电动汽车动态无线充电及偏移检测系统设计与仿真
DOI :10.19557/jki.1001-9944.2021.02.016
易先军，付
龙，耿翰夫，周
锐
(武汉工程大学电气信息学院，武汉430205)
摘要：电动汽车动态无线充电过程中发射线圈与接收线圈会存在纵向与横向的偏差，纵向的偏差是不可避免的也是必要的，但若横向偏差过大则会导致电能传递效率大幅度衰减。为了解决此问题，该文提出了一种实时检测电动汽车动态无线充电时横向偏差的方法，利用四线圈检测电路对其偏差进行检测，在Maxwell 、Simplorer 与Simulink 中建立联合仿真模型。对每个检测线圈进行多点测量来模拟动态无线充电的全过程，并对系统接收侧的电压进行整流和稳压控制。最终仿真结果验证了该方法的有效性。关键词：电动汽车；无线充电；偏差检测；联合仿真;PI 控制中图分类号:TM74
文献标志码:A
文章编号:1001⁃9944(2021)02⁃0077⁃06
Dynamic Wireless Charging and Offset Detection System for Electric Vehicles
YI Xian ⁃jun ,FU Long ,GENG Han ⁃fu ,ZHOU Rui
(School of Electrical Information ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430205,China )
Abstract :During the dynamic wireless charging of electric vehicles ,there will be longitudinal and lateral deviations between the transmitter coil and the receiver coil.The longitudinal deviation is inevitable and necessary.However ,if the lateral deviation is too large ,the efficiency of power transmission will be greatly reduced.In order to solve this problem ,this paper proposes a real ⁃time method to detect the lateral deviation of electric vehicles during dynamic wireless charging.The four ⁃coil detection model is used to detect the deviation ,and a joint simulation model is estab ⁃lished in Maxwell ,Simplorer and Simulink.Multi ⁃point measurement is performed on each detection coil to simulate the whole process of dynamic wireless charging ,and the voltage on the receiving side of the system is rectified and
regulated.The final simulation results verify the effectiveness of the method.
Key words :electric cars ;wireless charging ;deviation detection ;co ⁃simulation ;PI control
收稿日期:2020-09-25；修订日期:2020-11-19
作者简介：易先军(1975—)，男，硕士，副教授，研究方向为检测技术与智能仪器、机电传动与控制；付龙(1993—)，男，在读
硕士研究生，研究方向为无线充电技术。
电动汽车动态无线充电(DWC )技术是目前研究最为热门的技术之一，该技术可以解决电动汽车续航不足等问题。但DWC 技术的主要缺点是车辆移动过程中收发线圈之间的横向偏移过大会导致接收效率严重减小[1-3]。为了实现从电源到车载电池
