基于磁耦合的電動汽車無線充電效率優化

摘 要：隨著無線充電技術的發展，電動汽車無線充電成為關注熱點，磁耦合諧振式無限電能傳輸技術在電動汽車充電領域優勢明顯。本文基于磁耦合諧振式無線電能傳輸原理，對基本拓撲電路進行優化。本文首先對四種基本補償電路進行分析，得出SS補償網絡更加適用于電動汽車的無線充電。其次對線圈耦合系數進行優化，通過調整線圈尺寸，即接收線圈的面積大于發射線圈面積，并且采用舉行線圈以及糾正相對位置實現以提高充電效率；在電路參數方面，通過對公式的分析，選定參數變量，在合理數值范圍內進行仿真，得到電阻與充電效率呈正相關的關系，并且得出了耦合系數和充電效率之間的關系曲線，通過曲線可以得出耦合系數在0.1-0.3充電效率最高。

關鍵詞：無線充電 磁耦合諧振 電動汽車 SS拓撲

1 緒論

隨著全球對環境保護和可持續發展的重視，電動汽車作為一種清潔、高效的交通工具受到了廣泛關注。電動汽車的使用減少了對化石燃料的依賴，降低了溫室氣體排放，有助于實現低碳社會的目標。然而，電動汽車的普及也帶來了新的挑戰，特別是關于充電設施的部署和充電時間的問題。傳統的有線充電方式需要占用空間，且在充電過程中存在線纜損壞和電擊風險。因此，如何高效，便捷地為電動汽車充電成為研究的重難點。

無線充電技術主要基于電磁感應或磁共振原理，能夠在無需物理連接的情況下為電動汽車提供電力。這種技術具有減少電纜損壞風險、提高充電便利性等優點，但也存在效率較低、成本較高等挑戰。盡管如此，無線充電技術的研究和開發仍在不斷進展，目的是提高其功率傳輸效率、降低系統成本，并確保與現有電動汽車技術的兼容性。

磁耦合諧振式無線充電技術是一種既高效又可靠的無線充電方式。本文基于電路理論的知識，對線圈耦合系數，相關參數發生變化時的規律進行總結并構建高效率的耦合模型，最后進行仿真得出結論。

2 電動汽車磁耦合無線充電技術的工作原理

2.1 無線充電概念

無線充電技術，也叫作無線電能傳輸技術，是不以金屬導線或其他物理介質為導體，而是基于空氣載體，對電能進行一系列變換最終實現能量傳輸的技術。無線電能傳輸技術可分為磁場耦合式、電場耦合式、超聲式、微波式和激光式等，其中磁場耦合式還可以分為磁感應式和磁共振式，這些不同的傳輸方式可實現不同距離和功率等需求的能量傳輸。無線充電技術可以廣泛應用于電子產品、電動汽車、智能家居、工業等領域。不同無線充電方式的應用場合和特點如表1所示。

2.2 電動汽車磁耦合無線充電的基本原理

電動汽車無線充電系統因其需滿足穩定性和大功率傳輸等要求，常采用諧振式無線充電技術。磁耦合諧振式無線充電技術基于磁共振原理，將發射線圈安裝在地面或者地下，接收線圈安裝在汽車底盤。高頻電能通過變頻裝置后傳輸到發送線圈，通過接收線圈與發送線圈的電磁耦合。接收線圈收到電能，并且將電能輸送經整流穩壓裝置后給電池充電，最終實現磁耦合諧振式無線充電。電動汽車磁耦合無線充電示意圖如圖1所示。

2.3 磁耦合無線充電效率分析

WPT補償網絡在無線充電技術中起到關鍵作用，它在電路中能夠起到減少能量損失和效率下降的問題。基礎的補償結構類型共有四種，分別是SS耦合，SP耦合，PS耦合，PP耦合。圖2這四種補償網絡的電路圖。

其中V1是輸入高頻交流電源，C1為原邊補償電容，C2為副邊補償電容，L1為發射線圈，L2為接收線圈，M為兩線圈之間的互感系數，R1，R2分別是原邊線圈和副邊線圈的內阻，RL為負載。

補償電容的作用是將線圈諧振頻率調整到電動汽車無線充電合適的頻率。且當補償電容的阻抗呈純阻性時，系統能夠得到最大電流和傳輸效率[1]。根據上述電路圖，可以推導得出四個電路的補償電容值如表2所示。

從表2可以看出，SS拓撲結構的原副邊補償電容與諧振頻率以及原副邊線圈感值有關。SP，PS，PP拓撲結構的補償電容不僅與線圈感值有關，而且和互感M，負載RL有關。因此對于汽車無線充電，充電的位置具有不確定性，因此為了最大程度減小其對補償電容的影響，SS拓撲結構最適合用于電動汽車無線充電。

根據以上電路圖可以列出如下KVL方程。

根據上式可以推導出一次側阻抗Z1，二次側阻抗Z2，以及二次側阻抗歸算到一次側時的等效阻抗Zr分別如下所示：

一次側電流i1如下所示：

SS補償電路在無線充電時的效率表達式為：

其中k為耦合系數，。

通常，電動汽車蓄電池的電阻在幾到幾十歐姆之間[2]。結合效率公式，我們可以得到無線充電的效率與耦合系數，線圈感值，諧振角頻率，一次側電阻和電池負載均有關系。在確定的無線充電系統下，線圈自感及線圈內阻都是定值，所以諧振角頻率也是固定值[3]。

