其相对较长时期极为能源的需求是不适合上述组合；8） ICPT电源功率水平起着更重要的作用，在提高uc-icpt适用面积方面。这将是更明显的情况下,当我们拥有一辆以上的车。问题是，今天的水平零开关功率变换器没有达到成熟的水平还停留在100-200kw似乎不够ICPT要求的水平。 表八、ICPT轨道相对长度 图7、针对ICPT UDDS循环工况下的周期轨道位置，Honda Insight车辆和不同的变换器功率图8、为40kW功率传输ICPT轨道位置，UDDS循环工况下的周期和不同的汽车图9、对于HWFET循环ICPT轨道位置，Honda Insight车辆和不同的变换器功率 图10、为40kW功率传输ICPT轨道位置，HWFET周期和不同的汽车七、结论为电动汽车提供两种选择进行了分析。第一个假设结合电池在车辆和轨道ICPT定位出车辆（通常是埋在道路下的）。第二次调查看组合成一个UC在车辆和ICPT。分析了三种类型的车辆和三种不同的驾驶周期。研究表明，主区ICPT应用可以预期的是城市交通（UDDS循环工况下的周期为代表）在山区公路和高速公路需要更多的放置跟踪相同数量的能量转移。进一步的调查应包括ICPT电源供应更精确的模型，车辆不可降低传输功率大幅度模型，地形高程和这个复杂的问题的其他方面。附录九、车辆参数表表十、特征能源 9 - 11 参考1 J. T. Boys, G.A. Covic, A.W. Green, “Stability and control of inductively coupled power transfer systems,”IEEE Proc. Elect. Power Appl., vol. 147, no. 1, pp. 37-43,Jan 2000.2 G.A.J. Elliott, G.A. Covic, D. Kacprzak, J.T. Boys, “A new concept: asymmetrical pick-ups for inductively coupled power transfer monorail systems” IEEE Trans. On Magn., vol. 42, no. 10, pp. 3389 - 3391 Oct. 20063 Chwei-Sen Wang, Oskar H. Stielau, and Grant A. Covic,“Design Considerations for a Contactless Electric Vehicle Battery Charger” IEEE Trans. on Ind. Elect., vol. 52, no.5, Oct. 2005.4 G.A. Covic, J.T. Boys, H.G. Lu, “A three-phase inductively coupled power transfer system,” IEEE Proc.Conf. Ind. Elect. And Appl., pp.1 6, May 2006,Singapore City, Singapore.5 Institute of Transportation Studies California, Partners for Advanced Transit and Highways, and University of California, Berkeley “Research Reports Roadway Powered Electric Vehicle - Project Track Construction And Testing: Program Phase 3D” Year 1994 Paper UCBITS-PRR-94-7.6 G. A. Covic, G. Elliott, O