电动汽车无线电能传输系统建模与电磁安全评估.pdf
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1、第 4 期无线充电 WPT渊wireless power transfer冤是电动汽车的一种新型充电方式袁 具有充电操作简单尧方便尧安全等特点1鄄4遥 但与传统的接触式传导方式相比袁无线充电技术面临着一些影响其推广与市场化的问题袁其中 2 个主要问题是无线充电系统的效率以及公众对电磁辐射的担忧5鄄8遥 为了促进无线充电技术的发展袁无线充电系统的最优设计和电磁安全评估是必不可少的遥在无线充电系统的优化设计方面袁文献9提出了一种双极性 DD 线圈设计袁该设计最大允许偏差收稿日期院2020鄄12鄄12曰录用日期院2021鄄02鄄24基金项目院国家自然科学基金资助项目渊51677118冤曰国家重点研发
2、计划重点专项资助项目渊2017YFE0102000冤Project Supported by National Natural Science Foundation ofChina渊51677118冤;National Key R&D Program of China渊2017YFE0102000冤电动汽车无线电能传输系统建模与电磁安全评估李马炎袁张希渊上海交通大学汽车电子控制技术国家工程实验室袁上海 200240冤摘要院从线圈结构和双边 LCC 补偿拓扑两方面开展无线电能传输系统的优化设计袁以实现指定的输出功率和最高的传输效率遥为研究无线充电环境中电磁场对人体的影响袁通过三维电磁场仿真软件构
3、建了一个完整的电磁环境仿真系统袁包含无线充电系统尧电动汽车和具有重要器官的人体模型遥 模拟了 7 个场景院成人站立于车后方曰成人坐于车内左前尧右前尧左后和右后方曰成人躺卧于车后方曰儿童躺卧于车后方渊最坏情况冤遥 仿真结果表明袁对于 22 kW的高功率无线充电环境袁 躺姿势儿童的心肺和躺姿势成人的心脏超出国际非电离辐射防护委员会规定的感应电场基本限值遥 由于车辆外壳的屏蔽和人体与利兹线的距离袁坐在车内和站立于车后的场景对人们是安全的遥关键词院无线电能传输曰磁耦合机构曰双边 LCC 补偿拓扑曰电磁安全Modelling and Electromagnetic Safety Evaluation o
4、f WirelessPower Transfer System for Electric VehiclesLI Mayan,ZHANG Xi渊State Engineering Laboratory of Automotive Electronics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China冤粤遭泽贼则葬糟贼院 The optimal design of a wireless power transfer渊WPT冤 system is conducted from aspects of coil structureand the d
5、ouble鄄sided LCC compensation topology to achieve the specified output power and the highest transmission ef鄄ficiency.To study the influence of electromagnetic field on human body in a wireless charging environment,a simulationsystem of a complete electromagnetic environment including a wireless char
6、ging system,an electric vehicle,and humanmodels with vital organs is established.Seven scenarios are simulated,i.e.,an adult standing behind the vehicle,anadult sitting in the left front,right front,left rear,and right rear inside the vehicle,respectively,an adult lying at theback of the vehicle,and
