电动汽车无线充电的磁耦合结构综述

郑心城 陈 为



电动汽车无线充电的磁耦合结构综述

郑心城 陈 为

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

近年来电动汽车的无线充电技术引起业界的广泛关注。电动汽车无线充电技术的重点和难点在于磁耦合结构的设计，关键参数在于耦合系数，以及线圈偏移后的性能。本文首先简要分析了3种最基本的磁耦合结构的特点，在此基础上详细介绍了国内外研究机构的磁耦合结构改进方案。最后，提出了关于磁耦合结构设计上的考虑因素以及发展趋势。

电动汽车；无线充电；磁耦合结构

石油是人类生存必不可少的资源，但是石油属于不可再生能源。面对石油消耗终端不断增大（庞大的汽车数量）和不断减少的石油储量，电动汽车有替代传统汽车的趋势。推广电动汽车的障碍在于电动汽车的充电问题。目前，电动汽车的充电方式有3种：有线充电、无线充电和更换电池方案。有线充电的技术成熟，成本低，但是面临着雨雪天气有触电的危险；更换电池的方案看似完美，但是不同汽车产商之间的电池差异明显，不具有普遍性；而无线充电是近年来兴起的充电方式，虽然技术不够成熟，成本高，但它具有便捷、安全的优势，因此引起社会的广泛关注。

无线电能传输的研究可以追溯到19世纪末，尼古拉·特斯拉就梦想着实现隔空传能，但是由于技术原因未能实现。无线电能传输经过100多年缓慢发展，直到2007年麻省理工大学的物理教授Marin Soljacic带领的研究团队在《Science》发表了谐振式无线电能传输技术的论文[1]后，引起学术界的轰动，带来无线电能传输的研究热潮。随之，各大企业也纷纷展开无线电能传输的应用开发，典型的比如Witricity、Evatran、Qualcomm等。

磁耦合结构的性能是影响无线电能传输的重要因素，目前磁耦合结构的种类繁多，但磁耦合结构的设计基本上是围绕着提高耦合系数为中心。

1 最基本的磁耦合结构

仅从线圈的绕制方式可以将磁耦合结构分为最基本的3种。分别是环形线圈，螺线管线圈和8字形线圈，其中8字形线圈也称为DD线圈。这3种线圈各有各的特点。

环形线圈是最早采用的磁耦合结构，其绕制方便，分析简单。虽然环形线圈的耦合较差，但是铁损和铜损也很小。以长方形环形线圈为例，结构示意图如图1所示。

图1 长方形环形线圈

螺线管线圈属于典型的“铜包铁”结构，其磁力线集中，耦合系数高。但是，高耦合系数带来的代价是较大的铜损和铁损。无线充电中典型的螺线管线圈如图2所示。

8字形线圈是与环形线圈相似，由两个环形线圈反向串联而成，产生方向相反的磁场。8字形线圈的耦合系数和损耗介于环形线圈和螺线管线圈之间，其结构如图3所示。

图3 8字形线圈

目前，所采用的磁耦合结构大多数是通过这3种基本线圈结构的组合、变形以及改进，实现高耦合系数和良好的抗偏移性能。

2 国外研究现状

虽然麻省理工大学把无线电能传输带入大众的视野，然而，在无线电能传输的应用上，奥克兰大学的研究是最具代表性的。在无线电能传输研究的早期，奥克兰大学对CP（circle pad）线圈[2-3]、DD线圈（8字形线圈）[4]以及E型磁心接收线圈[5]等结构进行优化。虽然CP线圈和DD线圈作为接收侧在理想情况下能够实现高效的传输，然而，实际中存在泊车位置偏移造成收发线圈错位，为了实现同样的功率传输除了采用足够大的发射线圈外就是增加逆变器的输入电压，这些都是十分不经济的做法。而E型磁心作为接收侧可以绕制多个绕组，虽然能够提高线圈偏移后的性能，但是结构过于笨重，不易于扁平化设计，因此并不适合于电动汽车使用。为了解决这一问题，奥克兰大学提出了DDQ线圈结构[6-7]，即在DD线圈的基础上增加一个Q线圈。DD线圈和Q线圈正交，产生的磁场互不影响，两线圈分别输出，输出电压经过整流后再并联。DDQ线圈结构和相应的电路拓扑如图4所示。

图4 DDQ磁耦合结构和相应的电路拓扑

以发射线圈是DD线圈为例，如图5所示。在接收线圈位置不发生偏移的时候，由DD线圈接收发射线圈磁场，随着接收线圈偏移量的增加DD线圈的感应电压在减小，Q线圈的感应电压在增大。将DD线圈和Q线圈的输出叠加，在线圈偏移时能够尽可能减小输出功率降低。

图5 DDQ线圈接收磁场和位置偏移的关系

虽然DDQ结构具有良好的抗偏移效果，但是DDQ结构的用铜量较大。因此，在DD线圈的基础上，奥克兰大学又提出了BP线圈结构[8-9]。BP线圈是由两个环形线圈交错反向串联而成，两个环形线圈之间的互感为0，互不影响。两个环形线圈的输出通过整流后并联。线圈结构如图6所示。BP线圈相比DDQ线圈的耦合要略差，输出的功率也较低。但是能够节省25.17%的用铜量。

