電動汽車無線充電的磁耦合結(jié)構(gòu)綜述

鄭心城 陳 為

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電動汽車無線充電的磁耦合結(jié)構(gòu)綜述

鄭心城 陳 為

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

近年來電動汽車的無線充電技術引起業(yè)界的廣泛關注。電動汽車無線充電技術的重點和難點在于磁耦合結(jié)構(gòu)的設計，關鍵參數(shù)在于耦合系數(shù)，以及線圈偏移后的性能。本文首先簡要分析了3種最基本的磁耦合結(jié)構(gòu)的特點，在此基礎上詳細介紹了國內(nèi)外研究機構(gòu)的磁耦合結(jié)構(gòu)改進方案。最后，提出了關于磁耦合結(jié)構(gòu)設計上的考慮因素以及發(fā)展趨勢。

電動汽車；無線充電；磁耦合結(jié)構(gòu)

石油是人類生存必不可少的資源，但是石油屬于不可再生能源。面對石油消耗終端不斷增大（龐大的汽車數(shù)量）和不斷減少的石油儲量，電動汽車有替代傳統(tǒng)汽車的趨勢。推廣電動汽車的障礙在于電動汽車的充電問題。目前，電動汽車的充電方式有3種：有線充電、無線充電和更換電池方案。有線充電的技術成熟，成本低，但是面臨著雨雪天氣有觸電的危險；更換電池的方案看似完美，但是不同汽車產(chǎn)商之間的電池差異明顯，不具有普遍性；而無線充電是近年來興起的充電方式，雖然技術不夠成熟，成本高，但它具有便捷、安全的優(yōu)勢，因此引起社會的廣泛關注。

無線電能傳輸?shù)难芯靠梢宰匪莸?9世紀末，尼古拉·特斯拉就夢想著實現(xiàn)隔空傳能，但是由于技術原因未能實現(xiàn)。無線電能傳輸經(jīng)過100多年緩慢發(fā)展，直到2007年麻省理工大學的物理教授Marin Soljacic帶領的研究團隊在《Science》發(fā)表了諧振式無線電能傳輸技術的論文[1]后，引起學術界的轟動，帶來無線電能傳輸?shù)难芯繜岢?。隨之，各大企業(yè)也紛紛展開無線電能傳輸?shù)膽瞄_發(fā)，典型的比如Witricity、Evatran、Qualcomm等。

磁耦合結(jié)構(gòu)的性能是影響無線電能傳輸?shù)闹匾蛩兀壳按篷詈辖Y(jié)構(gòu)的種類繁多，但磁耦合結(jié)構(gòu)的設計基本上是圍繞著提高耦合系數(shù)為中心。

1 最基本的磁耦合結(jié)構(gòu)

僅從線圈的繞制方式可以將磁耦合結(jié)構(gòu)分為最基本的3種。分別是環(huán)形線圈，螺線管線圈和8字形線圈，其中8字形線圈也稱為DD線圈。這3種線圈各有各的特點。

環(huán)形線圈是最早采用的磁耦合結(jié)構(gòu)，其繞制方便，分析簡單。雖然環(huán)形線圈的耦合較差，但是鐵損和銅損也很小。以長方形環(huán)形線圈為例，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 長方形環(huán)形線圈

螺線管線圈屬于典型的“銅包鐵”結(jié)構(gòu)，其磁力線集中，耦合系數(shù)高。但是，高耦合系數(shù)帶來的代價是較大的銅損和鐵損。無線充電中典型的螺線管線圈如圖2所示。

8字形線圈是與環(huán)形線圈相似，由兩個環(huán)形線圈反向串聯(lián)而成，產(chǎn)生方向相反的磁場。8字形線圈的耦合系數(shù)和損耗介于環(huán)形線圈和螺線管線圈之間，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 8字形線圈

目前，所采用的磁耦合結(jié)構(gòu)大多數(shù)是通過這3種基本線圈結(jié)構(gòu)的組合、變形以及改進，實現(xiàn)高耦合系數(shù)和良好的抗偏移性能。