7、 a child lying at the back of the vehicle渊the worst case冤.Simulation results show that,under the22 kW high鄄power wireless charging environment,the heart and lungs of the lying child and the heart of the lying adultsuffer from a value which exceeds the basic restriction on the internal electric field
8、 value specified by ICNIRP.Due tothe shielding of the vehicle shell and the distance between the human body and the Litz wire,the scenarios of sitting in鄄side the vehicle and standing behind the vehicle are safe for people.Keywords:wireless power transfer渊WPT冤;magnetic coupler;double鄄sided LCC compe
9、nsation topology;electromag鄄netic safety渊EMS冤DOI院10.13234/j.issn.2095鄄圆愿园缘援圆园23援4.177中图分类号院TM154袁TM724文献标志码院A电源学报Journal of Power SupplyVol.21 No.4Jul.2023第 21 卷 第 4 期2023 年 7 月电源学报第 21 卷图 1DD鄄DDQ 线圈的三维模型Fig.1 Three鄄dimensional model of DD鄄DDQ coils远大于圆形线圈曰文献10设计了 DDQ 线圈结构袁与其他结构线圈具有互操作性袁提高了无线传输系统的灵活
10、性曰文献11采用等效电路法详细分析了无线充电系统中双边 LCC 补偿拓扑的特性袁 采用该补偿结构袁谐振频率不受负载条件和线圈间耦合系数的影响曰文献12提出了一种优化线圈和系统参数的方法袁简化了设计过程遥 在电磁安全评估方面袁 由于目前电动汽车商业化推广的功率等级在7.7 kW 以下袁 因此电磁安全评估研究主要针对低功率系统13鄄16遥 低功率系统充电非常耗时袁要实现快速电能补给必须寻求大功率充电解决方案遥但目前对于高功率无线充电场景的电磁安全评估仍有较大空白袁且现有的电磁安全评估研究主要基于矩形或圆形线圈模型13鄄16袁互操作性差遥 为切合实际对互操作性的需求袁 本文的发射线圈和接收线圈采用D
11、D鄄DDQ 结构线圈模型遥 为了获得恒定的开关频率袁采用双边 LCC 补偿拓扑遥针对高功率场景袁 本文设计一个 22 kW 的电动汽车无线充电系统袁采用 DD鄄DDQ 线圈结构和双边 LCC 补偿拓扑袁实现较高的传输效率遥 首先袁利用电磁场仿真软件 ANSYS Maxwell 优化磁耦合器的结构袁最大化初级侧线圈和次级侧线圈间耦合系数遥 其次袁 使用 Matlab 程序优化 LCC 补偿电路参数袁 使整个无线充电系统的传输效率达到全局最高遥这一参数优化流程通过数值分析的方法将系统效率简化为次级侧副电感感值 Lf2的函数袁 解决双边 LCC 拓扑补偿元件数量较多尧 参数设计复杂的难题遥 在建立工
12、作频率为 85 kHz 的 22 kW 无线充电系统模型后袁本文建立电动汽车模型和若干人体重要器官模型袁以评估人体在不同姿势和位置下的电磁安全遥 通过将仿真结果与 ICNIRP 201017规定的安全限值进行比较袁分析不同姿势和位置下人体在 22 kW 高功率无线充电环境中的安全性遥122 kW 无线充电系统的设计与优化本节首先使用 ANSYS Maxwell 优化主耦合线圈的结构遥 然后袁根据相关文献推导双边 LCC 补偿参数的计算公式,并编写 Matlab 程序进行求解遥 最后袁 利用模拟电路仿真软件 Pspice 验证双边 LCC补偿拓扑优化方法中理论推导的正确性袁并通过实验证明主耦合器
