优化螺旋矩形线圈的电动三轮车无线充电设计

工程科学与技术，国际期刊33（2022）101082IPT设计，优化使用螺旋矩形线圈为电动三轮车无线充电Emin Yildiriza，Salih Burak Kemerb，Murat Bayraktarca土耳其杜兹采大学工程学院电气和电子工程系，81620杜兹采土耳其安卡拉，邮编：06935cFARBA Automotive，41420 Kocaeli，Turkey阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年5月31日收到2021年10月18日修订2021年11月28日接受2021年12月23日在线提供保留字：感应式功率传输优化的线圈设计无线充电有源整流器A B S T R A C T无线充电最重要的研究课题之一是开发最佳线圈垫。本文设计了一种满足电动三轮车无线充电要求的感应电能传输系统。为了有效地设计IPT，必须正确计算影响功率传输效率的线圈的参数，例如电阻和电感每个绕组的电阻和电感计算已被考虑，而不是使用平均年龄的初级和次级垫由于线圈的小尺寸的绕组尺寸。用此方法高精度地计算了空心矩形螺旋线圈的电阻、自感和100 mm距离的互感临界磁耦合因子、一次和二次品质因数和最大工作频率被认为是系统稳定性的判据。最佳的IPT系统，满足标准，并使用最少的铜已实验执行。首先研究了等效交流负载下最优IPT的性能，然后通过将有源整流器连接到二次侧来研究电阻性负载。在近似负载条件下，DC到DC的效率已达到89.2%©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍在当今快速的生活方式中，电动自行车作为一种实用的交通工具具有重要的地位。电动自行车市场是电动汽车行业增长最快的市场之一。到2023年，电动自行车市场预计将增长15%，达到4030万辆[1]。传统的电动自行车有线充电与实际使用相冲突。电动车辆和设备可以通过IPT进行实际和安全的充电，而无需复杂的电缆。由于对于电动自行车的结构设计，铁氧体磁芯可用于从低气隙的IPT然而，在自行车中使用核心会增加额外的重量，并导致单次充电可行驶的范围减少。此外，铁损也应包括在效率分析中。已经提出了用于电动自行车的无芯IPT，但是没有公开关于这些提议中使用的绕组的尺寸和匝数的最佳设计。这些具有1- 3 cm气隙的IPT的工作频率*通讯作者。电子邮件地址：eminyildiriz@duzce.edu.tr（E.Yildiriz）。由Karabuk大学负责进行同行审查考虑到无芯IPT中的磁通分布，使用3D有限元分析（FEA）来搜索最佳IPT设计将花费相当长的时间因此，有必要使用适合于电动自行车的对于电动自行车，没有特定的最佳IPT设计，但是在文献中已经针对不同的补偿拓扑提出了不同功率水平的最佳设计，[8考虑到分叉和尺寸限制，在200 kW[8]和2 kW[9]的无芯IPT设计中，通过分析方法在短时间内找到了最佳线圈。在此，矩形线圈的自感和互感已经用一种简单的分析方法-灯丝法计算，[8]。在优化IPT设计中，正确确定功率传输效率（PTE）、线圈品质因数和最佳工作频率取决于使用正确的分析方法正确灯丝方法对于大尺寸和较少匝数的线圈是足够的，[9]，但在螺旋线圈使用面积小的电动自行车等应用中是不够的。因此，可以在近传输距离下工作并使用小线圈尺寸的IPT需要考虑导线横截面和相邻绕组之间的https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.1010822215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchE. Yildiriz，Salih Burak Kemer和M.Bayraktar工程科学与技术，国际期刊33（2022）10108222Þ22：PS S¼¼S电动汽车的IPT设计考虑了稳定条件下的最小铜用量[8]、最大PTE[10，12]或最大功率输出[12]。电动三轮车一般是老年人和残疾人的首选，单次充满电的练习场在这些车辆中很重要。在本文中，无芯IPT的电动三轮摩托车的最佳设计已考虑到最少的铜的使用。在松散耦合的功率传输系统中，之前已经提出并比较了许多补偿拓扑结构[13，14]。串联-串联（SS）拓扑由于高的线圈传输效率和较少的铜使用而被优选。