2 國外研究現(xiàn)狀

雖然麻省理工大學把無線電能傳輸帶入大眾的視野，然而，在無線電能傳輸?shù)膽蒙?，奧克蘭大學的研究是最具代表性的。在無線電能傳輸研究的早期，奧克蘭大學對CP（circle pad）線圈[2-3]、DD線圈（8字形線圈）[4]以及E型磁心接收線圈[5]等結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。雖然CP線圈和DD線圈作為接收側(cè)在理想情況下能夠?qū)崿F(xiàn)高效的傳輸，然而，實際中存在泊車位置偏移造成收發(fā)線圈錯位，為了實現(xiàn)同樣的功率傳輸除了采用足夠大的發(fā)射線圈外就是增加逆變器的輸入電壓，這些都是十分不經(jīng)濟的做法。而E型磁心作為接收側(cè)可以繞制多個繞組，雖然能夠提高線圈偏移后的性能，但是結(jié)構(gòu)過于笨重，不易于扁平化設計，因此并不適合于電動汽車使用。為了解決這一問題，奧克蘭大學提出了DDQ線圈結(jié)構(gòu)[6-7]，即在DD線圈的基礎上增加一個Q線圈。DD線圈和Q線圈正交，產(chǎn)生的磁場互不影響，兩線圈分別輸出，輸出電壓經(jīng)過整流后再并聯(lián)。DDQ線圈結(jié)構(gòu)和相應的電路拓撲如圖4所示。

圖4 DDQ磁耦合結(jié)構(gòu)和相應的電路拓撲

以發(fā)射線圈是DD線圈為例，如圖5所示。在接收線圈位置不發(fā)生偏移的時候，由DD線圈接收發(fā)射線圈磁場，隨著接收線圈偏移量的增加DD線圈的感應電壓在減小，Q線圈的感應電壓在增大。將DD線圈和Q線圈的輸出疊加，在線圈偏移時能夠盡可能減小輸出功率降低。

圖5 DDQ線圈接收磁場和位置偏移的關系

雖然DDQ結(jié)構(gòu)具有良好的抗偏移效果，但是DDQ結(jié)構(gòu)的用銅量較大。因此，在DD線圈的基礎上，奧克蘭大學又提出了BP線圈結(jié)構(gòu)[8-9]。BP線圈是由兩個環(huán)形線圈交錯反向串聯(lián)而成，兩個環(huán)形線圈之間的互感為0，互不影響。兩個環(huán)形線圈的輸出通過整流后并聯(lián)。線圈結(jié)構(gòu)如圖6所示。BP線圈相比DDQ線圈的耦合要略差，輸出的功率也較低。但是能夠節(jié)省25.17%的用銅量。

圖6 BP磁耦合線圈結(jié)構(gòu)

在奧克蘭大學后續(xù)研究中，學者們更多關注泄露磁場的抑制方面[10-11]。以發(fā)射側(cè)為DD線圈，接收側(cè)為BP線圈為例，改進結(jié)構(gòu)如圖7所示。將線圈外側(cè)的導線分層緊密繞制，磁心尺寸大于線圈尺寸，為漏磁通提供低磁阻回路。當接收線圈水平偏移200mm時，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，在1/2傳輸高度下，距線圈800mm處的漏磁場能夠減小46%。

圖7 減小泄露磁場方法

在文獻[12]中，奧克蘭大學采用改進的螺線管線圈，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。將繞組分成兩個部分并聯(lián)，分別繞制在磁心的兩端，不僅提高磁場的作用范圍，并且能夠減少銅的用量。增加兩個磁極部分的磁心用量，提高磁場耦合的面積，能夠降低磁阻，進一步提高耦合系數(shù)。

圖8 奧克蘭大學改進螺線管線圈結(jié)構(gòu)

即使螺線管線圈的耦合系數(shù)高，但是，螺線管線圈應用在無線電能傳輸中幾乎都要有金屬屏蔽層，而金屬屏蔽層的損耗會大大影響傳輸效率。為解決這一問題，奧克蘭大學提出了圖9所示的結(jié)構(gòu)[13]。采用工字型磁心，在3個磁柱上繞上3個線圈。3個線圈的磁場疊加后，在一側(cè)磁場加強，另一側(cè)削弱。省去了金屬屏蔽層。借鑒DDQ結(jié)構(gòu)，在圖9的基礎上，增加一個Q線圈，組成兩套接收線圈，相應的結(jié)構(gòu)和接收側(cè)電路如圖10（b）所示。

圖9 無金屬屏蔽層改進螺線管線圈

（a）4線圈磁耦合結(jié)構(gòu)

（b）4線圈結(jié)構(gòu)對應的輸出電路

圖10 奧克蘭大學4線圈結(jié)構(gòu)

將圖9結(jié)構(gòu)在垂直方向壓縮變成扁平結(jié)構(gòu)，采用I型磁心。線圈1和2繞制在I型磁心的兩端，線圈3繞制在磁心中間，1，2和3串聯(lián)成一個線圈，線圈4繞制在1，2和3之間。4與1，2和3正交，兩套接收線圈的磁場互不影響。輸出經(jīng)過并聯(lián)后向負載L供電。與DDQ結(jié)構(gòu)相似，3接收水平方向磁場；1，2和4接收垂直方向磁場，在線圈偏移后，能夠大大降低位置的敏感性。

