0 引言

    2009年我國汽車銷量達(dá)到1 364萬輛,，同比增長46%,，首次超過美國，成世界第一大新車市場,。汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,，在方便人類生活的同時，也會給環(huán)境和能源帶來巨大的壓力。電動汽車(Electric Vehicle,，EV)可以很好地解決機(jī)動車污染排放和能源短缺問題,，是我國戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)。早在“十五”期間,，我國啟動了“863”計劃電動汽車重大專項,，建立了“三縱三橫”的開發(fā)布局。2010年6月,，國家四部出臺了《關(guān)于開展私人購買新能源汽車補貼試點的通知》,，在5個試點城市對私人購買新能源汽車進(jìn)行不同程度的補貼。我國政府的積極態(tài)度表明電動汽車是未來社會發(fā)展的方向,。

    目前充電方式分為兩大類：有線充電和無線充電(Wireless Power Transmission,，WPT)。與傳統(tǒng)的有線充電相比,，WPT技術(shù)可以省卻繁瑣的充電作業(yè),，提高充電系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時還可適應(yīng)多種惡劣環(huán)境和天氣^[1],。適用于EV的WPT技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式和磁耦合諧振式,。電磁感應(yīng)式WPT技術(shù)雖然可實現(xiàn)大功率能量傳輸，但傳輸距離過短,，同時汽車停車位置出現(xiàn)的微量橫向偏移也會很大程度上降低系統(tǒng)的傳輸效率^[2],。磁耦合諧振式無線能量傳輸(Magnetically-Coupled Resonant Wire-less Power Transmission，MCR-WPT)技術(shù)與電磁感應(yīng)式相比傳輸距離遠(yuǎn),，傳輸效率高,，且對橫向偏移的適應(yīng)性更強，更加適合應(yīng)用于電動汽車^[3],。日本東京大學(xué)設(shè)計了基于MCR-WPT技術(shù)的EV無線充電裝置,，傳輸功率為1 kW，距離為30 cm,，效率約為88%^[4],。由于該技術(shù)研究尚不成熟，在實際應(yīng)用中還存在很大的困難,。其中一個關(guān)鍵因素是線圈參數(shù)的設(shè)計,。線圈作為該技術(shù)的核心部件，其參數(shù)的大小對系統(tǒng)的輸出功率,、傳輸效率及傳輸距離具有至關(guān)重要的影響,。合理的線圈參數(shù)設(shè)計，能夠充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢,，實現(xiàn)系統(tǒng)大功率,、高效率的傳輸,，因此對線圈參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

    本文對基于磁耦合諧振式的電動汽車無線充電技術(shù)進(jìn)行介紹和研究,。首先介紹了MCR-WPT技術(shù)的工作原理,，用等效電路理論對系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。其次介紹了基于MCR-WPT技術(shù)的EV無線充電裝置,，并仿真分析了線圈參數(shù)對系統(tǒng)傳輸性能的影響規(guī)律,，在此基礎(chǔ)上描述了線圈參數(shù)的設(shè)計過程。為EV無線充電系統(tǒng)線圈參數(shù)的設(shè)計提供了依據(jù),。

1 MCR-WPT技術(shù)原理與基本理論

1.1 MCR-WPT技術(shù)原理

    MCR-WPT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為圖1,。磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)主要由高頻電源、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),、發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載驅(qū)動電路等組成,。該技術(shù)主要是利用近場區(qū)的非輻射理論,，使能量在具有相同諧振頻率的物體之間周期性地來回傳遞，而不同共振頻率的物體基本不受影響,，因此可實現(xiàn)高效的能量傳輸,。磁耦合諧振式WPT的具體工作原理是：高頻電源向發(fā)射天線輸出高頻交變電流，經(jīng)過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將能量傳遞給發(fā)射線圈,。發(fā)射線圈在高頻交變電流的作用下發(fā)生諧振,，產(chǎn)生高頻電磁場。當(dāng)合理設(shè)置收發(fā)線圈的參數(shù)時,，接收線圈也發(fā)生共振,，產(chǎn)生同頻共振的電磁場，形成能量接收通道,，繼而接收能量,，接收到的電能經(jīng)過負(fù)載驅(qū)動電路處理后便可以給負(fù)載供電，從而實現(xiàn)無線輸電^[5],。