13、和补偿电路参数优化后整个无线充电系统可以达到指定的功率和较高的效率遥1.1 主耦合线圈的优化根据文献18袁耦合线圈最大传输效率 浊max可以表示为浊max=k2Q1Q21+1+k2Q1Q2姨蓸蔀2渊1冤式中院k 为初级侧线圈和次级侧线圈之间的耦合系数曰Q1尧Q2分别为初级侧线圈和次级侧线圈的品质因数遥 由式渊1冤可知袁耦合线圈的传输效率取决于 2个线圈之间的耦合系数和每个线圈的品质因数遥 线圈的品质因数一般大于 200袁故影响传输效率的主要因素是线圈间的耦合系数遥 因此袁本文以提高耦合系数来实现线圈优化遥初级侧和次级侧线圈的尺寸均设为 600 mm伊600 mm袁线圈之间的气隙设为 150 m
14、m遥 所选用利兹线的直径为 5.5 mm遥 屏蔽方式采用被动屏蔽渊屏蔽铝板冤与磁屏蔽渊铁氧体冤相结合的方式遥 铁氧体和屏蔽铝板的高度分别设置为 9.5 mm 和 2 mm遥DD鄄DDQ 结构线圈的整体三维结构如图 1 所示遥将初级侧线圈的匝数 N 和次级侧线圈的匝数n 设置为变量袁 令铁氧体的大小和形状随匝数变化袁其余参数保持不变袁初尧次级侧线圈在初始状态下对齐遥 通过仿真得到袁 当初级侧线圈匝数为 13匝尧次级侧线圈匝数为 12 匝时袁耦合系数最大袁为0.378 2遥 确定线圈的匝数之后袁可知 DD鄄DDQ 线圈的参数袁如表 1 所示遥次级侧线圈铁氧体初级侧线圈铝板DD 线圈Q 线圈178第
15、 4 期李马炎袁等院电动汽车无线电能传输系统建模与电磁安全评估图 2带寄生电阻的双边 LCC 补偿拓扑等效电路Fig.2 Equivalent circuit of double鄄sided LCCcompensation topology with parasitic resistance表 1DD鄄DDQ 线圈参数Tab.1 Parameters of DD鄄DDQ coils1.2 LCC 补偿拓扑的优化由于电路元件中存在寄生电阻袁 双边 LCC 补偿拓扑的等效电路如图 2 所示遥图中袁RLf1尧RCf1和 RC1尧R1和 R2尧RC2和 RCf2和 RLf2分别为电感 Lf1尧电容 C
16、f1和 C1尧L1和 L2尧电容 C2和 Cf2和电感 Lf2的寄生电阻遥等效电路后端的整流器和电池可以看作等效电阻 Req袁根据文献12袁可表示为Req=8仔2U2abPout渊2冤式中院Uab为输出电压曰Pout为输出功率遥补偿电感和电容的计算公式为R1=2仔fL1Q1袁R2=2仔fL2Q2RLf1=2仔fLf1Qf1袁RLf2=2仔fLf2Qf2扇墒设设缮设设渊3冤RC1=D2仔fC1袁RC2=D2仔fC2RCf1=D2仔fCf1袁RCf2=D2仔fCf2扇墒设设缮设设渊4冤式中院f 为系统的工作频率曰Q1尧Q2尧Qf1和 Qf2分别为初级侧主电感尧次级侧主电感尧初级侧补偿电感和次级侧补
17、偿电感的品质因数曰D 为电容的损耗因子遥为了便于开展图 2 等效电路传输效率的计算袁本文将图 2 电路分成 6 个块 Block 1耀Block 6遥 浊1尧浊2尧浊3尧浊4尧浊5和 浊6分别是 Block 1尧Block 2尧Block 3尧Block 4尧Block 5 和 Block 6 的效率袁计算公式为浊1=ReqReq+Rf2渊5冤浊2=RCf2+1j2仔fCf22渊Req+RLf2冤蓘蓡RCf2+1j2仔fCf22渊Req+RLf2冤+|Req+RLf2+j2仔fL2|2RCf2蓘蓡渊6冤浊3=Re渊Zblock2冤Re渊Zblock2冤+R2+RC2渊7冤浊4=Re渊Zref1
18、冤Re渊Zref1冤+RC1+R1渊8冤浊5=RCf1+1j2仔fCf12RC1+R1+Re渊Zref1冤嗓瑟RCf1+1j2仔fCf12RC1+R1+Re渊Zref1冤+嗓R1+RC1+j2仔fL1+1j2仔C1+Zref12RCf1瑟渊9冤浊6=Re渊Zblock5冤Re渊Zblock5冤+RLf1渊10冤式中院Zblock2尧Zblock5分别为 Block 2 和 Block 5 的阻抗曰Zrefl为次级侧电路在初级侧电路中的反射阻抗袁三者分别表示为Zblock2=RCf2+1j2仔fCf2蓸蔀渊j2仔fLf2+RLf2+Req冤RCf2+1j2仔fCf2+j2仔fLf2+RLf2+R
19、eq渊11冤Zref1=渊2仔fkL1L2姨冤2Req渊2仔fLf2冤2渊12冤Zblock5=RC1+R1+1j2仔fC1+j2仔fL1+Zref1蓸蔀RCf1+1j2仔fCf1蓸蔀蓘蓡RC1+R1+1j2仔fC1+j2仔fL1+Zref1+RCf1+1j2仔fCf1蓸蔀渊13冤因此袁图 2 所示等效电路的总体效率 浊 可以表示为 6 个块效率的乘积袁即浊=浊1浊2浊3浊4浊5浊6渊14冤可知袁总体效率 浊 与 L1尧L2尧k尧Pout等参数有关遥当参数数值初级侧线圈自感 L1/滋H506.22次级侧线圈自感 L2/滋H566.38耦合系数 k0.378 2Lf1RLf1I觶Lf1Cf1RC
