基于输出能效特性的IPT系统磁耦合机构设计

王智慧 胡 超 孙 跃，2 戴 欣

(1.重庆大学自动化学院 重庆 400030 2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400030)



基于输出能效特性的IPT系统磁耦合机构设计

王智慧1胡 超1孙 跃1，2戴 欣1

(1.重庆大学自动化学院 重庆 400030 2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400030)

建立磁耦合机构与系统电气参数的函数模型，以能效特性作为主要目标，以磁耦合机构的结构特性及频率特性作为约束条件，提出一种具有普遍适用性的磁耦合机构设计流程。并以该文所提出的一种新型磁耦合机构为例，通过线圈组合的方式，配置相应的磁心结构，在保证能量传输距离的前提下，有效增加了系统的可充电区域。借助有限元电磁仿真平台得到相应数据及实验测量数据，证明了流程的合理性。

磁耦合机构 磁心结构 能效特性 无线电能传输

0 引言

感应耦合式无线电能传输技术IPT(Inductive Power Transfer，IPT)具有能量传输容量大、电磁污染轻以及电气参数匹配方便等优势[1-3]，适用于中、近距离(几毫米至几十厘米)的电能无线传输。实现无线供电需要解决电能无线传输距离、传输功率(Pout)以及传输效率(η)等几个关键问题，磁耦合机构的设计是决定以上指标的关键[4-8]。

目前已有较多文献对磁耦合机构的设计及参数优化进行了研究。文献[9]介绍了一种功率5 kW、效率85%的磁耦合机构。文献[10]设计了一种DD结构的能量发射机构，实现了2.5 kW、35.5 cm的无线电能传输。文献[11]在保证功率传输等级的前提下，提出了一种BPP结构电感，相较于DDQP结构电感，减少了25.17%的用线量。文献[12]针对磁耦合机构线圈的空间位置进行了研究，并优化了配置。以上文献均未系统地介绍磁耦合机构的设计流程，而在实际应用中，一般先给出系统的传输功率等级及效率约束值。

本文针对以上约束提出了一种磁耦合机构设计流程。首先分析了磁耦合机构的能效特性，从能效函数中挖掘与机构相关的电路及磁路参数，以此为依据确定机构的设计步骤。为实现IPT系统大功率、远距离的无线电能传输，一般需要在耦合装置上配置相应的磁心结构。针对本文提出的一种新型组合型的线圈，配置相应的磁心结构，它们所组成的磁耦合机构保证了足够大的传输功率等级，并有效扩大了系统的可充电区域。

1 磁耦合机构能效及频率特性分析

SS补偿型拓扑结构如图1所示，其中Lp、Ls为发射端及拾取端电感值，Cp、Cs为补偿电容，Rp、Rs为电感的等效内阻，Ip、Is为电感的激励电流，RL为负载电阻，k为耦合系数。

图1 SS型磁耦合机构等效电路图

1.1 最大输出功率与损耗分析

若IPT系统发射端与拾取端之间的互感值为M，则拾取端的开路电压Voc及短路电流Isc可表示为

(1)

拾取端最大输出功率Pout为

(2)

(3)

由式(2)可知，当一次电流恒定时，要提高Pout，可增大ω、M、Qs，它们与磁耦合机构相关。

当发射端恒压输入Vp时，存在以下关系式

(4)

当Rs≪RL时，式(2)为

(5)

由式(5)可知与Pout相关的参数有ω、M、Rp、RL，且Pout存在极值。

将式(2)改写成与k值相关的表达式为

(6)

式中：Vp为发射端输入电压；VpIp为发射端输入功率。由式(6)可知，当输入功率及Qs确定时，Pout的值只与k值相关，而k值是由磁耦合机构决定的，此时磁耦合机构最大输出功率仅与磁耦合机构参数相关。

(7)

(8)

由式(8)可知，要减小机构的绕线损耗，应增大QLp、QLs、k的值。磁耦合机构能量传输效率可近似表示为

(9)

1.2 频率特性分析

若负载为可移动用电设备(如电动汽车无线充电)，设备的偏移将使得工作频率发生漂移，从而在拾取端产生虚部阻抗Zfs为

(10)

由式(10)可得到虚部阻抗随频率的变化曲线，图2为不同Ls时Zfs随f变化的曲线。

当频率改变时，Ls越小，Zfs相对更加稳定。而拾取端的频率控制难度较大，希望f保持稳定，因此在磁耦合机构的设计过程中应尽量减小Ls。

此外，频率分叉现象对系统的能效影响较大。当系统处于频率分叉状态时，存在多个谐振工作点，系统工作频率可能偏移固有谐振点，因此在进行磁耦合机构的设计时，应避免频率分叉现象的产生。取表1所示的系统参数。