的高效率传输，必须保持接收与发射线圈一定的对准范围，减小偏差。因此首先要测量出线圈之间的横向偏差，再对车辆或线圈进行相应调整。目前对
于电动汽车偏差测量，其中主流的方法之一是通过高精度全球定位(GPS )来测量两种线圈的横向偏差[4-5]，但这种方法调节有延时和定位误差；另一种
方法是利用磁定位检测技术来测量两线圈的横向偏差，但磁场强度会随着永磁体与磁传感器的距离增大而衰减，影响检测的精度[6]。本文采用四线圈检测模型以提高检测精度，并在Maxwell 、Simplorer 与Simulink 中进行了联合仿真试验，验证了该方案的
有效性[7]。
1动态无线充电系统架构与控制策略分析
1.1动态无线充电系统架构
电动汽车动态无线充电系统的结构如图1所
示，主要分为四部分，分别为发射侧电路、线圈耦合电路、接收侧电路以及检测电路。发射侧电路是将市电转换成高频交流电，由整流器、高频逆变器、谐振补偿网络构成。线圈耦合电路由发射线圈、接收线圈以及4个检测线圈构成，发射线圈在高频交流电的作用下产生电磁场，进而与接收线圈和检测线圈产生互感，并进行电能传输。接收侧电路由谐振补偿网络、整流电路、DC/DC 变换器以及充电电池构成，该电路将接收到的交流电转换成较为稳定的直流电供电池充电[8-9]。检测电路由谐振补偿网络、
同步整流器、直流电压检测模块构成，该电路在车身处于不同情况下时,4个线圈会接收不同电压，通
过这4个大小不同的电压来确定车身偏移的情况。
1.2动态无线充电系统接收侧稳压控制策略
动态无线充电系统接收侧稳压控制是该系统的重要组成部分。动态无线充电传输功率是不稳定的，电压和电流会随电动汽车位置变化而变化。为增加电池循环次数，保持充电电压恒定，动态无线充电系统的接收侧将接收到的交流电压变为直流电压。进一步稳压使用带电容的闭环DC ⁃DC 降压变换器，来保护电池与其他用电设备。该电路的闭环控制在仿真与实际生产中都非常实用且高效，通过改变开关管开通和关断的时间与频率即可实现对
电压的控制。接收侧变换器输入电压U in 、输出电压
U out 以及占空比D 的关系为
U out =D ·U in
(1)D =T on
T on +T off (2)
式中:T on 为开通时间;T off 为关断时间。动态无线充电接收线圈的电压随着车辆位移而改变，所以U in 是一个变化的值，为了使得U out 稳定，本文通过PI 控制器对输出电压进行稳压控制。
2动态无线充电系统及偏差检测理论分析
2.1动态无线充电系统分析
系统的谐振补偿网络采用的是S ⁃S 型拓扑结构进行设计，该拓扑结构的谐振条件不受电动汽车位置影响。S ⁃S 谐振式互感模型如图2所示,C 1是发射
侧谐振补偿电容;R 1是发射侧电感的等效电阻;C 2是接收侧谐振补偿电容;R 2是接收侧电感的等效电
阻;R L
是负载电阻;U
̇I
和I ̇I
是发射侧输入电压与电流;U ̇o 和I ̇o 是接收侧输出电压与电流;L 1和L 2
分别是发射线圈和接收线圈自感;M 为发射线圈与接收线圈的互感，谐振频率为ω[8-9]。
图2的电路网孔方程为
U ̇I =R 1+j ωL 1+1j ωC 1(
)
I ̇I +j ωMI ̇o
U ̇I =j ωMI ̇I
+R 2+j ωL 2+1j ωC 2(
)
I ̇2U ̇o =-R L I ̇2
⎧⎩⏐⏐
⏐
⎨⏐⏐⏐(3)
当系统谐振时，可得:
j ωL 1+1j ωC 1=0
(4)j ωL 2+1j ωC 2
=0
(5)则谐振条件为
ω2=1L 1C 1=1
L 2C 2
(6)由上式输入回路的等效阻抗为
Z I =U ̇I
I ̇I =R 1+
ω2M 2R L +R 2(7)
电流输出比:
I ̇0
I
̇I
=
-j ωM R 2+R L (8)
图1系统结构图
Fig.1System structure diagram
整流器
高频逆变器
谐振补偿网络
市电
谐振补偿网络整流电路
DC/DC 变换器
电池
谐振补偿网络
同步整流器
电压检测
线圈耦合模块
F
A D B
C
E
A 、
B 、
C 、
D 为4个检测线圈
E 为接收线圈
F 为发射线圈
