電動汽車無線充電諧振耦合電路的分析

黃孫偉，王悅宇，竇汝振，趙 鋼

（1.天津理工大學 天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津 300384；2.中國汽車技術研究中心 天津300300）

電動汽車無線充電諧振耦合電路的分析

黃孫偉1，王悅宇1，竇汝振2，趙 鋼1

（1.天津理工大學 天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津 300384；2.中國汽車技術研究中心 天津300300）

電動汽車無線充電基于耦合電路的作用通過諧振器將能量由初級側傳遞到次級側，實現能量的無線傳輸，是研究無線充電系統的關鍵技術之一，其傳輸效率受到多個因素的影響。整體的工作效率是繞組結構、耦合效果、工作頻率等共同作用的結果，而傳輸距離的長短也會直接影響傳輸效率。本文圍繞無線電能傳輸系統的距離特性展開分析，研究距離對電路傳輸特性的影響。本實驗最后得到的傳輸效率為72％，傳輸距離為12 cm，完全印證了無線充電諧振耦合理論的分析。

無線充電；諧振耦合電路；距離特性；傳輸效率

隨著全球電動汽車保有量的增加，電動汽車越來越受到關注，而其充電方式也是制約其發展的關鍵技術之一。現行的充電方式主要有充電樁和換電站。建設充電樁或換電站不僅需要消耗巨大的人力、物力成本，而且裸露的導體還易產生電火花不僅存在安全隱患，還占據大量空間。與有線充電相比，無線充電方式靈活，不受空間與位置限制，能夠安全、快捷地對電動汽車進行充電，它彌補了傳統充電方式在適應性與自主充電方面的不足。

現有的無線充電主要有感應耦合式、磁耦合諧振式、還有無線電波式［1］，文中在結合無線充電國內外發展現狀結合電動汽車充電特點的基礎上，通過研究磁耦合諧振式無線充電技術實現能量的無線傳輸。

1　無線電能傳輸距離特性分析

磁耦合諧振式無線電能傳輸的關鍵技術在于發射系統和接收系統。發射系統由勵磁繞組和發射繞組組成［2］，它們之間是通過直接耦合關系把能量從勵磁繞組傳到發射繞組。接收系統由接收繞組和負載繞組組成，他們之間同樣也是通過直接耦合關系把能量從接受繞組傳到負載繞組。發射繞組和接收繞組之間通過磁場的諧振耦合實現能量的無線傳輸［3］。其等效電路模型如圖1所示，勵磁繞組由激勵源和單匝線圈組成，負載繞組由單匝線圈和負載組成，發射繞組和接收繞組全都是由多匝線圈組成。

圖1中激勵源內阻為Rs，負載內阻為RL，L1、C1、RP1分別為勵磁繞組的等效電感、等效電容、和由于趨膚效應等因素產生的損耗內阻和輻射電阻之和［4］。L2、C2、RP2分別為發射繞組的等效電感、等效電容、和由于趨膚效應等因素產生的損耗內阻和輻射電阻之和；L3、C3、RP3分別為接收繞組的等效電感、等效電容、和由于趨膚效應等因素產生的損耗內阻和輻射電阻之和；L4、C4、RP4分別為負載繞組的等效電感、等效電容、和由于趨膚效應等因素產生的損耗內阻和輻射電阻之和。為了分析問題的方便，將勵磁繞組的電路反射到發射繞，相當于發射繞組中加入了一個感應電動勢；而將負載繞組反射到接收繞組相當于接收繞組增加了一個反射阻抗，其等效電路如圖2所示，US、R1分別為勵磁繞組等效到發射繞組的感應電動勢和阻抗［5］；RL為負載繞組反射到接收繞組的等效阻抗；R2、R3分別為發射繞組、接收繞組的損耗電阻和輻射電阻之和。

圖1　無線電能傳輸系統等效電路模型圖

圖2　無線電能傳輸系統簡化電路模型圖

設流過發射繞組和接收繞組的電流分別為I1、I2，這里選用負載阻抗和激勵源內阻相同的數值，假定它們的耦合系數相同，那么它們的反射阻抗也必然相同，即R1=R4。因為發射繞組和接收繞組結構相同，所以R2=R3，L2=L3，C2=C3。為了便于分析，這里令R1+R2=R3+R4=R；L2=L3=L；C2=C3=C；M23=M。