本文的动机是设计一个IPT与使用最佳的线圈垫，考虑到电动三轮车的充电要求。因此，重要的是计算交流电阻和线圈的电感值的关系第二部分阐述了无芯IPT线圈的Rn、Ln、M和品质因数Qn的计算方法在第三部分中，讨论了设计准则和优化设计结果。为了避免SS谐振拓扑中的分岔现象，对品质因子和临界磁耦合进行了检验。对所设计的最佳线圈对的性能进行了实验研究在第四节中，对AC和DC负载进行了调查使用初级和次级电压Eq. （1）可以扩展到（2）。PTE也可以写成Eq.（3）在品质因数（Qp，Qs）和磁耦合方面，由于次级线圈电阻为Rs，Req.根据（3），精确建模互感系数和内部电阻（RP，RS）和螺旋线圈的自感系数LP，LS是很重要的计算PTE。2.1. 绞合线交流电阻交流电阻的增加取决于螺旋线圈的工作频率。如果忽略杂散电容效应，则RAC定义为（4），其中fh是AC功耗等于直流功耗的两倍[15]。李兹在无线功率传输应用中通常使用导线以避免趋肤效应和邻近效应。绞合线的直流电阻，用（5）表示，取决于成束操作的次数（NB）、成缆操作的次数（NC）、单股绞合线的数量（NS）以及单股绞合线的最大直流电阻（RS：最大值），[16]。.f2！H2. PTE的理论分析在这项研究中，一个最佳的IPT的设计是针对的情况下，R AC¼R DC 1人f2人RSmax10：02CNB10：03CNCNSð4Þð5Þ电动三轮车的充电要求。建议的踏板车有考虑螺旋100 mm有效VT 3模型）。通过研究蝙蝠的充电特性-空心线圈自我图中示出了并联耦合电容。在电池组中，可以确定充电所需的功率。在恒流（CC）充电模式的情况下，电流被设置为2.5 A，而在恒压模式的情况下，电压保持在44V。因此，踏板车无线充电所需的最大功率为110 W。电感器的等效电路[15]。在这种情况下，有效串联电阻应在线圈（6）的等效阻抗上计算。如果工作频率远低于线圈自频率，则ESR值几乎等于RAC。考虑图1中给出的等效电感链路，效率写为（1）。CP和CS分别与初级绕组自感LP和次级绕组自感LS谐振，并且它们根据下式确定：ESR1/4。RAC1-w2LselfCself2ð6Þ到谐振频率。RP和RS分别表示初级和Req表示整流器输入端的近似等效电阻。2.2. 螺旋矩形线圈的自感和互感圆形线圈对具有比圆形线圈对更高的磁耦合PTErealpk10实VPI PI2ReqI2.RSReqI2RPð1Þ正方形、矩形和六边形线圈。辅助底板电动三轮摩托车的形状通常为矩形。因此，可以使用并排螺旋圆形线圈，[5]。然而，正确的-S Pw2M2Req成角度的线圈形式提供了更多的使用面积。由于高的操作距离，螺旋矩形线圈是首选在这项研究中。PTE¼SReq拉瓦赫河RSReq米卢·米卢矩形线圈的自感系数可以很容易地用绕组的平均长度和等效绕组截面计算。这种方法基于诺依曼公式，k2QPQSPTE¼1k2Q QM公司简介VPð3Þ也用于计算两个矩形线圈对之间的M，[8]。使用平均绕组尺寸（灯丝法）可以提供可接受的精度在电感计算的矩形线圈的平均边长为1米。然而，在具有较小平均绕组长度和较高匝数的2 kW IPT中，该分析方法与实验结果偏差40%，[9]。因此，尽管灯丝方法提供了一种简单快速的解决方案，但其精度取决于绕组尺寸。为了计算自感而不考虑绕组尺寸，有必要考虑螺旋线圈的导线横截面和空气-[17，18]《明史》卷17，18在使用（7）中表示的几何平均距离计算自感时，qn指的是RPRS第n个线圈的填充比，并且dna表示线圈的平均直径。Fig. 1. 等效感应链路。ISLSReqVSIPLP.RSRDC¼E. Yildiriz，Salih Burak Kemer和M.Bayraktar工程科学与技术，国际期刊33（2022）1010823第一部分我wMwCSX42ðÞ¼cQ¼SQSFX我不知道。2：07- 12：00n4季度3S第十一章第二十七节2N 在Q2018-01-1800：00：00ð7ÞQP>S第四季度2-1ð13Þ与灯丝方法不同，考虑到灯丝之间的气隙，绕组和导体横截面、互感可以被精确地计算，而与初级和次级焊盘尺寸以及焊盘之间的距离无关。如果在M的计算中使用初级侧和次级侧的每个绕组的边缘，而不是平均绕组长度，则还考虑绕组之间因此，可以获得更好的精度。在（8）中，考虑初级侧的第i个绕组的第l个边缘和次级侧的第j个绕组的第k个边缘来计算Lijlk。