图2S ⁃S 谐振式互感模型
Fig.2S ⁃S resonant mutual inductance model
C 1
R 1
I ̇I
+-U ̇I
L 1L 2
I ̇0
U ̇0
R L
+-R 2
C 2M
电压输出比:
U ̇o
U
̇I
=
j ωMR L (R 2+R L )R 1+ω2M 2(9)
发射侧功率:
P I =U ̇I I ̇I =I I 2Z I =I I 2R 1
+ω2M 2R L +R 2
()汽车检测线
(10)
2.2偏差检测理论分析
由上文分析可知，传输功率的大小与互感有着极大的关系。线圈的偏移对互感有很大的影响，对线圈偏差分析是必要的，如图3所示，对于单匝矩
形发射线圈A 1B 1C 1D 1的长为2a 1，宽为2b 1，单匝接收线圈A 2B 2C 2D 2的长为2a 2，宽为2b 2，假设发射线圈和接收线圈中心点坐标分别为(0,0,0)、(X ,Y ,H )，则两线圈的的互感为
M =
a 2+Y -a 2+Y
∫
b 2+X -b 2+X
∫
μ0(a 1-x )4πH 2
+(a 1-x )
2
[]
·
b 1-y
H 2
+(a 1-x )2
+(b 1-y )
2
+
b 1+y
H 2+(a 1-x )2
+(b 1+y )2
[]d x d y+
a 2+Y -a 2+Y
∫
b 2+X -b 2+X
∫μ0(b 1-y )
4πH 2
+(b 1-y )
2
[]·
a 1-x
H 2+(b 1-y )2
+(a 1-x )
2
+
a 1+x H 2+(
b 1-y )2
+(a 1+x )
2
[]d x d y+
a 2+Y -a 2+Y ∫
b 2+X
-b 2+X
∫
μ0(a 1+x )
4πH 2
+(a 1+x )
2
[]·
b 1-y
H 2
+(a 1+x )2
+(b 1-y )
2
+
b 1+y H 2+(a 1+x )2
+(b 1+y )
2
[]
d x d y+
a 2+Y
-a 2+Y
∫
b 2+X
-b 2+X
∫
μ0(b 1+y )
4πH 2
+(b 1+y )
2
[]
·
a 1-x
H 2+(b 1+y )2
+(a 1-x )
2
+
a 1+x
H 2+(b 1+y )2
+(a 1+x )
2
[
]
d x d y (11)
由式(11)可知线圈尺寸越大，其积分区间越大，互感M 越大；两线圈相对偏移越大，即X 、Y 越大，积分项的分子越小，则互感M 就越小；两线圈垂直距离H 越大，积分项分母越大，则互感M 就越小。
3动态无线充电系统电路设计
动态无线充电系统电路设计如图4所示，基于
S ⁃S 拓扑结构，发射线圈经高频交流电源U O 的驱动
下与接收线圈和检测线圈发生谐振。其中C 1、C 2、C 3是这3个线圈的谐振电容,R 1、R 2、R 3是这3个线圈
的等效电阻,I I 、I O 、I 3分别为发射回路、接收回路与检测回路的回路电流。整流电路和电容C 6是将接收
线圈接收到的交流电转化为平滑直流电。整流后紧接的是buck 稳压电路，控制器通过控制驱动信号的
占空比来调节MOS 管G 5，使负载两端的电压稳定。图5中负载电阻R 6为电池内阻。检测电路的本质其实就一个特殊的接收电路，它的采样电阻R 5比接收
电路的负载电阻R 6大很多，由式(4)~式(6)可知此时检测电路的功率和电流I 3都非常小，而检测线圈
两端电压基本都被该大电阻所分得，在检测线圈接收到电能后为了检测其电压大小，本文采用了同步整流的方法，通过给同步整流电路的MOS 管G 1、
G 2、G 3、G 3施加同步PWM 信号，使交流电转换成直
流电，再经过电容C 5滤波得到平滑的直流电。通过前后两对线圈的电压大小可判断车辆的偏移情况、
车身的倾斜情况。
4系统的仿真与分析
4.1线圈模型设计
为了实现电动汽车动态无线充电以及横向偏移
图3两单匝线圈相对位置示意图
Fig.3Diagram of relative positions of two coils
图4系统电路设计图
Fig.4System circuit design drawing
D 2
z
C 2
C 1
O 2
B 2
D 1
H 2a 2
A 2
A 1
O 1
O x
y
B 1
2a 1
C 1
R 1
