磁耦合諧振式電動汽車無線充電技術(shù)耦合線圈抗偏性設(shè)計

王 鑫，趙煒華，衛(wèi)軍朝

（西安航空學院 車輛工程學院，陜西 西安 710077）

0 引言

伴隨新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電動汽車保有量不斷增加，受充電便捷性和安全性的影響，電動汽車傳統(tǒng)有線充電方式已難以滿足人們的出行需求。近年來，無線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transmission，WPT）已成為新能源汽車領(lǐng)域的熱點研究課題。從便利性來看，應(yīng)用無線充電技術(shù)給電動汽車動力電池充電優(yōu)勢更加明顯，從使用性來看，非接觸式無線充電技術(shù)比有線充電技術(shù)更加安全［1］。

根據(jù)電動汽車是否在行駛狀態(tài)下充電，無線電能傳輸系統(tǒng)可分為動態(tài)無線電能傳輸和靜態(tài)無線電能傳輸［2］。動態(tài)無線電能傳輸技術(shù)能夠有效減輕車載電池重量，并在電動汽車行駛狀態(tài)下進行充電，可有效緩解電動汽車駕駛員的里程焦慮問題。目前，無線電能傳輸?shù)姆绞筋愋椭饕须姶鸥袘?yīng)式、無線電波式、耦合諧振式。相比較而言，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)可以實現(xiàn)無輻射、高效率、中距離的電能傳輸［3］，在電動汽車充電領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用空間。

鑒于電動汽車動態(tài)無線充電技術(shù)的應(yīng)用價值，本文以磁耦合諧振式無線充電耦合線圈結(jié)構(gòu)類型與參數(shù)選擇設(shè)計為研究對象，通過仿真分析對比不同結(jié)構(gòu)類型耦合線圈在軸向偏移情況下的傳輸特性，并根據(jù)分析結(jié)果確定傳輸效率最佳的線圈構(gòu)型，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計。仿真結(jié)果表明，該優(yōu)化設(shè)計方案能夠有效提升磁耦合線圈的抗偏移能力。

1 動態(tài)磁耦合諧振線圈傳輸性能影響因素分析

1.1 磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)偏移影響

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)是通過發(fā)射端與接收端產(chǎn)生諧振而實現(xiàn)電能的無線傳輸。在理想情況下，發(fā)射端將電網(wǎng)的工頻交流電經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓直流電，后經(jīng)高頻逆變電路將直流電轉(zhuǎn)化為高頻交流電，并在LC 補償電路作用下實現(xiàn)對發(fā)射線圈供電，使發(fā)射線圈周圍產(chǎn)生電磁場。接收端通過LC 補償電路將接收線圈自諧振頻率調(diào)整與發(fā)射端相同，致使發(fā)射線圈與接收線圈處于諧振狀態(tài)，若接收線圈未發(fā)生偏移，此時接收線圈接收的能量達到最大［4］?？傮w組成如圖1 所示。

圖1 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)Fig.1 Magnetically coupled resonant wireless charging system

然而，在電動汽車行駛中出現(xiàn)軌跡偏移的情況下，車載接收線圈相對于發(fā)射線圈產(chǎn)生側(cè)向偏移導致線圈間的耦合作用減小，線圈的互感降低，從而引起系統(tǒng)輸出功率與傳輸效率產(chǎn)生波動［5］。但在汽車行駛過程中，受外界及駕駛員駕駛因素影響，汽車行駛軌跡偏移現(xiàn)象難以避免。因此，提升磁耦合諧振線圈的抗偏特性是實現(xiàn)電動汽車動態(tài)諧振無線充電技術(shù)實用化的關(guān)鍵點。

1.2 無線充電諧振電路耦合線圈抗偏因素分析

由于無線充電諧振電路中串聯(lián)-串聯(lián)電路在輸出功率與傳輸效率上具有明顯優(yōu)勢，因此，本文主要以串聯(lián)-串聯(lián)諧振電路作為主要研究對象進行理論分析，其電路模型如圖2 所示。

圖2 串聯(lián)-串聯(lián)諧振電路模型Fig.2 Series-series resonant circuit model

圖2 中，Us為交流電源；Rc為電源內(nèi)阻；Lp為發(fā)射線圈的自感；Cp為發(fā)射端的諧振電容；Rp為發(fā)射線圈的等效電阻；Ip為發(fā)射端回路電流；Ls為接收線圈的自感；Cs為接收端的諧振電容；Rs為接收線圈的等效電阻；Roc為負載；Is為接收端回路電流；M為發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感值。

