磁耦合諧振式的電動汽車無線充電系統研究

李小磊，秦會斌

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州310000）

0 引 言

近年來，無線充電技術一直是相關研究人員關注的熱點課題，隨著研究的深入，無線充電技術已經在醫療器械、家用電器、電動汽車以及高鐵列車等領域得到了應用與發展，并取得了初步的成果。現如今，新能源汽車（EV）以其高效、節能、零排放等優點得到了政府的大力支持和企業的高度重視，EV也將成為未來汽車行業發展的趨勢。

目前給電動汽車充電的方式主要有兩種：即有線充電和無線充電。傳統的有線充電方式靈活性較差，對充電接口容易產生磨損，會導致電火花的產生，安全性低。無線充電技術的使用可以有效地避免以上缺點，使得電動汽車的充電方式有了新的選擇。本文在比較了不同種無線充電方式的基礎上，設計了一套基于磁耦合諧振式的電動汽車無線充電方案，磁耦合諧振頻率為30 kHz，并實現了30 cm傳輸距離的1 kW以上的電能傳輸，且計算系統傳輸效率達82%以上。

1 無線充電方式比較

無線充電技術（Wireless charging technology）源于無線電能傳輸技術，是指利用電磁感應原理，在充電器和用電裝置之間通過磁場進行能量傳輸，無需用到電導線，根據傳輸原理主要分為三種：電磁感應耦合式無線充電技術、磁耦合諧振式無線充電技術和微波輻射式無線充電技術。磁耦合諧振式無線充電技術憑借著其傳輸距離適中、傳輸功率大、橫向偏移錯位適應性好，是目前在電動汽車領域最被看好的一種無線充電方式，具有非常廣闊的應用前景，將其用做電動汽車無線充電方式是非常值得研究的。

2 系統總體方案

基于磁耦合諧振式無線充電系統由整流濾波電路、全橋逆變電路、驅動電路、控制電路、信號反饋互感器、諧振電容、發射線圈、接收線圈以及負載組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 磁耦合諧振式無線充電系統框圖

其中，220 V市電輸入經過整流濾波得到直流電壓，再經過全橋逆變電路為發射線圈提供特定頻率的交流電，發射線圈和接收線圈分別與諧振電容構成兩個LC諧振電路，通過設計兩線圈的物理參數和諧振電容值，使得兩線圈的固有頻率等于系統工作頻率，系統工作在諧振狀態，發射線圈和接收線圈發生磁場耦合共振，產生高頻交變磁場，交變的磁場輻射到接收線圈，從而產生感應電流，實現了能量的無線傳輸。

驅動電路將控制電路傳來的信號進行放大，使其具有足夠大的功率來驅動全橋工作，從而產生高頻交流電。在初級線圈添加信號反饋互感器，截取初級線圈的頻率，經過一系列的處理之后得到與初級線圈頻率相同的信號，再用這個信號去控制全橋，完成了自激。同時，設計了過流保護電路，當電流過大時，使全橋截止，保證整個系統處于正常運行的狀態。

控制電路是整個電路的核心部分，本設計采用一系列邏輯器件來實現對系統工作的控制。它由限幅電路和過零檢測、滅弧電路、啟動與停止電路和過流保護電路組成，其框圖如圖2所示。

圖2 控制電路框圖

過流保護電路、限幅電路和過零檢測接收來自初級線圈的反饋信號，并與滅弧電路通過一系列邏輯器件連接，其輸出的信號通過啟動與停止電路控制著全橋的工作，保證全橋工作在軟開關狀態。

3 電動車無線充電線圈設計

線圈的材料、幾何形狀、匝數、尺寸以及兩線圈的位置都影響著其耦合系數的大小，從而影響傳輸效率。本設計中采用內阻和電導率都比較小的銅管作為線圈繞制材料，由于平面螺旋式線圈的耦合系數與品質因數都比較高，而且線圈需要安裝在電動汽車地盤上，不能占用太大體積，所以本設計中采用平面螺旋式線圈。

單匝線圈的形狀如圖3所示，在高頻電流的作用下，其等效電路模型主要是由自感、寄生電阻和分布電容組成。

圖3 單匝線圈模型及等效電路模型

假設線圈的半徑為r，匝數為N，線半徑為a，流過線圈的交流電角頻率為ω，發射線圈與接收線圈具有相同的參數。線圈電感L的計算公式為：

式中，μ0＝4π×10－7N·A－2為真空磁導率。

在高頻電路中，線圈的分布電容不可以被忽略，它影響著線圈的整體阻抗。分布電容不僅取決于頻率，還受線圈匝數以及匝間距的影響。如果只考慮相鄰兩匝線圈之間的分布電容，對于N匝線圈來說，相當于將N－1個分布電容進行串聯，在高頻狀態下匝間分布電容的計算公式為：

