中繼線圈對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的優(yōu)化

許秋平　張春陽(yáng)

摘 要：電動(dòng)汽車無(wú)線充電裝置具有靈活性，沒(méi)有直接的電氣接觸，比傳統(tǒng)的充電樁安全，但是傳輸效率較低，傳輸距離較近，為了改善這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于中繼線圈的磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)。利用互感理論分析了含有中繼線圈的磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)模型，并利用Matlab仿真驗(yàn)證了中繼線圈應(yīng)用到電動(dòng)汽車無(wú)線充電上可以增加傳輸效率和傳輸距離。

關(guān)鍵詞：無(wú)線能量傳輸;中繼線圈;磁耦合諧振;電動(dòng)汽車無(wú)線充電

Optimization of Relay Coil for Electric Vehicle Wireless Charging System

XU Qiuping ZHANG Chunyang

（Electrical Engineering College of Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan， 471000<！-- 依次為單位，市，省，郵政編碼中國(guó)（ShangqiuPolytechnic， Shangqiu， He'nanProvince， 476000China） --> China）

Abstract： The wireless charging device of electric vehicle has the flexibility， no direct electric contact， it is safer than the traditional charging pile， but the transmission efficiency is lower， the transmission distance is closer， in order to improve this problem， a magnetic coupling resonant Wireless power system based on relay coils is designed. A magnetic coupled resonant Wireless power system model with relay coils is analyzed using mutual inductance theory， Matlab simulation shows that the relay coil can increase the transmission efficiency and the transmission distance when it is applied to the wireless charging of electric vehicle.

Key Words： Wireless power; Relay coil; Magnetically coupled resonance; Wireless charging of electric vehicles

磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)汽車充電裝置上存在傳輸效率低且傳輸距離較近的問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題，東南大學(xué)的黃學(xué)良教授領(lǐng)導(dǎo)的課題小組針對(duì)磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)特性，建立了傳輸模型，提出了基于定頻控制和定負(fù)載的變頻控制兩種控制策略，來(lái)解決頻率分裂的現(xiàn)象^[1];哈爾濱工業(yè)大學(xué)的朱春波教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研究了一種基于多初級(jí)繞組并聯(lián)方式的電動(dòng)汽車無(wú)線充電方式，在汽車運(yùn)行過(guò)程中可以進(jìn)行無(wú)線充電^[2];天津工業(yè)大學(xué)針對(duì)電動(dòng)汽車耦合機(jī)構(gòu)間傳輸效率與接收電流的波動(dòng)性問(wèn)題，提出了一種具有自檢測(cè)步進(jìn)切換功能的發(fā)射端控制策略和車載三線圈接收結(jié)構(gòu)^[3]。

文章利用互感理論建立磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)模型，對(duì)比分析了含有中繼線圈和不含中繼線圈對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線電能傳輸距離的影響，并根據(jù)仿真條件搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了仿真數(shù)據(jù)的實(shí)用性。

1 MCR-WPT模型分析<！-- 文章頁(yè)面布局請(qǐng)調(diào)整為一欄格式 -->

1.1 不含中繼線圈的MCR-WPT模型分析

磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)（Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT）是以兩個(gè)諧振頻率相同的線圈之間可以發(fā)生強(qiáng)耦合，實(shí)現(xiàn)電能的高效率傳輸。系統(tǒng)主要由發(fā)射電路和接收電路兩部分組成。電源給發(fā)射線圈提供高頻交流電，發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，接收線圈接收到磁場(chǎng)能將其轉(zhuǎn)換為電能。為了使系統(tǒng)處于諧振頻率狀態(tài)下，要在兩個(gè)回路中加入補(bǔ)償電容，下圖為磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化圖

由上圖可以分析得出系統(tǒng)的傳輸效率為

1.2 含有中繼線圈的MCR-WPT模型分析

通常情況下，不含中繼線圈的磁耦合諧振系統(tǒng)傳輸距離為0.1米左右^[4]，顯然不夠靈活，為了增加傳輸距離，在發(fā)射線圈與接收線圈之間加入中繼線圈，作為能量中轉(zhuǎn)站，使得傳輸距離更遠(yuǎn)。下圖為加入中繼線圈的MCR-WPT模型。

由基爾霍夫定律得出系統(tǒng)的傳輸效率為

M₁₂為發(fā)射線圈與中繼線圈之間的互感，M₂₃為中繼線圈與接收線圈之間的互感，都是關(guān)于線圈平均半徑r、匝數(shù)N和兩線圈之間距離d的參數(shù)，可由下式表示

其中r₁、r₂、r₃分別為發(fā)射線圈、中繼線圈、接收線圈的半徑，N₁、N₂、N₃分別為三個(gè)線圈的匝數(shù)，d₁₂、d₂₃分別為發(fā)射線圈與中繼線圈之間的距離，和中繼線圈與接收線圈之間的距離。由上式可以看出，在線圈半徑和匝數(shù)確定的情況下，線圈之間的互感與線圈之間的距離有關(guān)^[5]。

2 磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸特性分析

一般情況下電路系統(tǒng)的等效阻值確定，當(dāng)負(fù)載確定時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率主要與各線圈之間的距離有關(guān)。

2.1 系統(tǒng)工作頻率對(duì)線圈內(nèi)阻的影響

為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，發(fā)射線圈、中繼線圈、接收線圈的參數(shù)都設(shè)為一致的，也就是當(dāng)系統(tǒng)工作頻率與三個(gè)線圈的諧振頻率相同時(shí)，可取得較大的傳輸效率。