+-
U 0
发射线圈
检测线圈接收线圈
M 2
M 1
R 2C 3
R 3
I 3C 2I 0G 1G 3同步整流电路
C 5
R 5电压采样负载电阻R 6
采样电阻C 4
D 1
C 6
G 5
G 4
G 2
L 1
整流电路
检测，在Maxwell 软件中设计了如图5的线圈模型，该模型用2个发射线圈来模拟公路上的发射线圈，该线圈匝数设置为27匝，发射线圈与接收线圈尺寸相同，内侧长宽分别为42cm 、22cm ，外侧长宽分别为70cm 、50cm ，线圈为单层线圈，其高度为3mm 。
4个检测线圈的尺寸相同其长宽是接收线圈的十分之一，高度为3mm ，线圈匝数为37匝。接收线圈与发射线圈垂直距离为15cm ，检测线圈与发射线圈的垂直距离设为10cm ，同时为了减小检测线圈对接收线圈的影响，应该让2种线圈水平距离相距较远，本文设定的距离为10cm ，该模型与实际模型相似度较高，也很容易实现。
4.2动态无线充电偏差检测仿真
图6为偏差检测电路仿真图，其发射线圈与检测线圈的参数如4.1节所述，由于整体电路图比较大且4个偏差检测电路结构相同，所以图6只给出了1个检测线圈的电路图。在动态无线充电系统中，发射测利用频率为100kHz 且幅值为200V 的
正弦电压供电，其发射侧与检测侧谐振电容C 1、C 3分别为5.4nF 与28nF ，在谐振网络的作用下使得发射线圈与检测线圈产生谐振。此时检测线圈上会
有交流电产生，将交流电通过同步整流的方式变为直流电，本仿真是通过电压表直接读取采样电阻R 6
两端电压，在工程应用中可以通过采样电路采取R 6两端电压。图7是接收线圈横向偏移时左右两检测线圈在纵向中线上的互感变化图，当接收线圈偏移为0mm 时，左右接收线圈与发射线圈的互感大小相等，均为2.1μH 左右。当接收线圈向左或向右偏移150mm 时，左或右检测线圈与发射线圈的互感会达到最大互感，此时检测线圈的中心在发射线圈的正上方。
图8是接收线圈处于不同横向偏差时检测到的电压波形图，当横向偏移为0mm 时，左右检测线圈检测到的电压基本一致，此时检测线圈与发射线圈互感刚好与图7中交点相对应，汽车前方或后方每对线圈的互感相等，同时也可得到前方或后方每对线圈的电压相等，当横向右偏移为140mm 时，线圈的互感也会随之改变，横向右偏会导致右边的线圈与发射线圈的互感减小，左边的线圈与发射线圈的互感增加，在图中可以看到右偏140mm 时，左线圈的电压接近8V ，右线圈的电压不到2V ，这一规律也适合其他点电感和电压的测量。
4.3动态无线充电系统接收侧稳压仿真
图9是通过Simplorer 、Maxwell 和Simulink 联合仿真的仿真图，图9(a )是Simplorer 中的仿真电路图，其中Simplorer 负责电路仿真，其中负载等效电阻R 10=50Ω。图9(b )是在Simulink 中搭建的DC/
DC 变换器PI 控制电路模型，实现对接收侧50V 稳
检测线圈
接收线圈
发射线圈
x
z
y
图5线圈耦合模型图
Fig.5Coil coupling model diagram
图6偏差检测电路仿真图
Fig.6Simulation of deviation detection
图7两纵向对称检测线圈与发射线圈的互感曲线Fig.7Mutual inductance of a pair of receiving detect coils
4321
-
1
-400-300-200-1000100200
300400
接收线圈偏移距离/(mm )左检测线圈右检测线圈
图8不同横向偏差时检测到的电压波形
Fig.8Voltage waveforms detected with lateral deviations
86420
20
406080100
t /(μs )
左检测线圈右检测线圈左检测线圈右检测线圈
横向右偏140mm
横向偏移0mm 横向偏移0mm
横向右偏140mm
E 1
+-V
R 1C 1C 4
R 4
V VM 2
VM 4
PWM 1PWM
MOS 2
MOS 3
MOS 4
MOS 5
C 5
R 6
flV
PWM 2
PWM
AM 2
AM 4
A
A
C 3sc1_in rc1_in sc2_in tc1_in tc2_in tc3_in tc4_in