20、f1I觶Cf1I觶1C1RC1R1L1L2RC2R2I觶2MC2I觶Cf2Lf2I觶Lf2RLf2Cf2RCf2Req初级侧次级侧Block1Block2Block3Block4Block5Block6179电源学报第 21 卷主线圈的优化结构确定以后袁 可以确定主线圈电感L1和 L2尧 其内阻 R1和 R2以及主线圈间耦合系数 k遥此外袁输入电压 UAB尧输出电压 Uab尧工作频率 f 以及输出功率 Pout也可根据应用场景预先确定遥 本文针对的是电动汽车无线充电系统袁上述参数如表 2 所示遥此外袁双边 LCC 补偿拓扑的输出功率满足Pout=Re渊U觶abI觶*2冤=kL1L2姨UABUa
21、b棕Lf1Lf2渊15冤为了保证输入和输出电压不随主线圈的互感而变化袁还需满足棕2Lf1Cf1-1=0渊16冤棕2Lf2Cf2-1=0渊17冤由于双边 LCC 补偿电路中输入电压和输入电流同相袁因此有1-棕2渊L1-Lf1冤C1=0渊18冤1-棕2渊L2-Lf2冤C2=0渊19冤结合式渊3冤尧式渊4冤尧式渊14冤式渊19冤袁得出总体效率是关于 Lf2的函数遥 利用 Matlab 绘制出双边LCC 补偿拓扑的传输效率与次级侧补偿电感的关系曲线袁如图 3 所示遥可以看到袁当 Lf2为 71 滋H 时袁总体效率 浊 达到峰值 0.964遥 当 Lf2确定后袁其余电路参数可根据前述公式确定遥 参数计算
22、值见表 3遥采用 Pspice 软件进行仿真袁将优化后的参数代入模拟电路中袁得到稳态下的输出功率和效率分别为 22.104 kW 和 95.442%袁 验证了优化方法理论推导的正确性遥而后袁本文建立了一个 3.3 kW 的实验样机遥 首先使用同样的步骤设计并优化一个 3.3 kW 的无线充电系统袁将优化参数代入 Pspice 仿真得到稳态下的输出功率和效率分别为 3.3 kW 和 96.00%遥 然后进行上电实验袁实验电流波形如图 4 所示袁输出功率为 3.306 kW袁效率为 92.92%遥 由于生产制造等实际条件不如仿真条件理想袁因此实验得到的效率低于仿真得到的效率袁但总体上仿真结果与实验
23、结果较好地吻合袁证明了优化方法的有效性遥图 3双边 LCC 补偿拓扑的传输效率与次级侧副电感感值的关系Fig.3 Transmission efficiency of double鄄sided LCCcompensation topology vs inductance ofsecondary鄄side inductor图 4实验波形、输出功率和传输效率Fig.4 Experimental waveforms,output power,andtransmission efficiency表 2主线圈及系统参数Tab.2 Parameters of main coils and system参数
24、数值初级侧主电感 L1/滋H506.22初级侧主电感内阻 R1/赘0.083 5次级侧主电感 L2/滋H566.38次级侧主电感内阻 R2/赘0.084 2耦合系数 k0.378 2工作频率 f/kHz85输入电压 UAB/V650输出电压 Uab/V600输出功率 Pout/kW22表 3DD鄄DDQ 线圈参数Tab.3 Parameters of DD鄄DDQ coils1.000.950.900.850.800.750.700.650.600.550.50120100806040200次级侧副电感 Lf2/滋H渊71袁0.964冤初级侧参数DD 线圈 次级侧参数DD 线圈 Q 线圈串联补
25、偿电容C1/nF8.163串联补偿电容C2/nF7.07724.808RC1/赘0.045 9RC2/赘0.052 90.015 1并联补偿电容Cf1/nF45.69并联补偿电容Cf2/nF49.38106.24RCf1/赘0.082RCf2/赘0.075 80.035 2补偿电感Lf1/滋H76.73补偿电感Lf2/滋H7133Rf1/赘0.101 4Rf2/赘0.093 90.043 6DD鄄DDQ 线圈功率分析仪示波器LCC 补偿180第 4 期2建模本节将建立电动汽车模型和人体模型遥 在无线充电系统运行过程中袁 系统周围的电磁场不仅受磁耦合器本身耦合的影响袁 还受汽车壳体尧底盘尧与外部
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