韓國高等科技學院（KAIST）的研究主要集中在在線充電上，但是在傳統(tǒng)的電動汽車靜態(tài)充電也有不少成果。文獻[14]中采用了兩個U形磁心，線圈繞8字形的方案，如圖11所示。其中，發(fā)射側(cè)的磁極表面足夠大，保證在接收線圈偏移的時候，收發(fā)線圈的磁極仍然正對著。樣機能夠?qū)崿F(xiàn)在傳輸距離15cm，方向偏移40cm，方向偏移20cm，最大輸出功率達到15kW。該結(jié)構(gòu)雖然有較強的抗偏移性能，但是，結(jié)構(gòu)笨重。

圖11 KAIST提出U-U型的磁耦合結(jié)構(gòu)

從減小頻率分叉現(xiàn)象入手，KAIST提出了三線圈結(jié)構(gòu)[15]，即在發(fā)射線圈同一平面上加上一個中繼線圈，如圖12所示。發(fā)射和接收線圈的調(diào)諧頻率為85kHz，中繼線圈的調(diào)諧頻率為110kHz，電路的開關頻率為100kHz。在傳輸距離200mm的條件下，輸出功率6.6kW，效率高達95.57%。

圖12 KAIST提出的三線圈充電結(jié)構(gòu)

文獻[16]也提出了與KAIST三線圈結(jié)構(gòu)相似方案。該結(jié)構(gòu)是在文獻[3-4]中的CP線圈基礎上在發(fā)射側(cè)平面加上一個中繼線圈，結(jié)構(gòu)如圖13所示。線圈全部采用串聯(lián)諧振的方式，在傳輸距離100mm下，輸出功率1kW，傳輸效率達91.3%。

電動汽車無線充電具有大電流，高頻率的特點，而磁耦合結(jié)構(gòu)屬于松耦合變壓器，因此，抑制漏磁場也是業(yè)界關注的問題之一。KAIST在抑制漏磁場方面采用了產(chǎn)生反向磁場線圈來減小漏磁場[17]。結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖13 奧克蘭大學采用的三線圈充電結(jié)構(gòu)

圖14 KAIST減小漏磁場方案

圖14中增加的2匝反向繞制線圈產(chǎn)生的磁場與主磁場方向相反，使磁通束縛在一個小的區(qū)域內(nèi)，但是這兩匝反向繞組又不會明顯抵消主磁通。實驗結(jié)果表明，12kW的樣機在距離線圈中心1m處的磁場強度低于44mG。能夠滿足ICNIRP的漏磁場規(guī)范。

文獻[18]是針對在線充電的磁耦合結(jié)構(gòu)，但是，該磁耦合結(jié)構(gòu)對靜態(tài)充電仍然具有指導意義。采用兩相輸入，電流d和q相位相差90°，繞線方式如圖15所示。其中兩個磁極的間距是接收線圈的尺寸方向長度的1/4。在接收線圈運動中，僅電流d作用下的輸出電壓d（實線）和僅電流q作用下的輸出電壓q（虛線）如圖15所示。采用該結(jié)構(gòu)，輸出電壓為d+q。即，在汽車運動過程中能夠?qū)崿F(xiàn)較為均勻的電壓輸出。將該結(jié)構(gòu)應用在靜態(tài)充電中，同樣可以解決泊車偏移帶來輸出功率大幅度下降的問題。

圖15 在線充電兩相輸入磁耦合結(jié)構(gòu)

除了高校的研究外，還有不少企業(yè)在電動汽車無線充電領域，也有很大的投入。比較有代表性的是豐田汽車公司。從提高線圈偏移后的性能出發(fā)，豐田汽車公司提出了一種大小線圈串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造出一個均勻磁場[19]，對線圈的偏移也具有很好的效果。結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 豐田汽車公司提出的空心線圈結(jié)構(gòu)

發(fā)射側(cè)和接收側(cè)都采用兩個線圈，其中一個是阻抗匹配線圈，另一個是發(fā)射線圈/接收線圈。收發(fā)線圈產(chǎn)生的磁場在中間位置抵消，邊緣位置疊加。構(gòu)造出的磁場相對均勻。

除了豐田汽車公司的磁耦合結(jié)構(gòu)外，美國Evatran公司對螺線管線圈結(jié)構(gòu)改進[20]。將磁極表面做成“凹凸狀”，在不增加磁心用量下減小磁阻，使收發(fā)線圈更好地耦合。結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖17 Evatran公司改進磁耦合結(jié)構(gòu)