3 磁耦合無線充電技術的改進方法和電路設計

3.1 耦合系數改善

通過上述分析，可以由公式知，電感充電效率與耦合系數相關。電感的耦合系數與線圈形狀，排列，大小有著密切聯系。在線圈的優化方面，可以適當調整線圈的尺寸使得接收線圈尺寸小于發射線圈尺寸；同時增加線圈匝數以提高線圈之間耦合性；還可以通過選取矩形線圈來調整線圈的耦合系數，使得其充電效率得到提升[4]。此外，可以提高磁芯材料的磁導率，分析磁場分布，通過計算磁場強度來選擇最適合的磁芯材料。在此基礎之上，設計有效的磁屏蔽材料和結構，減少漏磁，進一步改善耦合系數[5]。

3.2 優化參數設計

基于SS補償網絡結構的基礎上，要進一步提高充電效率，對電路的參數進行一系列變化，以此來觀察電容的充電速度并且比較得出結論。在本次實驗將SS諧振網絡中各元件參數設置如下，電源采用220V，85kHz，電感147mH，電容24μF，一次側二次側內阻均為5Ω。具體參數設置如表3所示[6]。

根據下列公式可知，電路負載阻值和耦合系數的變化影響著充電效率。

因此只需對其耦合系數和負載阻值的變化進行仿真并得出結論。

4 仿真結果和數據

4.1 耦合系數對充電效率的影響

負載電阻為30Ω保持不變，下面對耦合系數從0.1到1進行線性變化。通過仿真記錄在這些耦合系數下充電效率的變化。表4是仿真數據記錄表。其中P1，P2分別表示輸入輸出端功率。圖3為輸出功率隨耦合系數的變化圖。

由此可見，在耦合系數增大時，對效率的影響不大，但是隨著耦合系數的增大，輸出功率先增大后減小，在耦合系數為0.2左右時，輸出功率達到峰值。

4.2 負載對充電效率的影響

現設定負載的值分別為10Ω，15Ω，20Ω，25Ω，30Ω。耦合系數為0.2保持不變。表5是不同負載對應其充電效率的表格。

圖4是Multisim仿真界面。由仿真數據可知，隨著負載阻值的增大，充電效率在不斷升高，并且趨于平穩。通過上述的實驗結果表明，耦合系數在0.1-0.3時的充電效率高，輸出功率也比較大。同時，充電效率隨著負載的增加而增加，在蓄電池允許電阻范圍內，阻值越大，充電的效率越高。這對于基于SS拓撲的無線充電選參具有重要意義，基于上述結果選參能夠滿足充電效率要求高的場合。

然而本實驗還存在一定不足之處，由于條件有限，無法進行實物電路搭建實驗。此外在線圈優化方面，未通過具體的磁場分布分析來對其進行確定性分析。希望在后續的研究中可以對其展開研究并進行完善。

5 結論

本文基于電動汽車磁耦合無線充電技術原理，比較了不同充電方式的區別，并且選取了SS拓撲進行綜合分析，得出了其充電效率與耦合系數，負載阻值的關系。耦合系數的選取應當在0.1-0.3之間，耦合系數過大會導致充電效率的下降，因此在設計SS拓撲結構時，應當注意避免耦合系數過大。而負載阻值與充電效率成正相關，但是在蓄電池設計時，需要考慮發熱，便攜等其他問題，不能一味追求阻值增大，應當當綜合考慮各種因素后，盡量選取較大的負載值。

以下是基于本實驗對于未來研究的一些展望：

本研究僅僅基于四種基本拓撲中的SS拓撲作為研究重點。基于基本拓撲，還可以對多重復合拓撲展開研究以尋求更加有利于充電效率和充電功率的拓撲結構。

線圈鐵心的磁導率對無線電能的傳輸也起到關鍵作用。高磁導率材料具有更高的磁導率和更低的損耗，但是目前對于高效率材料的開發還并不成熟。后續研究可以根據磁道率特性對不同材料進行分析，還可以在此基礎上開發復合材料，得到滿足充電要求和高效率的材料，推動無線汽車充電領域不斷前進和發展。

參考文獻：

[1]劉翼.電動汽車磁耦合諧振式無線電能傳輸系統效率優化研究[D].太原：山西大學，2023：40.

[2]靳志芳.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統線圈的電磁分析與優化設計[D].北京：北京交通大學，2017：42-50.

[3]寧小磊，肖興興，高新華，等.基于SS諧振補償的電動汽車無線技術的建模和仿真分析[C]//河南省汽車工程學會.第十七屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集.鄭州宇通客車股份有限公司，2020：3.

[4]陳利亞.磁耦合諧振式電動汽車無線充電模型研究[D].南京：東南大學，2016：19-20.

[5]靳志芳.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統線圈的電磁分析與優化設計[D].北京：北京交通大學，2018：37.

[6]鄭少杰.電動汽車無線充電系統補償電路拓撲與磁耦合結構研究[D].西安：長安大學，2024：24-35.