式中，σ、D分別為線圈的電導率和匝距，ω為系統角頻率，當ω＞1／2σμ0a2時，上式成立。由上式可以看出，線圈匝數越少，半徑越大，且相鄰兩線圈匝距越小則分布電容越大。

知道線圈電感和分布電容之后，我們就可以得到線圈的自諧振頻率為：

當系統達到諧振狀態時，線圈的諧振頻率應該與系統的工作頻率相等，所以我們在發射線圈和接收線圈添加諧振電容，使系統工作在諧振狀態。

線圈的寄生電阻，它是由歐姆電阻和輻射電阻組成。它們的表達式為：

式中，R0為歐姆電阻，Rr為輻射電阻，λ為電磁波波長，λ＝c／f，c為光速，f為電磁波的頻率。

互感值的大小直接表明兩線圈的耦合關系，我們可以通過兩線圈之間的磁通量并結合畢奧薩伐爾法則計算得到。假設兩線圈完全相同，同軸放置，線圈半徑為r，兩線圈間距為d，則兩線圈之間的互感為：

在磁耦合諧振式無線電能傳輸系統中，線圈的損耗電阻主要是由歐姆損耗電阻R0和輻射損耗電阻Rr組成，而Rr＜＜R0，即可以忽略線圈輻射損耗，兩線圈采用完全相同的參數，則線圈電阻R1＝R2≈R0，忽略電源內阻Ra，傳輸系統的效率為：

分別將線圈半徑r和線圈匝數N 作為變量做出函數圖像，如圖4和圖5所示。

由圖4、5可以看出兩個曲線的變化趨勢相似，都是在一定范圍內，系統的傳輸效率增長的非常迅速，最高值甚至接近100%，達到最大值后便開始緩慢的降低。在實際應用中隨著線圈半徑和匝數的增大，所需要的銅線也會變多，這就導致線圈的內阻增大，電流流經線圈的損耗也會變大，導致系統的傳輸效率降低。根據實際經驗，半徑的選擇范圍一般在10～30 cm之間，匝數一般在10匝左右。

圖4 傳輸效率隨線圈半徑變化曲線

圖5 傳輸效率隨線圈匝數的變化

本實驗設計發射線圈銅管的橫截半徑為0．4 cm，線圈半徑為25 cm，匝數為11匝，發射圈和接收線圈完全相同。用自動元件分析儀對傳輸線圈的參數進行測量，系統工作頻率設置為f＝30 kHz，測得線圈電感L＝37．42μH，線圈內阻R0＝0．06Ω，則品質因數為：

4 實驗與分析

將發射線圈和接收線圈間距調整為30 cm，輸出端接上8個額定功率為200 W的燈泡，給系統上電，調節滅弧的脈寬和頻率旋鈕，當調節到一定值時，燈泡開始亮起，繼續調節旋鈕直到最大，可以觀察到8個燈泡的亮度達到很高，如圖6所示。

用示波器測得次級線圈上滅弧脈寬和頻率最大時的系統輸出波形，如圖7所示。可以觀察到輸出波形是一個振蕩的波形，輸出波形頻率即系統的諧振頻率為31 kHz。當滅弧輸出信號為高電平時，諧振電容開始充電，電壓通過LC振蕩逐漸上升，前面測得滅弧信號的最大正脈寬為114μs，也就是全橋的導通時間，從圖7（a）中可以看出輸出波形的周期為32．1μs，114／32．1≈3．6，即全橋在第四個周期之后停止工作，諧振電容開始放電，電壓逐漸降低至最小，直到下一個滅弧脈沖的到來。所以圖7（b）中兩個峰值就是一個滅弧周期。通過改變滅弧輸出信號的頻率就可以改變系統輸出電壓波形的占空比，從而改變輸出功率。

分別調整兩線圈的水平相對位置，在偏移10～30 cm時，每隔5 cm對系統進行上電測試，計算輸出功率和傳輸效率，結果如表2所示，并作出輸出功率隨水平偏移距離變化的圖像，如圖8所示。

圖7 接收線圈輸出波形

表2 系統水平偏移實驗

圖8 功率隨水平偏移的變化

圖8 清晰地反映了輸出功率隨著水平偏移距離的變化逐漸變小，在0～10 cm之間，輸出功率的減小較為緩慢，系統仍然具有良好的傳輸性能；當水平偏移距離達到15 cm時，系統輸出功率只有將近700 W。在試驗過程中，此時燈泡已經不能點亮。實驗結果表明磁耦合諧振式無線充電技術具有一定的抗錯位能力。

5 結束語

本文通過對幾種常見的無線充電方式比較，最終選用基于磁耦合諧振式無線充電方案，設計了無線充電系統。系統的輸出功率可達1．33 kW，傳輸效率最高達到82．1%，研究了傳輸線圈的水平偏移特性，試驗結果表明系統具有一定的抗錯位能力。