图2 虚部阻抗随频率偏移变化曲线

参数数值参数数值Ui/V300Ls/μH220Lp/μH680Cs/nF287.8Cp/nF93.13Rp/Ω0.21RL/Ω514.4Rs/Ω0.09

系统ZCS谐振点随M的变化曲线如图3所示，随着M的增加，系统的谐振工作点数量将发生变化。当M值大于78 μH时，系统出现3个ZCS谐振点，即发生了频率分叉现象。

图3 ZCS谐振点随M的频率分叉图

2 磁耦合机构结构设计

2.1 电感线圈形状讨论

图4为几种常用的电感线圈形状。令一个振荡周期内线圈的激励电流的有效值为If，将互感值M用磁场量纲表示为

(11)

式中：Φ为磁通量；B为磁感应强度。

图4 4种形状的线圈

不同形状的线圈在空间产生的B值不同，从参数关联性分析，线圈形状可能会对k以及可充电区域产生一定影响。

发射端和拾取端线圈匝数均取为Np=Ns=1，发射端及拾取端距离取5 cm。由于磁耦合机构参数的数值分析较困难[13-15]，本文的仿真数据采用有限元电磁场仿真软件实现机构的磁场分析。4种形状的磁耦合机构k值随线圈面积S的变化曲线如图5所示。

图5 k随面积变化曲线

由图5可知，使用圆形线圈的磁耦合机构的k值大于其他几种形状线圈，这是因为其他几种线圈存在折角，折角处的磁场会存在一定的失真，导致k值略微降低，在线圈设计时，应增加折角处平滑度。

以面积为5×104mm2的单匝线圈为例，4种线圈的M值及归一化输出功率Poutn随拾取线圈横向移动的变化曲线如图6所示。由图6可得出以下结论：

1)面积确定时，不同形状的发射端线圈提供相近大小的可充电区域。

2)合理利用组合线圈，可增大拾取端的可充电区域。

图6 M、Poutn随横向偏移变化曲线

2.2 线圈组合方式及磁心结构的设计

针对电动汽车无线充电，磁耦合机构需提供较大的充电区域，因此设计如图7所示的一种DLDD(Double Layer Double D-type，DLDD)形式的能量发射线圈。图7b为铁氧体磁心结构，图7c、图7d分别为发射机构与拾取机构的实物图。

图7 组合线圈等效结构

对比DLDD形式与常用的圆盘螺旋形式的发射机构的性能，以相同的M值作为初始参考量，两种发射机构M随横向偏移的变化趋势及提供的充电区域如图8所示，其中能量传输距离为20 cm，充电区域边界的阈值为最大输出功率的80%。

图8 两种发射机构M随偏移变化及充电区域

加磁心后，系统的输出功率提升了约2.1倍，DLDD形式的发射机构提供的充电区域约为圆盘螺旋形式的1.4倍，因此DLDD形式的磁耦合机构更适合于电动汽车的无线充电。

3 磁耦合机构设计流程及实验

对于一个实际的IPT系统，一般给定功率、效率、传输距离、输出电压以及充电区域中的几种电气指标需求。提出一种磁耦合机构的设计流程，如图9所示。以电动汽车无线充电为例，按照图9所示流程进行磁耦合机构设计。表2为设定的电气参数指标需求。

根据电动汽车无线充电大功率、远距离及较大充电区域的特征，选择SS型补偿结构及电流型激励，并选择如图7所示的磁耦合机构及磁心结构。在保证足够功率传输的前提下，为减小电磁曝露，f值应尽量小，设置初始f=20 kHz，对于初始Ip的设置应满足

(12)

式中：Pout0为最小输出功率；Uim为最大输入电压。设置初始Ip=50 A，为满足10 kW以上的功率输出，计算可得最小互感M0=60.5 μH。当DDLD线圈的单个“D”型线圈匝数增加至10时，同时拾取线圈匝数设置为20，通过仿真可得到磁耦合机构的M=91.6 μH，此时Lp=396 μH、Ls=220 μH，计算得系统的工作频率点数量N0=1。发生水平偏移时，M以及系统效率的实测值变化曲线如图10所示。

图9 磁耦合机构设计流程

参数数值输出功率≥10kW输出电压DC380V偏移容忍量≥15cm传输效率≥80%传输距离20cm

在水平偏移20 cm处，测得耦合机构的M=71.7 μH，系统的PTE为82.3%，满足系统指标，证明了本文磁耦合机构适用于电动汽车无线充电及其设计流程的合理性。

图10 实测M及PTE

4 结论

本文提出了一种磁耦合机构的设计流程，首先分析了磁耦合机构与系统之间的关联性，建立了机构与系统之间的能效模型，以输出功率及效率作为磁耦合机构设计的指标。通过分析磁耦合机构的结构特性、系统频率稳定性和分叉现象，确定设计过程中的约束及判断条件。以电动汽车无线充电磁耦合机构设计为例，提出了一种DLDD形式磁耦合机构，满足其传输距离远及充电区域大的需求，同时也证明了磁耦合机构设计流程的合理性。

[1] 唐春森，孙跃，戴欣，等.基于延时干扰的感应电能传输系统分岔频率输送控制[J].物理学报，2013，62(15)：158401-1-158401-10. Tang Chunsen，Sun Yue，Dai Xin，et al.Transition control of bifurcated frequencies in inductive power transfer systems through time delay perturbation[J].Chinese Journal of Physics，2013，62(15)：158401-1-158401-10.

