基于可移動(dòng)中繼線圈的無線充電系統(tǒng)抗偏移能力提升方法研究

洪 瀟，張偉峰，夏 霖，金正軍，龔成堯，王 豐，王鈺博

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310016；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

無線充電因其具有無電氣接觸、可移動(dòng)充電、安全、便于維護(hù)管理等優(yōu)點(diǎn)受到了越來越多的關(guān)注［1］。電動(dòng)汽車無線充電面臨的主要問題是電磁耦合器原副邊之間發(fā)生偏移時(shí)其傳輸功率和效率的普遍下降，這就對(duì)無線充電系統(tǒng)的抗偏移能力提出了較高要求。以往主要是從磁耦合器結(jié)構(gòu)、原副邊線圈的補(bǔ)償拓?fù)?、中繼線圈設(shè)計(jì)等方面出發(fā)，研究如何提升無線充電系統(tǒng)的抗偏移能力。

在磁耦合器結(jié)構(gòu)方面，文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了一種平面圓形磁耦合器結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)［3］分析了圓形和方形平面螺線管線圈在電動(dòng)汽車無線充電中的特點(diǎn)；文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)了一種扁平螺線管磁耦合器結(jié)構(gòu)，在線圈橫向偏移230 mm內(nèi)傳輸效率高達(dá)88%。

對(duì)于補(bǔ)償拓?fù)?，文獻(xiàn)［5］對(duì)比了SS 型、LCL型、LCC 型三種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的傳輸功率與互感、負(fù)載電阻之間的關(guān)系；文獻(xiàn)［6］提出了一種基于雙LCL復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)的無線充電方法；文獻(xiàn)［7］對(duì)比分析了三種諧振拓?fù)鋵?duì)參數(shù)變化、系統(tǒng)故障的魯棒性、特定工況下的最大傳輸功率以及諧振電容等特性的影響。

對(duì)于中繼線圈設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［8］研究了中繼線圈位置對(duì)系統(tǒng)輸出功率和傳輸效率等特性的影響；文獻(xiàn)［9］從磁耦合裝置、能量傳輸拓?fù)浼俺潆姽β省⒖刂葡到y(tǒng)三方面對(duì)無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［10］設(shè)計(jì)了一種基于PCB 平面螺旋線圈的自補(bǔ)償多中繼無線電能傳輸系統(tǒng)；文獻(xiàn)［11］研究了磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)三線圈結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)［12］研究了具有可變?cè)鲆婧銐禾匦缘娜€圈無線充電系統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)確定新方法；文獻(xiàn)［13］對(duì)具有中繼諧振線圈的磁耦合器諧振無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［14］研究了帶有可切換中繼線圈的無線充電系統(tǒng)；文獻(xiàn)［15］介紹了帶中繼線圈無線電能傳輸?shù)男史治龇椒ā?/p>

通過以上分析可以看出，以往文獻(xiàn)大多通過設(shè)計(jì)磁耦合器和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來提升無線充電系統(tǒng)的抗偏移能力。平面方形線圈由于在相同面積下有更好的耦合系數(shù)，故在本文中加以采用。LCC 型補(bǔ)償雖然具有恒流輸出的特性，但其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且不是本文研究的重點(diǎn)，故本文采用SS型補(bǔ)償進(jìn)行分析。以往對(duì)中繼線圈的研究，都是在中繼線圈與原邊線圈位置相對(duì)固定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。本文提出一種基于可移動(dòng)中繼線圈的新型三繞組磁耦合器以及中繼線圈位置控制策略。首先，分析了中繼線圈補(bǔ)償參數(shù)的特性。然后，研究了中繼線圈的位置對(duì)偏移過程中磁耦合器效率的影響，并提出了中間線圈位置的詳細(xì)控制策略。最后，以一臺(tái)3 kW三繞組磁耦合器樣機(jī)為例，驗(yàn)證了所提出的磁耦合器結(jié)構(gòu)及控制策略的有效性。

