雷竞技网页版电动汽车应用的非接触式电源和数据传输

萨拉·阿西娅¹， Amna Al-Marwani¹，塔梅尔·哈塔卜²——艾哈迈德·马苏德^3.

卡塔尔大学工程学院电子工程系学生，卡塔尔多哈¹
卡塔尔大学工程学院电子工程系助理教授，卡塔尔多哈²
卡塔尔大学工程学院电子工程系副教授，卡塔尔多哈^3.

摘要

本文讨论了非接触式电源与数据传输技术(CPDT)在电动汽车充电中雷竞技网页版的应用。本文的主要贡献包括对非接触式功率传输(CPT)设计的分析和开发，以及系统原型的实际实现。雷竞技网页版CPT系统主要由两部分组成;发射机和接收机部分。在发射机部分有一个直流电源为系统供电。然后通过逆变器将此直流转换为高频交流。该应用采用单相全桥逆变器。逆变器产生的交流电压将通过线圈从发射端传递到接收端。这是通过发射端和接收端的串联谐振电路来实现的。将电力传输到系统的二次侧后，用于为电动汽车的电池充电。 Therefore a rectifier is needed to convert the AC to DC voltage. Data also is transferred wirelessly with the power in order to control the charging process for the electric vehicles with different proposed scenarios. A scaled down prototype has been tested experimentally for the CPDT. Despite tested for different air gaps, the implemented CPT system results are presented for an air gap of 1 cm.

关键字

雷竞技网页版非接触式电力传输，数据传输，电动汽车，谐振变换器。

介绍

近年来，电动汽车作为一项新兴技术得到了广泛的接受。由于它不像燃料汽车那样产生有害气体，市场急剧增长。电动汽车依靠电力为电池充电，太阳能、风能等可再生能源具有很大的优势[1-3]。为了给电动汽车充电，需要有一根连接到汽车电池上的电线，可以连接到插头上。该系统的主要缺点是连接必须手动实现。这种方法不太方便，在潮湿条件下可能存在安全隐患。因此，一个合适的解决方案是将电力无线传输到电动汽车，这被称为非接触式电力传输(CPT)。雷竞技网页版

CPT是电能在两个或多个电气设备之间传递的过程，而不使用直接导线连接[4]。这是一种不使用电缆或连接器为电气设备供电的新方法，由于[5]这样重要的系统免维护运行，提高了可靠性。该系统可用于低功率设备，如家庭设备和办公室，以及高功率设备，如航空航天，生物医学和机器人应用[6]。该技术的优点是;免维护运行，无接触问题引起的火花效应，一次和二次导体完全电隔离，抗灰尘和环境条件[7]。雷竞技网页版CPT提供了更高级别的安全性和更大的灵活性，以满足对空间或其他约束的限制。CPT是通过携带能量的合适类型的波来实现的。CPT系统可以通过光子光波、电磁波[8]中的电场或磁场传递能量。CPT系统可分为电容耦合和电感耦合。电容耦合用于低功率范围，而电感耦合允许在磨瓦到千瓦[9]之间的范围内传递功率。 Some of the advantages of capacitive power transfer is that using capacitor make the system simpler, have low cost, low electromagnetic radiation, and no need for magnetic flux guiding and shielding components [9]. Although this system has many advantages but it also has some constraints that limit the performance of the system. The amount of coupling capacitance depends on the available area of the device. This can be solved by either increasing the size of the capacitor, which is not practical in some applications, or by targeting low power applications [10,11]. The inductive power transfer is widely used and has many advantages such as its ability to transfer larger power than capacitive coupling. Inductive power transfer carries lower risk of electric shock because there are no exposed conductors. Moreover, inductive power transfer is waterproof since the charging connections are fully enclosed, which makes it suitable for harsh environments in general. In this paper, CPT will refer to inductive power transfer. The main disadvantages of CPT are heat and power transfer efficiency [12,13]. It takes more power to inductively charge an energy storage system than charging it through normal conductive means. This is due to the higher power loss in the induction coils.