通過運用基爾霍夫定理和互感原理對該諧振電路模型建立方程如下

式中：ω為交流電源的角頻率，ω=2πf，f為交流電源頻率。為便于計算與分析，在模型設(shè)計中設(shè)定發(fā)射線圈與接收線圈同軸并參數(shù)相同，即LP=Ls，且在理想下互感系數(shù)M可近似為

式中：μ0為真空磁導率；r為線圈半徑；N為線圈匝數(shù)；d為發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離。

根據(jù)戴維南定理，可得

諧振電路輸入功率Pin為

同上，輸出功率Pout為

系統(tǒng)的傳輸效率η為

當發(fā)生諧振時，電路中發(fā)射端與接收端回路中容抗和感抗相互抵消，滿足下式

由于在模型假設(shè)中有LP=Ls，即可得到

因此，結(jié)合式（4），式（5），式（7），式（8），式（11），可得

當線圈處于耦合狀態(tài)且發(fā)射線圈和接受線圈參數(shù)相同下，有

通過式（12）～式（14），再結(jié)合式（3）可以看出，串聯(lián)-串聯(lián)磁耦合諧振式無線電能傳輸電路輸出功率和傳輸效率與磁耦合線圈的互感系數(shù)和線圈電阻有直接關(guān)系，而線圈互感系數(shù)與磁耦合線圈的匝數(shù)、半徑、線圈之間距離及耦合系數(shù)等因素有關(guān)［6］。因此，在線圈側(cè)向偏移情況下，為保證無線充電諧振電路電能傳輸效率，本文的研究重點是在線圈發(fā)生側(cè)向偏移的情況下，分析不同構(gòu)型線圈的傳輸特性，并根據(jù)最佳的線圈構(gòu)型進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，以提升無線充電耦合線圈抗偏傳輸特性。

2 耦合線圈選擇及性能仿真分析

通過上節(jié)分析，耦合線圈作為能量的發(fā)送和接受裝置，其結(jié)構(gòu)直接影響無線電能傳輸系統(tǒng)的輸出性能。目前，對于電動汽車無線充電技術(shù)，在考慮電動汽車底盤布置等要求情況下，其耦合線圈普遍采用平面結(jié)構(gòu)布置類型，根據(jù)平面線圈結(jié)構(gòu)不同可分為圓形線圈、方形線圈和DD型線圈［7］。由于DD型線圈是方形線圈的衍生版，其特性與方形線圈類似，所以本文主要以平面圓形線圈與方形線圈在同等面積情況下進行互感分析。

為滿足GB/T 38775.1-2020 標準規(guī)定的電動汽車WPT1 等級要求［8］，參考轎車最小離地間隙范圍，選取線圈垂直距離15 cm，輸入功率3.5 kW，磁耦合線圈設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

表1 磁耦合線圈設(shè)計規(guī)格尺寸Tab.1 Design specifications and dimensions of magnetic coupling coil

然而在實際應(yīng)用中，為考慮車輛行駛過程中的隨機性，車輛上的接受線圈位置在行駛過程中會存在一定的徑向偏移。這種磁耦合線圈的位置偏移，會導致磁場出現(xiàn)更多的邊緣通量和磁漏，影響發(fā)射線圈和接受線圈的無線充電傳輸性能。因此，為進一步研究兩種線圈在偏移情況下耦合線圈無線充電傳輸性能，本文運用ANSYS Maxwell 和ANSYS Simplorer 建立磁耦合線圈聯(lián)合仿真模型，如圖3 和圖4 所示。

圖3 ANSYS Simplorer磁耦合線圈電路仿真模型Fig.3 ANSYS Simplorer magnetic coupling coil circuit simulation model

圖4 ANSYS Maxwell圓形及方形線圈仿真模型Fig.4 ANSYS Maxwell circular and square coil simulation model

在確定輸入條件及模擬X 軸和Z軸偏移量不變的條件下，分析磁耦合線圈在Y軸（徑向）方向偏移條件下的系統(tǒng)傳輸效率，其仿真測試方案Y軸偏移步長為10 cm，偏移范圍為0～20 cm（左右偏移類同）。具體測試方案如表2 所示，其仿真磁場分布和磁力線云圖結(jié)果如圖5～圖10所示。