1.2 MCR-WPT系統(tǒng)等效電路理論

    忽略電源內(nèi)阻,、趨膚效應(yīng)和毗鄰效應(yīng)的影響，得到簡化的兩線圈等效電路模型如圖2所示,。

    圖中,， L₁，L₂,，C₁,，C₂，R₁,，R₂分別為發(fā)射線圈和接收線圈的等效電感,、諧振電容和等效電阻,。I₁，I₂分別為發(fā)射線圈和接收線圈中的電流,，M為兩線圈間的互感,，D為兩線圈間的距離，R_L為等效負(fù)載,，U_S為高頻電源,。由系統(tǒng)等效電路圖根據(jù)基爾霍夫電壓定律可建立關(guān)系式(1)：

    式中，Z₁,，Z₂分別為發(fā)射線圈與接收線圈回路的阻抗,，由式(1)可得系統(tǒng)的輸出功率P，輸入功率P_S與傳輸效率η的計算表達(dá)式為式(2)：

    當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈同時發(fā)生諧振時,，系統(tǒng)的功率和效率才最大[6],，此時Z₁=R₁，Z₂=R₂+R_L,。

2 EV無線充電原理

    基于MCR-WPT的EV無線充電的結(jié)構(gòu)圖圖如圖3所示,。該裝置由電網(wǎng)、發(fā)射裝置,、接收裝置和負(fù)載等組成,。在實際應(yīng)用中，常將發(fā)射線圈置于地面下,，接收裝置安裝在汽車底盤下面,，當(dāng)電動汽車停在固定區(qū)域內(nèi)便可對其進(jìn)行無線充電。

    基于MCR-WPT的EV無線充電的原理圖如圖4所示,。充電原理是：從電網(wǎng)傳輸進(jìn)來的交流電由整流濾波電路濾去干擾信號后變成直流電,，再經(jīng)過振蕩器變換成需要的高頻交流電，接著經(jīng)過功率放大器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將能量傳遞給發(fā)射線圈,；接收線圈通過耦合諧振作用從發(fā)射線圈吸收能量,，在接收端產(chǎn)生高頻交流電，經(jīng)過整流濾波電路變換成直流電,，而后經(jīng)過電池充電裝置進(jìn)行電流電壓變換進(jìn)而給車載電池系統(tǒng)充電,。由圖4可知：EV無線充電技術(shù)的核心部件為收發(fā)線圈，收發(fā)線圈參數(shù)設(shè)計的合理與否對提高系統(tǒng)的功率和效率具有重要意義,。

3 EV無線充電系統(tǒng)線圈設(shè)計

    目前,，在MCR-WPT系統(tǒng)中，常用的線圈結(jié)構(gòu)類型有：平面螺旋型和圓柱螺旋管型,。其中,，平面螺旋線圈的耦合系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)都較高，更加適合無線電能傳輸[7],，而且平面螺旋線圈安置在底盤下面更加方便,，所以本次研究中采用平面螺旋線圈,。平面螺旋線圈的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    圖中D_max為線圈最大外徑,，D_min為線圈最小內(nèi)徑,，N為線圈匝數(shù)，S為線圈匝間距,，W為導(dǎo)線直徑,。平面螺旋線圈的性能參數(shù)計算公式為式(3)^[8]：

式中，L是平面螺旋線圈的電感,，R為線圈的等效電阻,，R₀為等效歐姆電阻，R_a為等效輻射電阻,，Q為線圈的品質(zhì)因數(shù),。σ為導(dǎo)線的電導(dǎo)率，μ₀為真空中的磁導(dǎo)率,，r_avg是線圈平均半徑,，β是線圈的填充率，a是導(dǎo)線線徑,，ω為系統(tǒng)角頻率,。