[2] Covic G A，Boys J T.Modern trends in inductive power transfer for transportation applications[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2013，1(1)：28-41.

[3] 杨庆新，章鹏程，祝丽花，等.无线电能传输技术的关键基础与技术瓶颈问题[J].电工技术学报，2015，30(5)：1-8. Yang Qingxin，Zhang Pengcheng，Zhu Lihua，et al.Key fundamental problems and technical bottlenecks of the wireless power transmission technology[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(5)：1-8.

[4] 李阳，杨庆新，闫卓，等.无线电能有效传输距离及其影响因素分析[J].电工技术学报，2013，28(1)：106-112. Li Yang，Yang Qingxin，Yan Zhuo，et al.Analysis on effective range of wireless power transfer and its impact factors[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(1)：106-112.

[5] 黄学良，吉青晶，谭林林，等.磁耦合谐振式无线电能传输系统串并式模型研究[J].电工技术学报，2013，28(3)：171-176，187. Huang Xueliang，Ji Qingjing，Tan Linlin，et al.Study on series-parallel model of wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(3)：171-176，187.

[6] 张波，张青.两个负载接收线圈的谐振耦合无线输电系统特性分析[J].华南理工大学学报(自然科学报)，2012，40(10)：152-158. Zhang Bo，Zhang Qing.Characteristic analysis of magnetic resonant coupling-based wireless power transfer system with two receivers[J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)，2012，40(10)：152-158.

[7] 周诗杰.无线电能传输系统能量建模及其应用[D].重庆：重庆大学，2013.

[8] 黄晓生，陈为.线圈高频损耗解析算法改进及在无线电能传输磁系统设计的应用[J].电工技术学报，2015，30(8)：62-70. Huang Xiaosheng，Chen Wei.Improved analytical calculation model of high-frequency coil losses and its usage in wpt magnetic system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(8)：62-70.

[9] Wu H H，Gilchrist A，Sealy K D，et al.A high efficiency 5 kW inductive charger for EVs using dual side control[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics，2012，8(3)：585-595.

[10]Budhia M，Boys J T，Covic G A，et al.Development of a single-sided flux magnetic coupler for electric vehicle IPT charging systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(1)：318-328.

[11]Zaheer A，Kacprzak D，Covic G A.A bipolar receiver pad in a lumped IPT system for electric vehicle charging applications[C].IEEE Energy Conversion Conqress and Exposition，Raleigh，NC，2012：283-290.

[12]夏晨阳，孙跃，贾娜，等.耦合磁共振电能传输系统磁路机构参数优化[J].电工技术学报，2012，27(11)：139-145. Xia Chenyang，Sun Yue，Jia Na，et al.Magnetic circuit parameter optimization for coupled magnetic resonances power transfer system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(11)：139-145.

[13]何山，王维庆，张新燕，等.双馈风力发电机多种短路故障电磁场仿真研究[J].电力系统保护与控制，2013，41(12)：42-46. He Shan，Wang Weiqing，Zhang Xinyan，et al.Simulation study of multiple short-circuit fault electromagnetic field about DFIG in wind power[J].Power System Protection and Control，2013，41(12)：42-46.

[14]王雪，王增平.基于有限元法的变压器电感参数计算方法的研究[J].电力系统保护与控制，2009，37(24)：11-14，35. Wang Xue，Wang Zengping.An investigation on transformer inductance calculation based on finite element method[J].Power System Protection and Control，2009，37(24)：11-14，35.

[15]池立江，颜语，汶占武.非均匀外磁场对罗氏线圈的干扰研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(15)：151-154. Chi Lijiang，Yan Yu，Wen Zhanwu.Research on the interference of non-uniform magnetic field to the Rogowski coil[J].Power System Protection and Control，2011，39(15)：151-154.

Design of Magnetic Coupler for Inductive Power Transfer System Based on Output Power and Efficiency

WangZhihui1HuChao1SunYue1,2DaiXin1

(1.College of Automation Chongqing University Chongqing 400030 China 2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400030 China)

In this paper，the function models of magnetic coupler and the electrical parameters are built firstly.Then the output power and efficiency are taken as the main goal，which might be affected by the structure parameters and the working frequency.After that，the design method for magnetic coupler is proposed with pervasive applicability.A new kind of magnetic coupler is then taken as the case of the method.Through coils combination and proper core structure，the magnetic coupler can improve the charging area in the case of guaranteeing enough power transfer distance.The reasonability of the method is proved by finite element electromagnetic simulation and measured dates.

Magnetic coupler，core structure，output power and efficiency，wireless power transfer

国家自然科学基金(51207173、51277192、51377183)和输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室访问学者项目(2007DA105127XXXXX)资助。

2015-05-29 改稿日期 2015-08-02

王智慧 男，1980年生，博士，副教授，研究方向为无线电能传输及电力电子变换技术。(通信作者)

胡 超 男，1989年生，博士研究生，研究方向为IPT系统磁耦合机构设计及优化。