无线传能效率最优化方案与效能检测装置设计

张泽恒，刘殿翔，梁宗威，苏日清，黄楠兴，陈培炀，李伟华（通信作者）

（1.暨南大学国际能源学院，广东珠海，519070；2.暨南大学轨道交通研究院，广东珠海，519070）

0 研究背景

随着电磁学理论的不断完善与实践中的不断运用，生活中利用无线传能的场景越来越多。许多产业也利用无线技术对其生产进行改进[1]。

电动汽车作为新型能源产业之一也逐渐兴盛起来，新能源汽车的充电问题一直备受人们关注，针对无线充电方式中原副线圈无法精准对接导致效率低下的问题，诸多学者给出了一些方案。

文献[2]中提出：通过双目视觉系统收集停车位图像并进行预处理，在图像中收集LED的位置，将对准数据与给定数据进行比较，获得对准参数并实现对齐。该方案易受可见光的影响，并且对空间数据处理方法复杂。

文献[3]中提出：以初级线圈的中心为原点，并在次级线圈的平面中划分啮合的参考点。通过将感应电压的曲线与距离拟合，可以得出坐标计算公式，从而实现对接。该方案需设置次级线圈，增加损耗且电路设计困难。

如图1所示，前序课题中提出：通过激光测距、陀螺仪与定位感应板技术使汽车在泊车位随意停车后，地面下的无线充电装置可以通过光学定位算法自动找到给电动汽车充电的最佳位置，从而实现对接。但其光学器件数量直接决定其数据精度，实用化困难。

图1 电动汽车无线充电装置概念图

1 效率最优化方案

方案主要利用驱动装置来驱动原边线圈按照一定路径进行运动，并在过程中通过电路检测电流的信息，将得到的信息利用算法进行处理后，转化为对驱动装置的控制指令，从而驱动驱动装置继续搜索更优的数据点，直到找到最佳充电点。因此将方案分为“原边线圈的驱动、最佳充电点搜索、电流信息的采集及确定最佳充电点”展开。

图2 电动汽车无线充电装置概念图

1.1 原边线圈的驱动

为了使驱动装置可以带动原边线圈在三维空间中按照指定路径运动，并且可以调整预定的角度。项目组利用三个步进电机（见图3）配合导轨支架来实现原边线圈在任意点（X,Y,Z）的运动；用两个舵机组成的一个半球面（XY360°-Z180°）角度调节装置，使原边线圈可以进行任意角度的调节。项目利用STM32单片机，将位置信息（X,Y,Z）转化为电机和舵机转速和角动量等信息，实现对电机和舵机的控制。

图3 步进电机（42CM04）及驱动套件

1.2 最佳充电点搜索

在原边线圈可以实现各个位置和角度的移动后，原副线圈的垂直距离和对接角度可以通过升降原边线圈及控制两个舵机实现。而对于副边线圈平面位置的确定，需要设定搜索副边线圈或最佳充电点位置的方法。

1.2.1 搜索范围

在原边线圈搜索最佳充电位置的过程中，如果把停车位所有点都遍历一遍，不仅效率低下，而且浪费了大量能量。根据无线充电的特点，结合图4进行分析。

图4 蒙特卡洛模拟充电有效区域

如图4所示，由于停车位置与车体构造的限制，电动汽车可接受充电的区域一般是有限的。而项目组想通过一种手段得知这个有限的区域的大致范围与位置。

利用蒙特卡洛模拟方法，通过在整个停车区域（灰色区域）大量的实验，将落点（红色透明圈）出现概率较大的点组成一个稳定的副边线圈出现区域（绿色区域）。这个区域即是需要按照一定路径进行遍历的有效充电区域。

1.2.2 搜索路径

为了节省成本和时间，需要按照一定的搜索路径进行搜索，使其可以通过算法快速高效的定位到最佳充电点。图5是规定路径的划分，项目拟将区域划分为4个区域，5种可循迹路径（四种嵌套型扇形路径，一种半径分界路径）。在保证精度的前提下，为了最大限度的减少路径线，项目将条纹内径控制在3～5cm。原边线圈的中心将沿着预定的路径进行运动，并接收实时指令更改路径。

图5 有效充电区域循迹路径

1.2.3 路径变更

在最佳充电点的搜索过程中，为了搜索过程的准确快速进行，项目组规定：每次充电请求发送后，原边线圈的中心都应放置在初始位置，即有效充电区域的中心。并且最先遍历半径分界路径，当找到局部电流最优点后，从该点向当前路径的法线方向改换路径。

1.3 电流信息的采集

沿着上述路径即可进行电流信息的搜索，又由功率式PUI= 可知：在无线传能的过程中，输出电压U不变的情况下，输出功率的大小取决于电流的大小。因此为了检测到原边线圈的电流变化，项目组拟采用整套电路包括：发送-接收电路、整流电路、抽样电路、稳压电路等。用来实现原边线圈输出恒定电压时，可以检测并采样出原边线圈的电流大小。

如图6所示，利用稳压电路输出电压稳定的电能，利用发送-接收电路表示电能传输过程，利用整流电路将发出的交流电转换为直流电，并利用抽样电路将整流之后的电流值采样，即可得到一系列电流的实时数据。

