0 引言

    2009年我國(guó)汽車銷量達(dá)到1 364萬(wàn)輛,，同比增長(zhǎng)46%，首次超過美國(guó)，成世界第一大新車市場(chǎng),。汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,，在方便人類生活的同時(shí)，也會(huì)給環(huán)境和能源帶來(lái)巨大的壓力,。電動(dòng)汽車(Electric Vehicle,，EV)可以很好地解決機(jī)動(dòng)車污染排放和能源短缺問題，是我國(guó)戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè),。早在“十五”期間,，我國(guó)啟動(dòng)了“863”計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，建立了“三縱三橫”的開發(fā)布局,。2010年6月,，國(guó)家四部出臺(tái)了《關(guān)于開展私人購(gòu)買新能源汽車補(bǔ)貼試點(diǎn)的通知》，在5個(gè)試點(diǎn)城市對(duì)私人購(gòu)買新能源汽車進(jìn)行不同程度的補(bǔ)貼,。我國(guó)政府的積極態(tài)度表明電動(dòng)汽車是未來(lái)社會(huì)發(fā)展的方向,。

    目前充電方式分為兩大類：有線充電和無(wú)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(shí)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(shí)現(xiàn)大功率能量傳輸,，但傳輸距離過短,，同時(shí)汽車停車位置出現(xiàn)的微量橫向偏移也會(huì)很大程度上降低系統(tǒng)的傳輸效率^[2]。磁耦合諧振式無(wú)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(duì)橫向偏移的適應(yīng)性更強(qiáng),，更加適合應(yīng)用于電動(dòng)汽車^[3],。日本東京大學(xué)設(shè)計(jì)了基于MCR-WPT技術(shù)的EV無(wú)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(shí)際應(yīng)用中還存在很大的困難,。其中一個(gè)關(guān)鍵因素是線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)。線圈作為該技術(shù)的核心部件,，其參數(shù)的大小對(duì)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(jì)，能夠充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì),，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大功率,、高效率的傳輸，因此對(duì)線圈參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義,。

    本文對(duì)基于磁耦合諧振式的電動(dòng)汽車無(wú)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(duì)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(wú)線充電裝置，并仿真分析了線圈參數(shù)對(duì)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(jì)過程,。為EV無(wú)線充電系統(tǒng)線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)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(dòng)電路等組成,。該技術(shù)主要是利用近場(chǎng)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(lái)回傳遞,，而不同共振頻率的物體基本不受影響,，因此可實(shí)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(chǎng),。當(dāng)合理設(shè)置收發(fā)線圈的參數(shù)時(shí),，接收線圈也發(fā)生共振，產(chǎn)生同頻共振的電磁場(chǎng),，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(dòng)電路處理后便可以給負(fù)載供電,，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jiǎn)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(jì)算表達(dá)式為式(2)：

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

2 EV無(wú)線充電原理

    基于MCR-WPT的EV無(wú)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(shí)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(dòng)汽車停在固定區(qū)域內(nèi)便可對(duì)其進(jìn)行無(wú)線充電,。

    基于MCR-WPT的EV無(wú)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(lái)的交流電由整流濾波電路濾去干擾信號(hào)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(wú)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(jì)的合理與否對(duì)提高系統(tǒng)的功率和效率具有重要意義,。

3 EV無(wú)線充電系統(tǒng)線圈設(shè)計(jì)

    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(wú)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(jì)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(jì)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(jí)的限制^[9]。美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)(Society of Automotive Engineers,，SAE)根據(jù)EV充電系統(tǒng)對(duì)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(gè)等級(jí)^[10]。本文針對(duì)AC120V/12A這一功率等級(jí)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì),。

    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)的增加先增加后減小,；在r_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(shì),。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(jì)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(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)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(jì)功率等級(jí)AC120V/10A可知：設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(yàn)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(duì)兩線圈的性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)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(bǔ)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(duì)電路進(jìn)行暫態(tài)分析，通過分別捕獲V_in和V_out兩點(diǎn)電位可以得到高頻信號(hào)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(shí)間長(zhǎng)度為0.8 μs，最大掃描步長(zhǎng)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(hào)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(jì)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?yàn)橛墒?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(shí),，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(duì)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(hào)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(shuō)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(jì)算值基本吻合。

    結(jié)合圖9和圖10對(duì)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(hào)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(jì)算結(jié)果基本上保持一致,。

    由仿真結(jié)果可知：設(shè)計(jì)的線圈參數(shù)在系統(tǒng)正常工作時(shí),，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(jì)算結(jié)果比較吻合,，設(shè)計(jì)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(jì)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(wú)線充電,。利用等效電路理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析,，并對(duì)基于MCR-WPT技術(shù)的EV無(wú)線充電原理進(jìn)行了介紹。通過分析線圈參數(shù)對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響,，在傳輸距離為0.3 m時(shí),，設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)AC120V/12A功率等級(jí)的EV無(wú)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(jì)參數(shù)的有效性,，對(duì)線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹玲玲,，陳乾宏,，任小永，等.電動(dòng)汽車高效率無(wú)線充電技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),，2012,，27(8)：1-13.

[2] 范興明，莫小勇,，張?chǎng)?無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),，2015，35(10)：2584- 2600.

[3] Imura T,，Uchida T,，Hori Y.Flexibility of contactless power transfer using magnetic resonance coupling to air gap and misalignment for EV[J].World Electric Vehicle Journal，2009(3)：1-10.

[4] Shinohara N.Wireless power transmission progress for electric vehicle in Japan[C]//2013 IEEE Radio and Wireless Symposium(RWS).Austin,，USA：IEEE,，2013：109-111．

[5] 范興明，莫小勇,，張?chǎng)危篷詈现C振無(wú)線電能傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀與應(yīng)用[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013,，28(12)：75-82．

[6] 傅文珍,，張波，丘東元,，等.自諧振線圈耦合式電能無(wú)線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),，2009，29(18)：21-26.

[7] Ishizaki T,，Komori T,，Ishida T，et al.Comparative study of coil resonators for wireless power transfer system in terms of transfer loss[J].IECE Electronics Express,，2011,，7(11)：785-790.

[8] 譚林林,，黃學(xué)良，趙俊峰,，等.一種無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的盤式諧振器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),，2013，28(8)：1-6.

[9] 田立亭,，史雙龍,，賈卓．電動(dòng)汽車充電功率需求的統(tǒng)計(jì)學(xué)建模方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010,，34(11)：126-130.

[10] SAE J1772-2001.SAE electric vehicle conductive charge coupler[S].2001.

[11] KURS A,，Karalis A，Moffatt R,，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science,，2007，317(5834)：83-86.

[12] Beh T C,，Imura T,，Kato M，et al.Basic study of improving efficiency of wireless power transfer via magnetic resonance coupling based on impedance matching[C]//2010 IEEE International Symposium on Industrial Electronics(ISIE).Bari：IEEE,，2010：2011-2016.

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(dòng)化系,，廣西 桂林541004)