本文讨论了非接触式电源与数据传输(CPDT)技术在电动汽车(EV雷竞技网页版)充电中的应用。本文的主要贡献包括CPT设计的分析和开发，以及系统原型的实际实现。CPT系统主要由两部分组成;发射机和接收机部分。在发射机部分有一个直流电源为系统供电。然后通过逆变器将此直流转换为高频交流。该应用采用单相全桥逆变器。逆变器产生的交流电压将通过线圈从发射端传递到接收端。这是通过发射端和接收端的串联谐振电路来实现的。将电力传输到系统的二次侧后，用于为电动汽车的电池充电。 Therefore a rectifier is needed to convert the AC to DC voltage. Data also is transferred wirelessly with the power in order to control the charging process for the electric vehicles with different proposed scenarios. A scaled down prototype has been tested experimentally for the CPDT. Despite tested for different air gaps, the implemented CPT system results are presented for an air gap of 1 cm. By having the transmitter section of the charging system built in at the parking slot, the chances of danger or harmfulness on anyone that enter the parking space are reduced. To make sure that the CPT system will only transfer power when a car is on top of it, proximity switches can be used to detect that the car is parked correctly in the parking slot, then the CPT system will start charging. Different charging scenarios; charging once parked (COP), charging based on request (CBR), charging based on request with delay (CBRD), and charging with switched OFF engine (CEOFF) are proposed.

雷竞技网页版无接触式电力传输系统

本节讨论电感耦合CPT。首先探讨了CPT变压器的概念，然后研究了谐振电路，主要分为四种类型(以谐振电路为基础);串联串联(SS)、串并联(SP)、并联串联(PS)、并联(PP)。通过对四种拓扑结构的比较，讨论了CPT系统中拓扑结构的选择问题。然后探讨通信系统在本次设计中的作用。CPT系统由两部分组成;发射端和接收端。在发射端，直流电源将通过谐振电路的逆变器(以合理的高频率工作)转换为交流。然后通过电感耦合到系统的接收端。在接收端，交流电源将通过整流器转换为直流电源。 The system does not only transfer power, it also transfers data between transmitter and receiver sides. The data transmission system will be achieved through a separate system than the power transfer system; as high power is being transferred which may affect the data transfer. The overall system is presented in Fig. 1 [3].

A.单相逆变器

单相全桥电压源逆变器功率电路图如图2所示。为了产生高频输出，逆变器将被控制为方波操作，如图2所示。

B.谐振电路

谐振电路是CPT系统的第二部分，如图1所示。电容器被插入两端，以消除发射和接收线圈的高泄漏电感的影响。由于线圈和/或空气芯分离的距离，漏感很高。发射器和接收器电路中谐振电路的可能组合可以根据电容器的连接进行分类。谐振电路有四种类型，每种类型由两个字母S代表串联，P代表并联，第一个字母代表发射端，第二个字母代表接收端。SS拓扑的选择有两个主要的优点。首先，二次绕组对一次绕组的反射阻抗只有一个真实的反射分量，没有无功分量[13]。第二个优点是初级和次级补偿电容的选择与互感或负载无关(即初级和次级谐振频率与互感或负载无关，仅取决于初级和次级绕组的自电感及其各自的补偿电容)[13]。

通信系统

在CPDT系统中，第二部分是与功率传输系统并行的通信系统。该部分是CPT的重要组成部分，它发起系统开始充电的命令，也给出停止充电的命令。

A. ZigBee通信系统

在正在设计的数据传输系统中正在使用ZigBee程序[14,15]。ZigBee通常用于长距离传输数据，通过中间设备到达更远的设备。此外，ZigBee网络能够到达所有设备，无需中央控制或大功率发射接收机[16]。此外，ZigBee用于需要低数据速率和长电池寿命的安全网络的应用程序。它最适合的应用包括无线电灯开关、交通管理系统、家用显示器中的电表，以及其他需要低速率短距离无线传输数据的应用。ZigBee是一种低成本、低功耗的标准[17]。此外，ZigBee节点可以在30毫秒或更短的时间内从睡眠模式切换到活动模式，这表明延迟可以很低，设备的响应速度比蓝牙快，蓝牙激活大约需要3秒。ZigBee的另一个优点是平均消耗的功率可以很低，这将导致电池的寿命更长，这是由于ZigBee节点可以大部分时间处于休眠状态。因此在通信系统中采用了ZigBee技术。