線圈內(nèi)阻公式可由下式表示

其中a為導(dǎo)體的半徑，r為線圈的平均半徑，μ為真空磁導(dǎo)率，σ為導(dǎo)線電導(dǎo)率^[6]。

假設(shè)各線圈的導(dǎo)體的半徑a為0.04cm，匝數(shù)N為15，平均半徑r為0.15m，工作頻率為1-100MHz時(shí)，線圈內(nèi)阻和系統(tǒng)工作頻率的關(guān)系可由下圖表示。

由圖中可以看出，線圈的等效電阻隨諧振頻率的增大而增大，但是相對(duì)電源內(nèi)阻和負(fù)載，系統(tǒng)工作頻率對(duì)線圈內(nèi)阻的影響可忽略，選取在工作范圍內(nèi)的等效電阻的平均值作為線圈的等效電阻，即R_S1=R_S21=R_S31=6.2Ω。

2.2 中繼線圈對(duì)傳輸效率的影響

設(shè)定接收線圈上接入的負(fù)載為70Ω，電源為70V，內(nèi)阻為10Ω，將以上參數(shù)分別代入傳輸效率的表達(dá)公式（1）、（2）中，可得到關(guān)于ω、d₁₂、d₂₃的關(guān)系式如式（6）、（7）。

查閱文獻(xiàn)可知，電動(dòng)汽車無(wú)線充電的工作頻率一般為13.56MHz，所以將系統(tǒng)工作頻率設(shè)定為13.56MHz，利用MATLAB進(jìn)行仿真后可以看出是否含有中繼線圈對(duì)傳輸效率的影響。

圖4為不含中繼線圈的MCR-WPT系統(tǒng)中傳輸效率和傳輸距離的變化，在接收線圈移動(dòng)初期，系統(tǒng)的傳輸效率基本不發(fā)生改變，保持在92%左右，當(dāng)d繼續(xù)增加到0.2m時(shí)，傳輸效率緩慢下降，當(dāng)傳輸距離為0.6m時(shí)，傳輸效率下降到15%左右，若想將傳輸效率保持在90%以上，則傳輸距離最遠(yuǎn)為0.2m。

假定中繼線圈一直處于發(fā)射線圈與接收線圈正中間，增大發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離，圖5為含有中繼線圈時(shí)傳輸效率與傳輸距離d之間的關(guān)系，可以看出最大傳輸效率與不含中繼線圈時(shí)相近，也維持在92%左右，當(dāng)傳輸距離到達(dá)0.5m時(shí)傳輸效率才開(kāi)始緩慢下降，直到傳輸距離達(dá)到1.2m時(shí)，傳輸效率下降到20%左右。

不含中繼線圈的MCR-WPT系統(tǒng)在傳輸距離為0.6m時(shí)傳輸效率已經(jīng)下降到15%左右，而含有中繼線圈的MCR-WPT系統(tǒng)在傳輸距離為0.6m時(shí)，傳輸效率還可以維持在87%左右，所以加入中繼線圈，可以增大系統(tǒng)的傳輸距離，在一定程度上也可以提高傳輸效率。

3. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)仿真要求搭建了磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所用到的電源電壓為U_S=70V，線圈電感為，補(bǔ)償電容為，固定系統(tǒng)工作頻率為13.56MHz，不含中繼線圈和含有中繼線圈的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比分別如下

由上圖可以看出，不含中繼線圈和含有中繼線圈的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)均是接近的，不含中繼線圈時(shí)，仿真數(shù)據(jù)中，傳輸效率最高可達(dá)91.9%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，傳輸效率最高可達(dá)90.6%;在含有中繼線圈的情況下，仿真數(shù)據(jù)中，傳輸效率最高為91.1%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，傳輸效率最高為90.1%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)稍微偏低，主要原因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中，有其他數(shù)碼產(chǎn)品的輻射干擾，造成了結(jié)果有輕微偏差，但是不影響結(jié)論的得出。

4 結(jié)論

本文利用互感理論分別分析了不含中繼線圈的磁耦合諧振系統(tǒng)和含有中繼線圈的磁耦合諧振系統(tǒng)，獲得了傳輸效率的表達(dá)式，并分析了系統(tǒng)工作頻率對(duì)線圈電阻的影響，傳輸距離對(duì)傳輸效率的影響，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了仿真數(shù)據(jù)的真實(shí)性，最后得出結(jié)論，加入中繼線圈后系統(tǒng)的傳輸距離增加了0.4m，并且在總傳輸距離為0.55m以內(nèi)可以保持傳輸效率為90%以上。中繼線圈的加入有利于增加電動(dòng)汽車無(wú)線電能的傳輸距離，對(duì)于應(yīng)用于電動(dòng)汽車中的無(wú)線充電系統(tǒng)有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)<！-- 參考文獻(xiàn)需在文中按順序上標(biāo)參考文獻(xiàn)必須同時(shí)滿足以下條件：（1）參考文獻(xiàn)數(shù)量要求不低于6篇。（2）近5年（2016-2020年）文獻(xiàn)不少于6篇，其中近兩年的文獻(xiàn)（19-20年）不少于2篇，均為英文標(biāo)點(diǎn)符號(hào)（3）含以下目錄中的參考文獻(xiàn)不少于2篇（為便于核查符合下面條件的參考文獻(xiàn)的刊名或整條用紅字標(biāo)注）：不包含本刊①當(dāng)代體育科技②科技資訊③文化創(chuàng)新比較研究④南京體育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）⑤碩士、博士學(xué)位論文⑥影響因子為0.5及以上的期刊。（核查辦法見(jiàn)各刊網(wǎng)站）⑦外文參考文獻(xiàn) -->

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