图6 自动黑板擦试验样机

图6 电流数据采样流程

1.4 确定全局最优点

利用驱动装置驱动原边线圈按照规定路径进行搜索，并将检测到的实时电流数据采集到单片机。

将传回的电压/功率数据寻找每一轮迭代的最优点。由于采样数据是随着原边线圈的动作逐渐更新的，因此迭代过程的运行与结束取决于我们制定的接收概率：

其中n表示采样电路采到的数据标记，E(n)表示第n个数据的数值。为了提高算法的速度，我们可以将概率设置的尽量大然而，如果接收概率过小又会造成最优解局部化。经过对系统的考量及经验，我们选择将每一轮闭合路径的接受概率设置为P=0.85～0.9，迭代次数设置为100次。

利用上述模型计算原边线圈在单条路径上运动时的电流数据局部最优点，计算得到单条路径的最优位置后，从该位置更换另一条路径，继续搜索电流数据最优点。以此类推，逐步迭代，直到此点被接受为全局最优点即最佳充电点。

图7 最佳充电点搜索

2 传能效率检测装置

由于电动汽车的无线充电原副线圈之间有一定的距离，因此在暴露的环境中可能会有电磁干扰以及其他介质的阻挡，从而导致无线传能的效率下降。那么如和衡量充电效果呢？

2.1 电路总模型

如图8所示，本文设计了从电能发送、中间环境到电能接收、检测效率的整套电路。具体包括供电电路、变压器电路、中间环境模拟电路、降压整流电路，差分比较电路等，构成了整套监测系统。其中，整个系统采用美国汽车工程师协会标准数据（SAE J2954）[4]如表1，将数据带入模型进行模拟。

图8 整套电路

表1 SAE标准数据

2.2 环境电路搭建

为了模拟实际环境中的传能电路，检测不同的磁阻、磁环境对传能效率的影响，本文根据实物模型（图9）得到的数据结果，利用multisim中不同电子器件组合来模拟了这一过程，分析其各项特性。

图9 环境电路模型

2.3 性能测试

对上述整个系统进行仿真，并结合电磁理论分析此套装置的相关性能。

不同磁阻检测：调节环境模块中的可调电阻，调节范围为0%～100%，平均步长为5%。将得到的数据进行处理，并拟合出电阻-效率特性如图10所示。

图10 电阻-效率特性曲线

我们得到模型中电阻与传能效率关系式为：

根据磁阻Rm与磁导率μ、电阻R与电导率ρ的关系为：

结合文献[5]得，磁阻与电阻的关系为：

其中l为电阻或磁阻的长度，N为线圈匝数，U为线圈施加电压，φ为线圈感应出的磁通量。

又由电压（有效值）与磁通量的关系：

得到磁阻表达式：

图11 磁阻-效率特性曲线

从曲线图中可以看出：传输效率随相对磁阻的增加而迅速增大，达到峰值后又逐渐下降，趋近于恒定值。当效率达到最大值，即时，可以得到磁阻相对值为0.084时，传输效率最大。

因此我们得出结论，在磁传输过程中，磁阻与传能效率呈非线性关系，且随着磁阻的增大，其改变对效率的影响逐渐减小；并且我们发现，存在一个使传输效率最大的磁阻值，若经过此点后继续减小磁阻时，会使传能效率急剧减小。这与无线传能中距离与传能效率的非正比关系是一致的[6]，也进一步验证了本文模型的正确性。

3 效果分析

为了验证整套装置的效果及方案的可行性，我们在multisim和matlab进行模拟，得到如下结果。

3.1 数据异常值评估

运行整个过程，并对接收到的数据进行统计分析，得到图12效果。

图12 采样数据效果

我们发现，对于采样得到的数据并非基于时间的单值数据，因此我们需要对数据值进行去值拟合处理，得到处理效果见表2。

表2 去值效果分析

可以看出，去值拟合可以对原数据进行94.2%的表示，数值损失为0.5%，效果较为理想。

3.2 延迟分析

对整个过程的时延进行估计，总延时为：

可知，总的时间延迟包括数据在传输过程中的传输延迟时间ts（transform time）、数据处理时间tc（calculate time）、装置中由于电容电感和电子器件的充放电延迟时间td（device delay time）以及像装置老化等其他因素导致的延迟tadd。其中ts，tc，tadd具有一定的不可控性，且更多决定于硬件设施的性能，在此不予讨论。对于设计的检测装置的延迟，可以通过实验检测出其大致的延迟时间td。

调节检测装置中的环境模块，在其中增加一个极性电容并联冲击环节，时间段为0.005s～0.007s。运行整套装置，得到检测装置的时延情况如图13所示。

图13 检测装置时延分析

从图中我们可以看到：对于时长为0.002s的冲击，检测装置的延迟时间可以保持在3e-3以内，这在整个电能检测的过程中是一个较为理想的结果，但如果考虑整个系统的协调性与实时性，尤其是利用算法寻找最佳充电点时，相比于微机计算速度（ms），此装置的时延也确实会带来不小的误差，因此可以通过改换不同型号的电子器件来改善电路中的时间常数τ，使其满足整套装置的运行要求。

4 结论

本文首先介绍了针对于电动汽车无线充电过程中，搜寻最优效率并对接的方案。并从电机控制、算法实现、电能数据处理等方面对方法进行了详细介绍。

随后，本文利用multisim建立了用于实时监测无线传能效果的电路模型，将其联结构成整个系统。利用环境模块测试装置的性能，得到了磁阻与无线传能效率的特性曲线，其特性与实际一致，验证了装置的正确性。

最后，本文对整个方案构成的系统进行了模拟测试，并进行了检测值分析与延迟分析，对本文的方案进行了客观的评估。