1 兩線圈和三線圈磁耦合器等效電路

1.1 兩線圈磁耦合器等效電路

兩線圈帶有SS補(bǔ)償?shù)拇篷詈掀鞯刃щ娐啡鐖D1 所示。其中：Up為高頻電源；Lp和Ls分別為原邊、副邊線圈自感；Rp和Rs分別為原邊、副邊線圈的電阻；Cp和Cs分別為原邊、副邊線圈的補(bǔ)償電容；Mps為原副邊線圈之間的互感；Req為負(fù)載等效電阻。

圖1 兩線圈磁耦合器等效電路

根據(jù)等效電路和基爾霍夫定律，諧振時(shí)兩線圈磁耦合器的輸出功率Pout和效率η表達(dá)式如下：

1.2 三線圈磁耦合器等效電路

三線圈磁耦合器等效電路如圖2 所示。其中：Li為中繼線圈自感；Ci和Ri分別為中繼線圈的補(bǔ)償電容和電阻；Mpi為原邊線圈和中繼線圈之間的互感；Mis為副邊線圈和中繼線圈之間的互感。同樣，可以推導(dǎo)出以下方程：

圖2 三線圈磁耦合器等效電路

式中：Zp、Zs、Zi分別為原邊、副邊和中繼線圈的等效阻抗。

分別將式（6）—（8）代入電壓方程中，得到每個(gè)回路中的電流如式（9）—（11）所示。

進(jìn)一步可得三線圈耦合器的輸出功率Pout和效率η，如式（12）和式（13）所示。

2 基于可移動(dòng)中繼線圈的三線圈磁耦合器

為了研究中繼線圈位置和補(bǔ)償參數(shù)對(duì)磁耦合器效率的影響，采用有限元法分別對(duì)兩線圈和三線圈磁耦合器進(jìn)行建模，如圖3所示。中繼線圈外徑與原邊、副邊線圈外徑相同，具體參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

設(shè)置如圖3（a）所示兩線圈磁耦合器作為對(duì)比。圖3（b）所示三線圈磁耦合器的原邊、副邊線圈間距為200 mm，原邊線圈和中繼線圈之間距離固定為30 mm，中繼線圈置于原邊線圈上方以便于移動(dòng)。對(duì)磁耦合器進(jìn)行有限元建模分析并計(jì)算其性能。

圖3 有限元模型

2.1 中繼線圈參數(shù)分析

對(duì)于兩線圈磁耦合器，SS 補(bǔ)償因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良而得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)補(bǔ)償參數(shù)滿足式（14）時(shí)，磁耦合器處于諧振狀態(tài)且效率最高。

式中：Cpres和Csres分別為原邊、副邊線圈的諧振電容。

將表1中兩線圈磁耦合器參數(shù)代入式（13），可計(jì)算出效率為95.42%。為便于直觀比較，將三線圈磁耦合器原邊、副邊補(bǔ)償電容設(shè)置為與兩線圈磁耦合器相同。中繼線圈補(bǔ)償參數(shù)對(duì)磁耦合器效率的影響如圖4所示。為便于和諧振電容比較，將自變量設(shè)置為Ci/Cires，即中間線圈的實(shí)際補(bǔ)償電容與中繼線圈諧振電容的比值。由圖4可知，當(dāng)中繼線圈采用諧振電容時(shí)，磁耦合器的效率并不是最大值，甚至低于兩線圈效率。

圖4 中繼線圈補(bǔ)償參數(shù)對(duì)三線圈磁耦合器效率的影響

以上對(duì)中繼線圈補(bǔ)償參數(shù)的討論是以其處于接收線圈正對(duì)位置為前提的，其中Ciopt為中繼線圈最優(yōu)補(bǔ)償電容，Cires為中繼線圈的諧振電容。因此，基于上述討論，將中繼線圈的補(bǔ)償值設(shè)置為Ciopt，然后分別模擬了兩線圈和三線圈磁耦合器（Ci=Cires=35.06 nF和Ci=Ciopt=16.48 nF）的偏移情況，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可知，帶有Ci=Ciopt補(bǔ)償?shù)娜€圈磁耦合器效率高于其他兩種。而且，當(dāng)接收線圈的最大偏移量為300 mm時(shí)，帶有Ci=Ciopt補(bǔ)償?shù)娜€圈磁耦合器效率下降是最小的。