表2 磁耦合線圈Y軸偏移測試方案Tab.2 Test scheme for Y-axis offset of magnetic coupling coil

圖5 圓形線圈在Y軸偏移量為0 cm的磁場分布及磁力線云圖Fig.5 Magnetic field distribution and magnetic line cloud diagram of circular coil with Y-axis offset of 0 cm

圖6 圓形線圈在Y軸偏移量為10 cm的磁場分布及磁力線云圖Fig.6 Magnetic field distribution and magnetic line cloud diagram of circular coil with Y-axis offset of 10 cm

圖7 圓形線圈在Y軸偏移量為20 cm的磁場分布及磁力線云圖Fig.7 Magnetic field distribution and magnetic line cloud diagram of circular coil with Y-axis offset of 20 cm

圖8 方形線圈在Y軸偏移量為0 cm的磁場分布及磁力線云圖Fig.8 Magnetic field distribution and magnetic line cloud diagram of square coil with Y-axis offset of 0 cm

圖9 方形線圈在Y軸偏移量為10 cm的磁場分布及磁力線云圖Fig.9 Magnetic field distribution and magnetic line cloud diagram of square coil with Y-axis offset of 10 cm

圖10 方形線圈在Y軸偏移量為20 cm的磁場分布及磁力線云圖Fig.10 Magnetic field distribution and magnetic line cloud diagram of square coil with Y-axis offset of 20 cm

通過對比圓形線圈和方形線圈在互感值、輸出電流、輸出電壓、輸出功率及傳輸效率在Y軸偏移情況下的測量參數(shù)，可以看到圓形線圈的互感值遠高于方形線圈，隨著Y軸偏移距離越大，兩種線圈的耦合系數(shù)、輸出電流、輸出電壓輸出功率及傳輸效率都呈現(xiàn)減小趨勢。雖然在偏移過程中方形線圈耦合系數(shù)、輸出電壓和電流比圓形線圈變化率要小，功率輸出穩(wěn)定性較好，但在偏移量小于20 cm 時，圓形線圈的輸出功率和傳輸效率要優(yōu)于方形線圈，如圖11 所示。

圖11 圓形線圈和方形線圈在不同偏移情況下的耦合系數(shù)、輸出功率及輸出效率的變化情況Fig.11 Changes of coupling coefficient，output power and output efficiency of circular coil and square coil under different offsets

通過仿真結(jié)果可以看出，圓形線圈即使在Y軸偏移10 cm的情況下，仍能保證接近70%的傳輸效率，其輸出功率達到了2.43 kW，遠高于方形線圈，如表3 所示。因此，本文耦合線圈在最終方案選取及優(yōu)化設(shè)計上選用圓形線圈作為設(shè)計對象。

表3 圓形及方形線圈Y軸偏移測試參數(shù)Tab.3 Y-axis offset test parameters of circular and square coils

3 耦合線圈抗偏移優(yōu)化設(shè)計

提升無線電能傳輸功率和耦合線圈傳輸效率的關(guān)鍵因素是線圈的耦合系數(shù)。由于線圈的稀疏繞線方法對耦合線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)有一定影響［9］，因此在不改變線圈匝數(shù)和尺寸參數(shù)的條件下，本文采取調(diào)整線圈間距的方法提升線圈的耦合系數(shù)。在不改變原線圈內(nèi)徑的情況下，將圓形線圈后5 扎銅線改為等減間距的纏繞方式（每扎間距減少0.2 cm）進行優(yōu)化，其優(yōu)化設(shè)計如圖12 所示。

圖12 圓形線圈優(yōu)化方設(shè)計Fig.12 Optimal design of circular coil

通過仿真分析可知，優(yōu)化線圈的耦合系數(shù)和傳輸效率在線圈未偏移的情況下達到了0.34 和85.1%，在發(fā)生10 cm 側(cè)向偏移情況下依舊能夠達到0.29 和75.8%，雖然在20 cm 側(cè)向偏移情況下也存在耦合系數(shù)和傳輸效率急劇下降的現(xiàn)象，但相較于原線圈傳輸性能在偏移情況下有了明顯提升，且耦合系數(shù)、輸出電壓和電流的變化率較優(yōu)化前也得到了有效改善。其仿真結(jié)果和效果如圖13 所示。

