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1、电源学会第二十一届学术年会集电动汽车动态供电模式的无线电能传输技术研究，（交通大学电气，能源主动配电网技术研发中心，市 100044）Research on wireless power transfer for the in-motion electrical vehicle chargingYUAN Yuan, WANG Jianqiang(College of Electrical Engineering,Jiaotong University, National Active Distribution NetworkTechnology Research Center,100044)出

2、了一种双极性导轨线圈（Bipolar Track Pad）结构，这种结构可以消除相邻两个线圈之间的相互影响， 通过调整叠加距离能够使相邻线圈的互感为零；并提出一种双 D 形正交（Double-D-Quadrature）拾取线圈结构1。韩国高等科学技术学院将这种动态ABSTRACT: A novel wireless power transfer (WPT) for the in-motion electrical vehicle charging using rail segments is proposed in this paper. Firstly, the mutual inducta

3、nce couplingmode of two primary windings is proposed. And the physicalproperties throughsimulation analysis is obtainedwhile the power is transferred. Then a new energy conversion circuit topology is presented to solve the problem of weakening the magnetic field intensity of primary adjacent winding

4、s. Finally, the feasibility of the topology is verified byMAXWELL simulation analysis.无线供电技术称为 OLEV，并在龟尾市建立了两条 OLEV 电动公交线路，线路总长 24km，传输功率 100kW，效率 85%2。庞巴迪公司研发的PRIMOVE 电车， 在德国的奥格斯堡运行，功率为 250kW，气隙为 6cm3。橡树林实验KEY WORDS: electrical vehicle; in-motion charging; circuittopology球车平台，在 20kHz 的工作频率下，室研发的功率为

5、 2.2kW，效率可达 72%4。摘要：本文重点研究了利用分段导轨实现对行驶中的电动汽国内，重庆大学教授研究团队开发了电动车动态无线电能传输（WPT）。首先，分析了双初级绕组并联耦合机构的互感耦合模型，并通过分析获取所述耦合机构在能量传输过程中的物理特性；其次， 提出了一种新型的电能变换电路拓扑以解决初级相邻绕组车分段导轨动态供电示范系统，发射导轨是 20m 的长方形线圈，拾取装置为带有 E 形磁性的线圈，电动车不带电池，完全由发射电能驱动电机运行边界磁场强度减弱的问题；最后，通过MAXWELL析验证了电能变换电路拓扑的可行性。分5-6。此外，东南大学7、8、湖南大学9等研究团队也对电动车无线

6、供电技术及系统进行了不同方向的研究，为电动车无线供电技术的发展与应用奠定了理论基础。本文重点研究了电动汽车动态供电模式下的：电动汽车；动态供电；电路拓扑1引言电动汽车静态无线充电技术着充电无线电能传输，利用分段导轨实现对行驶中的不足、续航里程短和充电时间长等问题。在这样的背景下，人们提出了电动汽车动态无线供电技术。电动汽车无线供电，在理论分析的基础上进行并且为解决初级相邻绕组边界磁场强度减弱的问题，提出了一种新型的电能变换电路拓扑。它以非接触的行驶中的电动车实时地提供能量供给。电动车可少量搭载甚至无需搭载电池组， 解决了续航里程问题，同时提高电能补给的安全性和便捷性。2 双初级绕组并2.1 双

7、初级绕组并联建模统分析国外，新西兰奥克兰大学能量发射机构采以双初级绕组并联耦合机构的互感耦合模型用集中式线圈阵列的电动车动态感应供电系统，提571电源学会第二十一届学术年会集为例，由于 SS 拓扑结构比较适合相对由于Q1=Q2，R1=R2.联绕组采用的是对称结构，所以的系统，所以均采用串联补偿拓扑。图1 中，US 为高频逆变电源，L1、L2、L3 分别为两初级侧和次级测绕组的自感，C1、C2、C3 分别系统的输出功率为P = I 2 Rout3 LQ221 ( )2 U 2 RS L是其补偿电容，R 、R 、R 分别线圈内阻，I 、I 、12312=) R é2 Q 4 Q 2 &#