圖5 偏移情況下三種不同磁耦合器的效率對(duì)比

2.2 帶有可移動(dòng)中繼線圈的磁耦合器偏移特性分析

在沒有磁芯的三線圈磁耦合器中，中繼線圈位置的改變主要影響中繼線圈與原副邊線圈之間的耦合系數(shù)。首先，研究中繼線圈與原副邊線圈之間的耦合系數(shù)對(duì)效率的影響。當(dāng)采用表1所示線圈參數(shù)時(shí)，三線圈磁耦合器效率隨kpi和kis的變化如圖6 所示。其中kps是原副邊線圈之間的耦合系數(shù)，kpi是原邊線圈和中繼線圈之間的耦合系數(shù)，kis是副邊線圈和中繼線圈之間的耦合系數(shù)。為了更直觀地觀察kpi和kis對(duì)磁耦合器效率的影響，將圖6的頂部放大如圖7所示。圖7中紅色最深的部分表示隨著kis和kpi的變化，磁耦合器效率達(dá)到最大值。

圖6 磁耦合器效率隨kpi和kis變化情況

圖7 磁耦合器效率隨kpi和kis變化情況

但僅通過移動(dòng)中繼線圈位置并不能同時(shí)得到令系統(tǒng)效率最大的kis和kpi。為簡(jiǎn)化分析，接下來研究在副邊線圈不同偏移情況下，中繼線圈位置對(duì)磁耦合器效率的影響。值得注意的是，本文只考慮水平方向上的偏移。通過有限元仿真，得到在副邊線圈和中繼線圈不同偏移情況下，三線圈磁耦合器的效率如圖8所示。Xs和Xi分別代表副邊線圈和中繼線圈的偏移距離。由圖可知：在副邊線圈不同的偏移情況下，中繼線圈處于最佳偏移距離時(shí)可以提高效率；中繼線圈的最佳偏移距離Xiopt與副邊線圈的偏移距離并不相同，Xiopt略低于Xs。

圖8 磁耦合器效率隨Xs和Xi變化情況

表2 給出了不同Xs下Xiopt的取值，顯然Xiopt=Xs/2，進(jìn)而得到三線圈磁耦合器的效率如圖9 所示。與采用Xi=0 mm的三線圈相比，系統(tǒng)效率下降情況得到明顯改善。

圖9 Xi=Xiopt和Xi=0 mm時(shí)三線圈磁耦合器效率對(duì)比

表2 副邊線圈不同偏移情況下中繼線圈的最佳位置mm

當(dāng)副邊線圈橫向偏移300 mm時(shí)，中繼線圈處于固定位置和最佳位置的磁場(chǎng)分布如圖10 所示。通過調(diào)整偏移情況下中繼線圈的位置，可使原邊線圈和副邊線圈之間的磁通量明顯增加。因此，通過可移動(dòng)中繼線圈可以提高系統(tǒng)抗偏移能力。

圖10 中繼線圈處于固定位置和最佳位置的磁場(chǎng)分布

3 中繼線圈位置控制策略

根據(jù)上述分析，當(dāng)副邊線圈偏移時(shí)，中繼線圈的位置會(huì)影響磁耦合器效率，因此可通過調(diào)整中繼線圈位置，使不同偏移條件下的磁耦合器效率最大化。具體控制策略如圖11所示。