B.功率传输

首先当接收机在发射器的范围内时，发射器会向接收机的控制器发送通知，要求检查电池电量。如果电池电量不足，它就会开始充电，如果电池电量满了，它就会停止充电。只要接收器在发射器的范围内，这个操作就会一直进行下去。下一节将讨论不同场景下的收费方法。

系统的实际实施

本节讨论了该系统的实际实现和测量CPT系统电感的方法。

A.系统描述

非接触式雷竞技网页版电源和数据传输系统如图3所示。系统的每个块将在以下小节中解释。系统试验台如图4所示，逆变器如图5所示。采用的数字信号处理器为ezdsp TMS320F28335。DSP TMS320F28335的特点是，30 MHz输入时钟，150 MHz工作速度，高达18脉宽调制输出，和12位ADC(16通道)。

B. SS谐振拓扑

SS谐振拓扑由系统两侧的一个电感器和一个电容组成。两侧电感器如图6所示。它是用铁丝做成的，两边有30个弯。两个绕组之间的距离已设置为1cm。因此，在不同的参数下进行不同的测试，使用可变电容器更方便。

C.互感和漏感的测量

两种方法分别用于互感和漏感的测量;直接测量和串联连接。下面的小节将阐明这两种方法。

C.1。方法1:直接测量

函数发生器用于提供频率为30khz(感兴趣的频率)的电压到初级线圈。然后在二次开路时测量一次电流和二次电压(一次空载电流和二次空载电压)。这些结果得到了磁化电感和漏感。由式(1)和式(2)计算了漏电和互阻抗的值。为求电容器的值，使用式(3)和式(4)。附录A包含了不同分离距离和频率下的泄漏和互阻抗的数值表。

C.2。方法2:串联连接

另外还进行了漏感和互感的测试。如图7所示，将两个电感器串联为相互耦合的两个可能极性。Lx1和Lx2的两次测量结果如下:

由式(5)、(6)可得互感。此外，泄漏电感L1和L2将被假定为相等(相同的匝数)。

CPT系统参数，连同试验结果得出的漏电和互感，可列举如表1所示。

D.通讯系统

对于充电过程的启动和停止，使用了无线通信系统。通信系统由两块蜂窝板[18]与两块Zigbee模块连接而成。该系统的波特率为38400，发射机和接收机之间的距离可大可小，因为黄蜂采用了Zigbee通信距离大。黄蜂运转所需的能量很低。在本设计中使用的模式下，它消耗62μA。理论上，功率传输系统和数据传输系统应放置得远远的，这样传输的数据和传输的功率之间不会有任何干扰。但由于数据通信系统在功率30kHz的情况下，传输的数据最高可达2.4GHz，因此干扰很小，可以忽略不计。因此，数据通信系统被放置在电力传输系统附近。图1是显示数据传输系统位置的框图。使用该通信系统的场景不止一种。 These scenarios are discussed below.

第一种方案是使用两块黄蜂板。在系统的功率发射机部分，有一块蜂窝板与逆变器的DSP相连。另一块黄蜂板连接到系统电源接收部分的电池上。在电源接收器部分，黄蜂将连接到一个电流传感器。该电流传感器将感知电动汽车电池中的电流流动，并相应地向发射器部分发送消息，以开始充电或停止充电。

第二种情况是使用单黄蜂板。这个黄蜂板将被连接到系统的电力发射机端。这块板子会感应光线;因此，如果一辆车停在电路板上，系统就会开始充电。然后计时器也会启动。这个定时器被设定为在一段时间后停止给电池充电。这个时间是计算完全充电的电池。这种方法不是很有效，如果电池处于半充电状态或处于任何其他水平状态，即使电池充满电，系统也会继续充电。此外，光传感方法可能不是很有效，这是因为大多数停车场都有阴影在他们上面，这将使光传感操作棘手。