8、249;( R2+ R2 + Q Q k222 2L 1 êë1 3 úû(5)I3 分别为其电流值，M13、M23、M12 为线圈之间的互感，RL 为负载电阻。31211 323则双初级绕组并联的 WPT 系统传输效率为22 + 1 (k)2 RI 2R QLh= 3 L =US | I1 + I2 |(R + R )2 2+ Q Q k 22 2 2Q 4Q 23L12 11 3 1331´2é2 + (k)ù2- kQ Q + 4k2 2Që13 231 3 û121(6)从上式可知，系统的输出功率

9、和传输效率由线圈绕组的品质因数、耦合系数和负载大小影响，而品质因数由线圈的自感、电阻和工作频率共同决定。2.2分析为了进一步研究耦合系数和负载变化对系统图 1 双初级绕组并联 WPT 等效电路模型当绕组均发生谐振时，各回路等效阻抗传输特性的影响，利用进行详细分析。值等于其自身的等效串联电阻，则等效电路模型的KVL 方程为首先，在其他参数确定的情况下，研究系统的传输效率与耦合系数的。其中 US=10VAC，负éUS ù-R1jwMùú载 RL=15，系统的工作频率 f=50kHz，线圈绕组的参数如表 1 所示。 表 1 系统线圈绕组参数êU &#

10、250;RjwMI(1)êS úúûúêë- jwM13- jwM 23R3 + RL úû êë I3 úû参数值参数值参数值各线圈绕组的品质因数为C10.22F0.22F0.44FL143H43H23HR10.100.100.20wL=1RQCLR12121C3L3R3= wL2 RQ(2)耦合系数是绕组之间传输能量的一个关键因素，本文主要研究耦合系数 k12、k13、k23 对系统传输效率的影响。当 k13=k23=0.15 时，图 2 给出了系统输出功率 P

11、out 和传输效率 随 k12 变化的曲线。由图 2 可知，当 k12 在 00.4 的范围里变化时，系统的输出功率与传输效率均随着 k12 的增大而减小。22wL3Q =3R + R3Lkij 为电感线圈之间的耦合系数Mijk =i=1,2,3;i (3)ijLL 因此，在实际系统设计时，应该使间的互感为 0。联绕组之i j联合式（1）（2）（3）求解得300ìïïï250R (R + R ) + k 2Q Q R (R + R ) -+ R )ùR + RQQ R Rû 2 3 L23 2 3 2 31 2 1 2L =U)()&

12、#249;200SRR (R + R )k QQ +Q k Q + k Q - j k k22û1 2 3 L12 1 23 13 1 23 212ï150ï + RQ1Q3+ R ) -(R3 + RL ) + jk12 (R3 + RL )ùûí I2 =ïïïUS()()100éùRR (R + R ) 1+ k QQ +Q k Q + k Q - j2k k k QQ2221 2 3 L ë12 1 23 13 1 23 212 13 23 1 2 û50)

13、Q3R1R2 (R3 RL ) k12ùj kR2 + k23 RQ UQ1Q2 k û ïïî1 2S0I =00.050.10.150.20.250.3k12(a)输出功率0.350.4()()3éùRR (R + R ) 1+ k QQ +Q k 2Q + k 2Q - j2k k k QQ2ëû1 2 3 L12 1 23 13 1 23 212 13 23 1 2(4)572Po u t ( w )电源学会第二十一届学术年会集15000.84000.63002000.40.21000000.05

14、0.10.150.20.250.3k120.350.4010203040506070RL8090100(b)传输效率图 2 k12 对系统的输出功率与传输效率的影响图 3 为 k12=0.05 固定时，k13、k23 在 00.4 范围内变化，双并联初级线圈分别与次级接收线圈的耦合系数 k13、k23 与输出功率 Pout 和系统传输效率 的变化曲线。可见，k13、k23 在 00.4 的范围内变化时，耦合系数越大，输出功率与传输效率越高。(a)输出功率10.80.60.40.20010203040506070RL(b)传输效率8090100500400300图 4RL 对系统的输出功率与传输