圖11 中繼線圈位置控制策略

首先，檢測(cè)副邊線圈的位置，并將初始頻率設(shè)置為85 kHz。然后，將中繼線圈的偏移距離調(diào)整到副邊線圈的一半。基于此控制策略提出的三線圈磁耦合器具有如下特點(diǎn)：中繼線圈略高于原邊線圈；中繼線圈的外徑與原邊、副邊線圈相同；中繼線圈可根據(jù)副邊線圈的偏移而移動(dòng)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證所提磁耦合器中繼線圈位置控制策略的可行性，設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)三線圈磁耦合器樣機(jī)并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖12 所示。樣機(jī)參數(shù)如表3所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括高頻電源、三線圈磁耦合器、原副邊線圈補(bǔ)償電容、中繼線圈補(bǔ)償電容、整流器、無感負(fù)載電阻。

表3 三線圈磁耦合器樣機(jī)參數(shù)

圖12 三線圈磁耦合器樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

原邊、副邊線圈和中繼線圈尺寸均為700 mm×700 mm；原邊、副邊線圈的距離固定在200 mm；原邊線圈和中繼線圈的距離固定在30 mm，與仿真中的氣隙距離相同。在進(jìn)行兩線圈磁耦合器測(cè)試時(shí)，將中繼線圈拆除即可。

4.2 兩線圈與三線圈磁耦合器比較

在正對(duì)條件下，輸出功率為3 kW時(shí)，兩線圈與三線圈磁耦合器輸出效率如圖13 所示。可以看出，三線圈磁耦合器的效率高于兩線圈。效率隨橫向偏移的變化情況如圖14所示，可以得到：

圖13 正對(duì)條件下兩線圈和三線圈磁耦合器的測(cè)量結(jié)果

圖14 兩線圈和三線圈磁耦合器效率隨橫向偏移的變化

1）隨著橫向偏移量的增加，兩線圈和三線圈磁耦合器的效率都降低了。

2）在不同偏移位置，三線圈磁耦合器效率要高于兩線圈的。隨著橫向偏移量的增加，中繼線圈對(duì)效率的提升效果越來越明顯。

4.3 帶有可移動(dòng)中繼線圈的三線圈磁耦合器

在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)副邊線圈橫向偏移時(shí)，中繼線圈的位置會(huì)隨之調(diào)整。根據(jù)上述仿真結(jié)果，Xiopt=Xs/2。

帶有可移動(dòng)中繼線圈的磁耦合器在橫向偏移情況下的效率如圖15所示。橫向偏移達(dá)到300 mm時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖16 所示。結(jié)果表明，在偏移情況下，中繼線圈在最佳位置時(shí)可進(jìn)一步提高三線圈磁耦合器的效率，當(dāng)副邊線圈的橫向偏移達(dá)到300 mm時(shí)，三線圈磁耦合器的效率比兩線圈磁耦合器提高3.3%點(diǎn)（相較于正對(duì)條件下的三線圈磁耦合器，效率僅下降1.8%）?？梢缘贸觯?/p>

圖15 橫向偏移情況下三線圈磁耦合器效率對(duì)比

圖16 橫向偏移300 mm時(shí)三線圈磁耦合器的測(cè)試結(jié)果

1）與中繼線圈固定位置相比，當(dāng)橫向偏移不超過100 mm，可移動(dòng)中繼線圈應(yīng)用效果不明顯。

2）當(dāng)橫向偏移大于100 mm時(shí)，隨著橫向偏移的增加，可移動(dòng)中繼線圈對(duì)效率的提升效果增強(qiáng)。

5 結(jié)語

為了提高無線充電系統(tǒng)的抗偏移能力，提出了一種帶有可移動(dòng)中間線圈的三線圈磁耦合器，通過對(duì)其特性進(jìn)行系統(tǒng)分析得到以下主要結(jié)論：

1）在偏移情況下，優(yōu)化中繼線圈補(bǔ)償參數(shù)后的三線圈磁耦合器效率優(yōu)于兩線圈的效率。

2）研究了中繼線圈位置對(duì)橫向偏移時(shí)磁耦合器效率的影響，提出了用于提高磁耦合器的中繼線圈位置控制策略。

3）設(shè)計(jì)并研制了一臺(tái)3 kW三線圈磁耦合器樣機(jī)，驗(yàn)證了所提出中繼線圈位置控制策略能有效提升無線充電系統(tǒng)的抗偏移能力。