这里rlk指的是这两条边之间的距离向量。在确定每个绕组的边缘长度时，还考虑了线的圆形截面的直径和匝之间的气隙。应用叠加法来获得初级焊盘和次级焊盘（9）之间的总M。磁耦合是PTE的另一个重要参数。为k增加，传输的功率和PTE的量将增加。然而，k的增长也增加了分叉的风险，[21]。当k增加时，分裂频率出现在自然共振频率以下和以上在这种情况下，输入阻抗的零相位角也出现在不同的工作频率。为了防止这种情况，确定了临界磁耦合kc。输入阻抗（14）在零相位角处的虚部等于零（15）。为了确保（15），初级和次级侧必须处于自然频率，或方程（15）。（16）必须等于零。如果工作频率与固有频率之比由t定义，则方程（16）可以写成（17）。相应地，当工作频率接近自然频率时，t趋向于1，并且k值接近临界值（18）。莱尔克l04个pC lCkdlllkrlkð8ÞZ在¼RP中，wLP-1wCP2RSwLS-1ð14ÞNPNSM¼XLijlk900.w2LP CP-1hwCSRSRL- 是的w2LSCS-1万2千i1/1第1页l<$1k<$1- 我知道W2LS CS-1LW4CP CS2.3. 质量因素期望线圈以高品质因数操作。在低频范围内，品质因数通过增加工作频率。然而，在高频区域，¼ 0 ð15ÞhwC S 2RS R L2i-w4CP CS¼0 16T242品质因数开始随着操作的增加而迅速下降，频率。这是因为线圈交流电阻随频率增加而增加。初级侧品质因数通过考虑源内阻RSource计算，而次级侧品质因数使用Q2-tkK1QS¼ 0 ð17Þð18Þ如（10）和（11）所示的负载电阻这里，LPeff，L Seff分别是根据初级和次级线圈的等效阻抗计算的有效电感。使用杂散电容和自感计算有效电感（12）。如果杂散电容可以忽略，则Leff/Lself可以接受。wLP eff考虑到本文给出的设计标准和尺寸限制，作者的目标是最小化铜的使用量。因此，整个系统的成本和所使用的垫的重量将是最小的。当QP略大于QS且谐振频率增加时，SS拓扑中的铜量减少，[8]。因此，表示最佳绕组使用率的KD参数如（19）中所定义。根据公式（19），QP¼R源P.P.ð10Þ是接近1且小于1的值在IPT设计试验中其以恒定的绕组尺寸提供期望的功率wLS effSREURRð11Þ和导线横截面，已经观察到所需的匝数随着工作频率的增加而减少。因此，预计最佳IPT设计将是Lself根据最大频率进行整形的接近度左效应¼。1-w2L自我CselfΣ2ð12ÞQ P和Q S是由于初级和次级侧绕组尺寸几乎相等，以及初级电压V P和次级电压V S接近。3. IPT设计标准11小时1分。In.QP我是1岁。I n.fmax我的19Þ充电时的范围IPT可能需要由于可变负载或未对准而在可变频率下操作为了在可变频率下操作，在设计过程中应考虑分叉。必须检查对PTE至关重要的磁耦合k和线圈品质因数，以避免分叉。 当QP>QS时，可以说实现了IPT的稳定运行在所有的补偿拓扑结构中，[19，20]。 因为质量线圈的系数通常比单位大得多此外，SS拓扑结构的分支准则被确定为在Eq。（13），[19].在这项研究中，文献[8]中报告的IPT设计算法已针对电动自行车进行了重大修改。绕组截面是已知的，因为线圈的功率和电压已经确定。电动自行车通常在室外使用，充电时环境温度可能很高。选择3A/mm的低电流密度[2]通过考虑绕组截面积、气隙、线圈的电阻、互感和自感，绕组之间的电压和工作频率。的ΣX4SL电池的等效阻抗在宽范围内变化2KDE. Yildiriz，Salih Burak Kemer和M.Bayraktar工程科学与技术，国际期刊33（2022）1010824d<=所需PNPkc（例如0.18和0.23）时，出现具有多于一个零相位角（ZPA）的操作频率。这将导致分叉。的最佳IPT的k值计算为0.13377，可以看出满足稳定性标准。4. 实验结果传统的IPT在初级侧具有全桥逆变器。次级侧可以使用不可控整流器或有源整流器。在PSB设计和Mosfet选择中，工作环境温度选择为70°C考虑到工作频率和直流母线电压，本文选用了IRF2807型MOS场效应管此外，12F822是首选的微处理器。在不受控整流器中，由于二极管导通和关断损耗，功率损耗更高。此外，有源整流器的热优势对于户外工作尤其重要。