那么接收繞組歸一化電壓為

由歸一化電壓α與失諧因子ξ和耦合因數λ的關系可知［6］:

1）在λ＞1處存在頻率分裂現象，隨著耦合因數λ的減小，頻率分裂也減小并收斂在諧振頻率點處，在該點λ=1，一般稱之為臨界耦合現象。

2）在λ＞1處，雖然存在頻率分裂現象，但不管在哪個諧振頻率處，系統均能實現最大傳輸效率；耦合因數大于臨界耦合我們稱之為過耦合現象。

3）在λ＜1處，耦合因數小于臨界耦合我們稱之為欠耦合現象，在欠耦合范圍下系統傳輸效率急劇下降。

2　實驗分析

為了驗證距離傳輸特性的，本實驗初級側采用安特倫的信號發生器，采用VP-P=20的正弦電壓搭建相關實驗平臺，采集有關數據，進行相關驗證。

通過信號發生器發出高頻的信號傳輸給發射線圈，發射線圈和接收線圈之間通過諧振耦合傳輸能量，接收線圈端接收信號并通過示波器顯示出來，通過示波器觀測波形。如圖3、4所示。

圖3　發射線圈、接收線圈示意圖

圖4　最佳諧振點處傳輸電能的波形圖

圖5　整個傳輸過程的實物圖

3　結　論

該系統采用了信號發生器作為發射源，通過兩個線圈進行能量的傳輸，通過示波器觀測傳輸效率。由實驗數據可知，本系統的傳輸效率為72％左右，傳輸距離為12 cm，并且在中間放上阻擋物并沒有影響傳輸效率。因此驗證了諧振耦合傳輸能量并不受位置、阻隔物等的影響。通過實驗數據可知，此套設備完全驗證了理論分析，再此基礎上增大或減小距離，傳輸效率都有所下降，也印證了在諧振耦合傳輸過程中存在頻率分裂現象。由此也印證了該系統的可行性，達到設計要求。

［1］鄧亞峰.無線供電技術［M］.北京：冶金工業出版社，2013.

［2］傅文珍，張波，丘東元，等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸的最大效率分析與設計［J］.中國電機工程學報，2009，（18）:21-26.

［3］周詩杰.無線電能傳輸系統能量建模及其應用［D］.重慶：重慶大學，2012.

［4］陳文.無線能量傳輸技術的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學深圳研究生院，2011.

［5］李聞先 基于磁耦合共振技術無線能量傳輸系統的實驗研究［D］.長春：吉林大學，2013.

［6］Qingxin Yang，Guizhi Xu，Jianqiang Jin，et al.Optimal design of energy transmission system for implantable device base on WiTricity，Electromagnetic Field Computation（CEFC），2010 14th Biennial IEEE Conference，201（1）:9-12.

Wireless charging resonance coupling circuit of the distance characteristics of the analysis

HUANG Sun-wei1，WANG Yue-yu1，DOU Ru-zhen2，ZHAO Gang1
（1.Tianjin University of Technology，Tianjin Key Laboratory of Control Theory＆amp;Applications in Complicated Systems，Tianjin 300384，China；2.China Automotive Technology＆amp;Research Center，Tianjin 300300，China）

Wireless charging is the main purpose of coupled circuit through the resonator transfer energy from the primary side to the secondary side，realize the wireless transmission of energy，is one of the key technology research system，the transmission efficiency is restricted by multiple factors，and the overall efficiency is winding structure，the coupling effect，together with the working frequency，etc.However the transmission distance of increase or decrease will directly affect the transfer efficiency.By analyzing the distance characteristics of wireless charging system in this paper to explore the influencing factors of the distance of circuit transmission characteristics.This experiment finally get transmission efficiency of 72％，transmission distance of 12 cm，fully demonstrated the wireless charging resonance coupling theory analysis.

wireless charging；resonance coupling circuit；distance character；transmission efficiency

TM72

A

1674－6236（2016）16-0149-02

2015-10-25稿件編號：201508013

黃孫偉（1962—），男，天津人，副教授。研究方向：電力電子與電氣傳動。