    同軸放置的兩線圈間互感的計算方法為式(4)[8]：

    EV充電功率不僅受到電池容量的限制,，還受到充電設(shè)施功率等級的限制^[9],。美國汽車工程協(xié)會(Society of Automotive Engineers，SAE)根據(jù)EV充電系統(tǒng)對充電功率的要求,，制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),。如SAE J1772-2001將充電設(shè)施分為AC120V/12A、AC240V/32A,、DC600V/400A三個等級^[10],。本文針對AC120V/12A這一功率等級對系統(tǒng)設(shè)計。

    MCR-WPT系統(tǒng)的工作頻率為1~50 MHz^[11],，受到工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)(Industrial Scientific Medical,，ISM)頻段的影響，工作頻率多為13.56 MHz^[12],。在f=13.56 MHz,，U_s=120 V，D=0.3 m的條件下,，選取銅線作為材料,，線圈繞制導(dǎo)線線徑根據(jù)導(dǎo)線所能承受的最大電流值取4 mm。選取線圈匝數(shù)為1~30,，平均半徑為0~0.4 m,，間隔為0.01 m的參數(shù)范圍用MATLAB進(jìn)行仿真,，得到線圈參數(shù)與系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率的關(guān)系,，分別如圖6,、圖7所示。

    由圖6可知：在r_avg為0~0.08 m的范圍內(nèi),，輸出功率隨著線圈匝數(shù)的增加先增加后減?。辉趓_avg為0.08~0.4 m的范圍內(nèi),，輸出功率隨著線圈匝數(shù)的增加先減小后增加而后又減小,。輸出功率隨著平均半徑的增加表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。由圖7可知：傳輸效率隨著線圈匝數(shù),、平均半徑的增加均是先增加后減小,。即在一定范圍內(nèi)存在最佳匝數(shù)和平均半徑分別使系統(tǒng)輸出功率和傳輸效率達(dá)到最大。由于線圈匝數(shù)和平均半徑的變化范圍較大,，為了兼顧輸出功率和傳輸效率,，并能夠反應(yīng)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，只列出其中的部分?jǐn)?shù)據(jù),，便于線圈參數(shù)的篩選,，如表1、表2所示,。

    根據(jù)設(shè)計要求：傳輸功率為1.44 kW,，效率不低于90%，結(jié)合表1,、表2數(shù)據(jù)可知符合要求的參數(shù)有：(1)N=15,，r_avg=0.05 m；(2)N=16,，r_avg=0.05 m,；(3)N=11，r_avg=0.06 m,； (4)N=5,，r_avg=0.09 m；(5)N=3,，r_avg=0.12 m,。結(jié)合系統(tǒng)的損耗、傳輸效率,、安全性及成本等因素,，最終選擇線圈參數(shù)為：N=3，r_avg=0.12 m,。根據(jù)線圈參數(shù)對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行計算,，可得表3,。

    通過比較表中數(shù)據(jù)U_L、I₂與選取的設(shè)計功率等級AC120V/10A可知：設(shè)計的參數(shù)可以滿足系統(tǒng)的需求,，效率可以達(dá)到96.32%,。由于在本次設(shè)計中忽略了線圈在高頻下趨膚效應(yīng)和毗鄰效應(yīng)的影響，導(dǎo)致理論計算的結(jié)果略微偏大,。

    根據(jù)線圈各參數(shù)間的關(guān)系,，考慮線圈匝間絕緣、空氣擊穿電壓等因素并結(jié)合線圈的總體尺寸確定匝間距為10 mm,，最終確定線圈參數(shù)如表4所示,。