圖13 優(yōu)化前后線圈在不同偏移情況下的耦合系數(shù)、輸出功率及輸出效率的變化情況Fig.13 Changes of coupling coefficient，output power and output efficiency of coils before and after optimization under different offsets

由于無磁芯的耦合線圈結(jié)構(gòu)磁場空間外溢較大，能量利用率較低，因此，在優(yōu)化線圈的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，本文通過采用增加鐵芯的方法提升耦合線圈的磁場聚攏性，從而進一步加強車載無線充電線圈的傳輸功率和效率。目前耦合線圈磁芯結(jié)構(gòu)常見有I 型、U 型和E 型3 種方案。雖然E 型磁芯價格成本高于I 型和U 型磁芯，并在磁場屏蔽性能上不如U 型磁芯，但在傳輸距離和傳輸效率上要遠優(yōu)于I 型和U 型磁芯［10］，因此，本文最終采用E 型鐵氧體磁芯的線圈組合方案。磁芯中部圓柱體設(shè)計半徑為4.5 cm，圓柱體厚度與磁芯四周外邊厚度一致，設(shè)計厚度為1 cm。增加鐵芯效果如圖14 所示。通過相同Y軸偏移實驗結(jié)果分析，在鐵氧體鐵芯的作用下，優(yōu)化后的線圈耦合系數(shù)和輸出功率有顯著提升，其磁場云圖和磁力線云圖如 圖15～圖17 所示。

圖14 ANSYS Maxwell優(yōu)化圓形線圈磁芯方案Fig.14 optimization scheme of ANSYS Maxwell circular coil core

圖15 優(yōu)化圓形線圈在Y軸偏移量為0 cm的的磁場分布及磁力線云圖Fig.15 Magnetic field distribution and magnetic force line cloud diagram of optimized circular coil with Y-axis offset of 0 cm

圖16 優(yōu)化圓形線圈在Y軸偏移量為10 cm的的磁場分布及磁力線云圖Fig.16 Magnetic field distribution and magnetic force line cloud diagram of optimized circular coil with Y-axis offset of 10 cm

圖17 優(yōu)化圓形線圈在Y軸偏移量為20 cm的的磁場分布及磁力線云圖Fig.17 Magnetic field distribution and magnetic force line cloud diagram of optimized circular coil with Y-axis offset of 20 cm

通過仿真結(jié)果可知，耦合線圈優(yōu)化方案在采用了E 型鐵氧體磁芯后，耦合線圈互感值得到了較大提升。在Y軸偏移量測試中，即使當Y軸偏移量為10 cm 時，輸出功率有效值最大可達3 174.4 kW，傳輸效率達到了90.1%；即使Y軸偏移為20 cm 時，輸出功率也達到了2 996.4 kW，傳輸效率達到了85%以上，其Simplorer 仿真測試結(jié)果如圖18 所示，符合GB/T 38775.1-2020 標準規(guī)定的在偏移條件下系統(tǒng)效率不低于85%的測試要求［11］。

圖18 優(yōu)化線圈在偏移10 cm和20 cm時輸出線圈功率和電流值Fig.18 Output power and current value of optimized coil with Yaxis offset of 10 cm and 20 cm

4 結(jié)語

本文對磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)的耦合線圈抗偏性能進行研究。在根據(jù)耦合線圈的互感系數(shù)對磁耦合諧振式WPT傳輸電路輸出功率和傳輸效率有顯著影響的理論研究基礎(chǔ)上，通過建立ANSYS Maxwell和ANSYS Simplorer聯(lián)合仿真模型，對耦合線圈結(jié)構(gòu)類型和優(yōu)化設(shè)計進行仿真分析。分析得出圓形線圈在小于20 cm的偏移條件下的傳輸性能要優(yōu)于方形線圈，并且圓形線圈在采用等減間距的優(yōu)化方案后，耦合系數(shù)和傳輸效率在線圈偏移情況下有了明顯提升。為進一步提升線圈傳輸功率，在耦合線圈上增設(shè)E型鐵氧體磁芯，經(jīng)過仿真分析，當線圈Y軸偏移20 cm時，傳輸效率達到了85%以上，符合GB/T 38775.1-2020標準中偏移條件下傳輸效率測試要求。該仿真結(jié)果能夠為電動汽車磁耦合諧振式無線充電線圈設(shè)計提供一定參考依據(jù)。