由于这些原因，在次级侧优选有源整流器。所采用系统的总体方案及其单个组件如图5所示。等效额定负载应为17.6O，具体取决于图二. 电动自行车的最佳IPT设计算法修改自，[8]。图三. 设计系数K D的变化 根据N个P-N个S的组合。E. Yildiriz，Salih Burak Kemer和M.Bayraktar工程科学与技术，国际期刊33（2022）1010825表1最佳IPT设计参数。NS24 24LSlH189.9593187.31沪ICP备16006666号-1沪ICP备16004866号-1MlH26.405425.5V PV41.141.51IPV国际货币基金组织2.8407 2.85PTE百分比95.0195 93.18f0kHz84.9234 85.19PLW113.5933 113.145图四、磁耦合变化对输入阻抗相位角的影响图六、IPT在几乎额定负载下的电流和电压：（a）初级侧，(b)次级侧，以及（c）负载的电压和电流图五、采用有源整流器的实验IPT设置在最佳IPT下的所需工作电流和电压。在实验研究中，获得了与此值接近的17.1Ω的电阻，并在此负载下采集了原边和副边的电流和电压信号。 当初级和次级侧的电流和电压信号被检查时，可以看出，两侧都在谐振中工作（图6a和6 b）。根据测量，全桥逆变器，PTE和有源整流器的效率分别为98.8%，93.1%和97.1%。图6c示出了负载处的直流电流和电压信号。因此，根据电池充电要求测量到2.5A的电流。的电压17.1O负载测得为42.6 V。在此负载下测量的电压幅度实验证明了最佳IPT系统的准确性由于实验研究不能完全在17.6Ω电阻上进行，负载端的电压保持在44 V以下。很明显，作为SS谐振IPT的一般响应，输出电压随着负载大小的增加而增加也就是说，如果负载正好为17.6O，则负载电压将更接近44 V。参数解析地实验参数解析地实验NP2525LPlH205.1179203.1E. Yildiriz，Salih Burak Kemer和M.Bayraktar工程科学与技术，国际期刊33（2022）10108265. 结论在本文中，考虑到电动三轮摩托车的尺寸限制，最佳的IPT系统已被设计为最小的铜使用。交流电阻、自感和互感通过考虑绞合线的特性、绞合线的横截面和绞合线之间的气隙而不是使用平均绕组尺寸来计算线圈根据实验结果，该解析方法确定了螺旋线圈的自感和互感，精度为1%- 百分之三点四因此，IPT设计算法在很短的时间内根据约束条件给出具有最佳绕组利用率的线圈对。所确定的最佳IPT的性能已被实验验证在等效的交流负载。二次侧接有有源整流器，获得了蓄电池充电所需的直流电压。总的DC / DC效率已被测量为89.2%。换句话说，与具有相同功率的应用相比，在不使用更高距离处的核的情况下获得了有竞争力的效率竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。确认感谢Volta Motor Industry and Trade Inc。在实验研究期间提供材料和设备支持。引用[1] G. Apostolou ， A.Reinders ， K.Geurs ， 太 阳 能 电 动 自 行 车 现 有 经 验 概 述 ，Energies 11（8）（2018）2129，https://doi.org/10.3390/en11082129。[2] 金德尔河佩查内克湾Zavrel，T. Kavalir，P. Turjanica，用于电动踏板车无线充电的电 感 耦 合 系 统 ： 电 磁 设 计 和 热 分 析 ， Electr. Eng. 102 （ 1 ） （ 2020 ） 3-https://doi.org/10.1007/[3] D.扬努齐湖鲁比诺湖Pio Di Noia，G. Rubino，P. Marino，用于电动自行车充电站的 谐 振 感 应 功 率 传 输 ， Elect 。 PowerSyst.Res.140 （ 2016 ）631https://doi.org/10.1016/j.epsr.2016.05.010[4] P. Livreri，V. Di Dio，R. Miceli，F.佩利泰里Galluzzo，F. 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