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的無線電能傳輸起步較晚，但是也取得一些成就。重慶大學是國內(nèi)最早進入無線電能傳輸領域的研究機構(gòu)。重慶大學將4個D線圈串聯(lián)，稱為DLDD結(jié)構(gòu)[21-22]，為了減輕重量，將磁心改為雙“田”字結(jié)構(gòu)，線圈繞制方式、結(jié)構(gòu)以及17cm傳輸高度下產(chǎn)生的磁場分布如圖18所示。該結(jié)構(gòu)具有很好的抗偏移能力，當線圈尺寸為60cm×60cm，水平偏移量20cm時，傳輸效率仍有82.3%。

南京航空航天大學和中興新能源汽車合作，先后提出了帶擴展臂磁心結(jié)構(gòu)[23-24]和繞組混合繞法結(jié)構(gòu)[25-26]，分別如圖19（a）和（b）所示。圖19（a）中采用兩個大面積的磁心作為磁極，減小磁阻，線圈采用8字形繞法。圖19（b）是在圖19（a）的基礎上，磁心中柱再增加一個螺線管繞組，增加收發(fā)線圈的耦合。圖19（b）的結(jié)構(gòu)應用在中興新能源汽車上，充電效率超過90%。

（a）繞線方式??????（b）線圈結(jié)構(gòu)

（c）磁心結(jié)構(gòu)??????（d）磁場分布

圖18 重慶大學的DLDD磁耦合結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生的磁場分布

（a）帶擴展臂磁心??????（b）繞組混合繞制

從磁場的分布來分析，在空間上，場的分布基本上都具有三維特征，如果能夠?qū)⒏鱾€方向的磁場全部耦合到接收線圈，那么，輸出功率一定是最大的。在此基礎上，文獻[27]提出了三維磁場接收線圈的模型。發(fā)射側(cè)采用導體交錯排列方式，產(chǎn)生均勻磁場。接收側(cè)磁心類似于十字架結(jié)構(gòu)，在,,3個軸上分別繞上線圈。各個方向線圈的感應電壓整流后在串/并聯(lián)。發(fā)射側(cè)和發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場以及接收側(cè)的結(jié)構(gòu)如圖20（a）和（b）所示。

4 結(jié)論

從上文國內(nèi)外的研究情況可知，影響磁耦合結(jié)構(gòu)的參數(shù)很多，包括傳輸距離、體積、繞線方式屏蔽措施等多個方面。表1列出了上文中提到的部分磁耦合結(jié)構(gòu)的參數(shù)特征。

（a）發(fā)射側(cè)結(jié)構(gòu)與磁場強度幅值

（b）接收側(cè)結(jié)構(gòu)

圖20 福州大學提出的磁耦合結(jié)構(gòu)

電動汽車無線充電相比傳統(tǒng)的插電式充電具有便捷、安全、免維護等優(yōu)點，有著巨大的潛力。磁耦合結(jié)構(gòu)是影響傳輸效率及輸出功率的重要因素，而且合理的結(jié)構(gòu)能夠大大減小漏磁場的泄露。相比國外研究機構(gòu)，國內(nèi)的研究略顯單薄。目前磁耦合方案的設計主要是提高耦合系數(shù)，然而，影響傳輸效率的因素除了線圈的耦合系數(shù)，還與線圈值密切相關。因此，磁耦合結(jié)構(gòu)的研究還可以從以下幾個方面入手。

1）采用合理的繞線和線規(guī)，減小繞組損耗。

2）采用合理的屏蔽減小磁場泄露。

3）力圖減小磁心和導線用量，減輕重量，降低成本。

表1　部分磁耦合機構(gòu)的對比

注：在文獻[6-9]中，采用接收側(cè)的開路電壓、短路電流和有載品質(zhì)因數(shù)的乘積來表示輸出功率（ocsc）。采用中繼線圈（三線圈結(jié)構(gòu)）其目的是為了提高耦合，減小頻率分叉現(xiàn)象，對線圈偏移后的輸出性能不是該結(jié)構(gòu)設計的出發(fā)點。

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Overview of Magnetic Coupling Structure in Wireless Charging for Electric Vehicle

Zheng Xincheng Chen Wei

(College of Electrical Engineering and Automatic, Fuzhou 350108)

In recent years, wireless charging technology for electric vehicles caused widespread concern. The importance and difficulty of wireless charging technology for electric vehicles focus on magnetic coupling structure design. The key parameters in that the coupling coefficient, and the performance of the coil after offset. Firstly, a brief analysis of the characteristics of the three basic structure of the magnetic coupling was taken, and then, details of the magnetic coupling structure improvement program research institutions at home and abroad. Finally, the magnetic coupling on structural design considerations and trends were proposed.

electric vehicle; wireless charging; magnetic coupling structure

鄭心城（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向為電力電子高頻磁技術和無線電能傳輸。