4 仿真驗證

    由表4中的線圈參數(shù)，在工作頻率為13.56 MHz,，傳輸距離為0.3 m的條件下,，對兩線圈的性能參數(shù)進(jìn)行計算可得表5。

    表5中,，L,、C、R,、M及k分別為兩線圈的電感,、諧振補償電容、內(nèi)阻,、兩線圈間的互感及耦合系數(shù),。由此用Pspice搭建仿真電路模型如圖8所示。

    在圖8中,，標(biāo)定V₁上端為in,，R_L上端為out,。由圖8對電路進(jìn)行暫態(tài)分析,，通過分別捕獲V_in和V_out兩點電位可以得到高頻信號源的輸出電壓及負(fù)載的電壓波形。為了能夠比較清晰準(zhǔn)確地顯示結(jié)果,，設(shè)置時間長度為0.8 μs,，最大掃描步長為1 ns，最終結(jié)果如圖9所示,。

    圖9中,，正方形標(biāo)記的是系統(tǒng)的輸出電壓波形，乘號標(biāo)記的是輸入電壓波形,。由圖9可知,，輸出電壓的峰值為178.43 V，有效值為126.17 V,，與表3中計算得到U_L=126.39 V基本上相等,。輸入電壓的峰值為169.72 V,，有效值為120 V。負(fù)載兩端電壓與電源電壓相位相差90°,，這是因為由式(1)可得I1與I2相位相差90°,，當(dāng)系統(tǒng)工作在共振狀態(tài)時，V_in與I₁同相,，V_out與I₂同相,，因此V_in與V_out相位相差90°，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果比較吻合,。

    分別對圖8中的I_in和I_out進(jìn)行捕獲,，可得到發(fā)射回路和接收回路的電流波形，結(jié)果如圖10所示,。

    圖10中,，正方形和加號標(biāo)記的分別是發(fā)射回路和接收回路電流的波形。由圖10可知,，發(fā)射回路電流與圖9中高頻電源電壓的相位相同,，說明系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)；與接收回路的電流相位相差90°,，與理論分析結(jié)果一致,。發(fā)射回路與接收回路電流的峰值分別為19.83 A和17.84 A，有效值分別為14.02 A和12.61 A,，仿真結(jié)果與理論計算值基本吻合,。

    結(jié)合圖9和圖10對系統(tǒng)的輸入功率和輸出功率仿真分析，得到結(jié)果如圖11所示,。正方形和乘號標(biāo)記的分別為系統(tǒng)輸出功率和輸入功率的波形,。由圖9可知，系統(tǒng)輸入功率的峰值為3.308 kW,，有效值為1.65 kW,；輸出功率的峰值為3.184 kW，有效值為1.59 kW,，系統(tǒng)的傳輸效率為96.25%,，與表3中的計算結(jié)果基本上保持一致。

    由仿真結(jié)果可知：設(shè)計的線圈參數(shù)在系統(tǒng)正常工作時,，負(fù)載兩端的電壓,、收發(fā)回路電流及系統(tǒng)的輸入、輸出功率從相位到幅值均與理論計算結(jié)果比較吻合,，設(shè)計的線圈參數(shù)能夠較好地滿足系統(tǒng)的傳輸性能,，表明設(shè)計方法的可行性。

5 總結(jié)

    MCR-WPT技術(shù)的中等距離傳輸能力使其更加適用于EV的無線充電。利用等效電路理論對系統(tǒng)進(jìn)行建模分析,，并對基于MCR-WPT技術(shù)的EV無線充電原理進(jìn)行了介紹,。通過分析線圈參數(shù)對系統(tǒng)傳輸性能的影響，在傳輸距離為0.3 m時,，設(shè)計了能實現(xiàn)AC120V/12A功率等級的EV無線能量傳輸系統(tǒng)的線圈參數(shù),，傳輸效率可達(dá)到96%。最后通過Pspice仿真證明了設(shè)計參數(shù)的有效性,，對線圈參數(shù)的設(shè)計有一定的參考意義,。

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作者信息:

張  鑫,，賈二炬,，范興明

(桂林電子科技大學(xué) 電氣工程及其自動化系，廣西 桂林541004)