15、效率的影响3双初级绕组并联的新型电能变换拓扑200100电动汽车动态供电 WPT 系统中着相邻并00.40.30.40.350.3联绕组边界处磁场强度减弱的问题，而此时联线圈中流过的电流相位角为零，故相邻交接处的电流反向，根据电磁感应定律，它们在空间任意一点的产生的磁场方向相反，磁感应强度相互抵消。由此可知，对于多初级绕组并联的系统，为了保证电动汽车在分段导轨交接处平稳过度，应使每个初级绕组中电流相位相差 180°。由于电动汽车非接触充电系统的功率等级相0.20.25k130.20.150.10.1k230.050 0(a)输出功率10.80.60.40.200.4对较高，而电路在相

16、同功率等级下，电压电流0.30.40.350.30.2k23应力较低，所以其电能转换电路选择拓扑。0.25k130.20.150.10.10.050 0对于多初级绕组并联的电动汽车动态供电系统，在拓扑的基础上提出新型的电能转换拓扑，如图8 所示，它所需电能变换装置少，易于维护，降低了器件的电流应力，避免了任何装置出故障时导致全线停电的问题。(b)传输效率图 3 k13,k23 对输出功率与传输效率的影响图 4的耦合系数固定时，即 k12=0.05，k13=k23=0.15 时，负载大小 RL 在 1100 区间变化，输出功率 Pout 和传输效率 与负载 RL 的。由仿以双初级绕组并联为例，Q

17、1-Q4 组成1，Q3-Q6真图可知，当 RL 增大时，输出功率与传输效率先急速增大后缓慢减小，在 510 的范围内，输出功率与传输效率达到最大值，故在实际实验中，负载电阻最好选择这个范围，传输性能最好。组成2，当位置传感器检测到接收绕组 3 移动到发射绕组 1 正上方的时，1 工作，此时只有绕组1 发送能量；当绕组3 移动到发射绕组1、2 之间时，1、2 工作，此时绕组 1、2 同时发送能量，并且电流相位相差 180° ；当绕组 3 移动到发射绕组 2 正上方时，组 2 发送能量。2 工作，此时只有绕573Po u t ( w )P ou t ( w )电源学会第二十一届学术年会集

18、图 7联绕组两端电压为了进一步验证激励电流相位对并联绕组相邻边界处磁场分布的影响，利用有限元分析建立 3D 有限元模型。图 11 给出了两初级绕组激励电流同相和反相时的磁场强度平面分布云图。从图（a）中可以看出，电流同相时，两初级绕组边界部分磁场强度很弱，当接收线圈移动到此位置时，几乎无法为副边传送能量。从图（b）中可以看出，当电流反相时，边界处磁场强度增大。因此在实际应用中，为了实现连续供电，对于多初级绕组并联的 WPT 系统，应保证每个初级绕组的电流相位相差 180°。图 5 新型电能转换电路拓扑分析4论分析可知，当联绕组中流过的电流相位角为 0 时，相邻并联绕组边界处磁场强度相

19、互抵消，因而，当接收绕组移动到边界上方时， 输出功率最低。为了解决这个问题，提出了一种新型的电能转换电路拓扑，使得并联绕组中电流相位角相差 180°，进而增大边界处磁场强度。图 9 为该电能转换电路开关管的触发脉冲，Q1、Q2 分别与Q5、Q6 的触发脉冲同相位，因此，在一个开关周期12 的输出电压相位正好相差 180°。内如图 10 所示，U1 为发射绕组 1 输入电压，U2 为发射绕组 2 输入电压，U1 与 U2 相位相差 180°，假设绕组均发生谐振，那么流过流相位相反。线圈中的电(a)电流同相图 6 电能转换电路开关管触发脉冲（b）电流反相图 8 双初级

20、绕组并统磁场强度分布云图574电源学会第二十一届学术年会集5结语本文旨在研究电动汽车动态供电模式下的无4 Onar O., Miller J., Campbell S., etc. A novel wireless power transfer for in-motion EV-PHEV chargingC. 2013 Twenty-Eighth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), LongBeach, Mar. 17-21, 2013: 3073-3080.线电能传输。利初级绕组并联耦合机构的互感耦合模型进行理论分析，并通过仿真获取所述耦合机构在能量传输过程中耦合5. 分段导轨模式的电动车无线供电技术关键问系数与负载对系统性能的影响。最后提出一种新型的电能变换电路拓扑以解决初级相邻绕组边界磁题研究D.重庆大学博士，2012.6，.