第三种情况是使用两块黄蜂板。一个黄蜂板将连接到系统的电源发射机端;另一块黄蜂板将连接到一个按钮上，并将根据用户的需要放置在第一块黄蜂板的范围内。当用户想要开始充电时，会按下按钮。然后连接在按钮上的蜂鸣板会向连接在电源发射器部分上的蜂鸣板发送消息，使系统开始充电。要停止充电过程，应按下另一个按钮。该场景下的停止方式效率不高。

第四种情况与第三种情况相同，但停车方式不同。为了停止充电，会有一个计时器，根据电量耗尽的电池完全充电所需的时间进行编程。这种方法可能比第三种方法更有效，因为如果用户忘记停止充电，那么系统将继续充电。但是通过设置计时器，即使电池在一段时间后没有电量耗尽，充电操作也会停止。

实施结果和讨论

本节讨论整个系统的结果。

A.泄漏、互感和阻抗

图8为初级线圈与次级线圈之间不同距离时的互阻抗、漏阻抗、互感和漏感。从下图可以看出，随着频率的增加，漏感减小，互感增大。互感与耦合系数的关系如式(7)所示。

其中k为耦合系数，0≤k≤1,L1为第一个线圈的电感，L2为第二个线圈的电感。

耦合系数始终在1和0之间，“1”表示完美耦合。“0”表示一个系统，其中发射线圈和接收线圈彼此独立。图9为不同距离时频率与耦合系数的关系。结果表明，随着频率的增加，耦合系数增大，而随着距离的增加，耦合系数的变化幅度减小。

B.整个系统的输出结果

B.1输入电压、电流

图10给出了不同电阻性负载下谐振电路输入电压和输入电流的行为。图10中，当频率为30 kHz时，蓝色方形波形为输入电压，粉色波形为输入电流。

C.输出电压和电流

图11给出了不同电阻性负载下输出电压和输出电流的变化情况。在图11中，蓝色方形波形表示输出电压，粉色波形表示输出电流。为了计算系统的输入功率，首先测量直流电源的输入电压，同时测量电源的输入直流电流，然后计算输入功率，如图(8)所示。

平均输出功率是通过将输出电压和电流乘积的结果求平均值来计算的。然后用式(9)计算系统的整体效率。

当R=20Ω时，系统效率达到77%

D.充电场景

本节将介绍不同场景下的计费方案。开始收费有不同的情况。

D.1。停车一次收费

电动汽车的使用者无法控制这种充电方式。一旦车辆正确地停在停车位上，充电系统就会与电动汽车通信，并发送消息检查电池电量。如果电池需要充电，它就会转移能量。充电系统将继续与电动汽车通信，直到电池充满电，然后停止传输电力。

D.2。按要求收费(CBR)

在这种方法中，汽车将根据用户的要求充电和停止充电，因此它是一种受控方法，当汽车停放时，用户必须选择向充电系统发送开始充电或停止充电的消息。

D.3。按延迟要求收费(CBRD)

在这种方法中，汽车将延迟充电，因此当汽车停放时，用户命令通信系统开始充电，汽车将在给定的时间后开始充电。这种方法可以让电动汽车系统在充电前稍微冷却一下。

D.4。发动机关闭时充电(CEOFF)

在这种方法中，汽车将停在停车槽上，然后当发动机关闭时，充电器将发送一条消息来检查电池电量，然后在需要时开始充电，在充满电时停止。

结论

本文设计并实现了一种基于电感耦合的CPDT系统。CPT可用于许多应用，但本文讨论的含义是无线电动汽车充电器。数据还通过电源无线传输，以控制不同场景下电动汽车的充电过程。一个按比例缩小的原型已经对CPDT进行了实验测试，并对1厘米的气隙进行了测试。效率达到了77%。不同的充电场景;提出了停车充电(COP)、基于请求充电(CBR)、基于请求延迟充电(CBRD)和发动机关闭充电(CEOFF)四种充电方式。

鸣谢

本文由卡塔尔国家研究基金(卡塔尔基金会成员)的UREP资助12-082-2-035出版。在此所作的声明完全是作者的责任。

表格一览

表1

数字一览


图1	图2	图3	图4	图5

图6	图7	图8	图9	图10

图11	图12	图13

附录a:电感的计算

参考文献

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