sc1_out rc1_out sc2_out tc1_out tc2_out tc3_out tc4_out
FEA1
R 3+
压控制。线圈模型在Maxwell 软件仿真，发射线圈与接收线圈的参数与模型如4.1节所述，发射侧电路与第3节中相同，接收侧的谐振电容为5.4nF ，此时发射线圈与接收线圈互感强度较大。
图11为有或无检测线圈时发射线圈与接收线圈的互感，其中有检测线圈时收发线圈的互感是要略小于无接收线圈时收发线圈的互感的，这一结果也说明了四检测线圈在水平距离接收线圈为10cm 时对收发线圈有一定的影响但影响很小。本仿真分别检测了收发线圈中心点横向偏差为100mm 、
200mm 、250mm 时接收线圈所接收的电压(此时纵向偏差为0mm )，根据图10所示这3个位置所对应
的互感为114μH 、63.6μH 、37μH ，图12是有发射线圈时接收线圈接收到的电压通过整流电路后得到的直流电压波形图，此图可以很明显看出互感越大其接收侧的接收电压就会越大,DC/DC 变换器的调节时间就越长，但总体来看接受侧最终的直流电压是得到了有效的控制，在整个仿真过程中，其最大的电压都小于60V ，与目标值相差较小。5结语
本文针对电动汽车动态无线充电系统的设计
以及在运行过程中出现横向偏移这一问题进行了
分析与探究。通过在Maxwell 、Simplorer 和Simulink 中进行联合仿真，验证了上述理论。首先，电动汽车在行驶的过程中难免会出现横向偏移，当横向偏移大于100mm ，发射线圈与接收线圈的互感会出现严重下降，会导致电能传递效率的下降，所以电动汽车的横向偏移不得超出100mm 。其次电动汽车出现横向偏差时，检测线圈的互感以及检测到的电压会随之迅速的改变，根据上述的实验结果，通过四个对称线圈的检测是完全可以实时确定电动汽车的偏移情况的，该检测是解决电动汽车动态无线充电横向偏差问题的第一步，也是最为重要的一步，必须得到精确的测量结果。本文是通过矩形线圈进行的仿真，对于圆形线圈的仿真其原理与上文相同。
(a )
(b )
图9Simplorer 、Maxwell 和Simulink 联合仿真图Fig.9Joint simulation of Simplorer ,Maxwell and Simulink
Repeating Sequence
Relational Operator >
10
Gain
Transport Delay
Saturation
S ⁃Function
AnsoftSFuction PI (s )
50
+-PID Controller Constant 图10收发线圈相互偏移时的互感图
Fig.10Mutual inductance diagram of transceiver coils
offset from each other
-30
150000.0
125000.0100000.075000.050000.025000.00.0
-25000.00
30
37.5-37.5
Max:144100.92
Min:-381.38
图11发射线圈与接收线圈的互感
Fig.11Mutual inductance of transmitter and receiver coils
160140120100806040200-20
-400-300-200-1000100200300400
接收线圈位置/(mm )
没有检测线圈有检测线圈
图12接收侧输出电压
Fig.12Receive side output voltage
6050403020100
0.000.01
0.020.030.04
t /s
63.6(μH )37(μH )114(μH )
fv
fv pwm
pwm
E 1
pwm n1n2
fv
V
R 5
C 5V V 0
D 1
switch
C 6
D 2D 3D 4
D 5
C 3
R 2
R 1
R 4
V V ++C 1C 4A
A
FEA2MDL 1
VM 2
VM 4
AM 4AM 2
sc1_in rc1_in sc2_in tc1_in tc2_in tc3_in tc4_in
sc1_out rc1_out sc2_out tc1_out tc2_out tc3_out tc4_out
+