图6 BP磁耦合线圈结构

在奥克兰大学后续研究中，学者们更多关注泄露磁场的抑制方面[10-11]。以发射侧为DD线圈，接收侧为BP线圈为例，改进结构如图7所示。将线圈外侧的导线分层紧密绕制，磁心尺寸大于线圈尺寸，为漏磁通提供低磁阻回路。当接收线圈水平偏移200mm时，与传统结构相比，在1/2传输高度下，距线圈800mm处的漏磁场能够减小46%。

图7 减小泄露磁场方法

在文献[12]中，奥克兰大学采用改进的螺线管线圈，其结构如图8所示。将绕组分成两个部分并联，分别绕制在磁心的两端，不仅提高磁场的作用范围，并且能够减少铜的用量。增加两个磁极部分的磁心用量，提高磁场耦合的面积，能够降低磁阻，进一步提高耦合系数。

图8 奥克兰大学改进螺线管线圈结构

即使螺线管线圈的耦合系数高，但是，螺线管线圈应用在无线电能传输中几乎都要有金属屏蔽层，而金属屏蔽层的损耗会大大影响传输效率。为解决这一问题，奥克兰大学提出了图9所示的结构[13]。采用工字型磁心，在3个磁柱上绕上3个线圈。3个线圈的磁场叠加后，在一侧磁场加强，另一侧削弱。省去了金属屏蔽层。借鉴DDQ结构，在图9的基础上，增加一个Q线圈，组成两套接收线圈，相应的结构和接收侧电路如图10（b）所示。

图9 无金属屏蔽层改进螺线管线圈

（a）4线圈磁耦合结构

（b）4线圈结构对应的输出电路

图10 奥克兰大学4线圈结构

将图9结构在垂直方向压缩变成扁平结构，采用I型磁心。线圈1和2绕制在I型磁心的两端，线圈3绕制在磁心中间，1，2和3串联成一个线圈，线圈4绕制在1，2和3之间。4与1，2和3正交，两套接收线圈的磁场互不影响。输出经过并联后向负载L供电。与DDQ结构相似，3接收水平方向磁场；1，2和4接收垂直方向磁场，在线圈偏移后，能够大大降低位置的敏感性。

韩国高等科技学院（KAIST）的研究主要集中在在线充电上，但是在传统的电动汽车静态充电也有不少成果。文献[14]中采用了两个U形磁心，线圈绕8字形的方案，如图11所示。其中，发射侧的磁极表面足够大，保证在接收线圈偏移的时候，收发线圈的磁极仍然正对着。样机能够实现在传输距离15cm，方向偏移40cm，方向偏移20cm，最大输出功率达到15kW。该结构虽然有较强的抗偏移性能，但是，结构笨重。

图11 KAIST提出U-U型的磁耦合结构

从减小频率分叉现象入手，KAIST提出了三线圈结构[15]，即在发射线圈同一平面上加上一个中继线圈，如图12所示。发射和接收线圈的调谐频率为85kHz，中继线圈的调谐频率为110kHz，电路的开关频率为100kHz。在传输距离200mm的条件下，输出功率6.6kW，效率高达95.57%。

图12 KAIST提出的三线圈充电结构

文献[16]也提出了与KAIST三线圈结构相似方案。该结构是在文献[3-4]中的CP线圈基础上在发射侧平面加上一个中继线圈，结构如图13所示。线圈全部采用串联谐振的方式，在传输距离100mm下，输出功率1kW，传输效率达91.3%。

电动汽车无线充电具有大电流，高频率的特点，而磁耦合结构属于松耦合变压器，因此，抑制漏磁场也是业界关注的问题之一。KAIST在抑制漏磁场方面采用了产生反向磁场线圈来减小漏磁场[17]。结构如图14所示。

图13 奥克兰大学采用的三线圈充电结构

图14 KAIST减小漏磁场方案

图14中增加的2匝反向绕制线圈产生的磁场与主磁场方向相反，使磁通束缚在一个小的区域内，但是这两匝反向绕组又不会明显抵消主磁通。实验结果表明，12kW的样机在距离线圈中心1m处的磁场强度低于44mG。能够满足ICNIRP的漏磁场规范。

文献[18]是针对在线充电的磁耦合结构，但是，该磁耦合结构对静态充电仍然具有指导意义。采用两相输入，电流d和q相位相差90°，绕线方式如图15所示。其中两个磁极的间距是接收线圈的尺寸方向长度的1/4。在接收线圈运动中，仅电流d作用下的输出电压d（实线）和仅电流q作用下的输出电压q（虚线）如图15所示。采用该结构，输出电压为d+q。即，在汽车运动过程中能够实现较为均匀的电压输出。将该结构应用在静态充电中，同样可以解决泊车偏移带来输出功率大幅度下降的问题。

图15 在线充电两相输入磁耦合结构

除了高校的研究外，还有不少企业在电动汽车无线充电领域，也有很大的投入。比较有代表性的是丰田汽车公司。从提高线圈偏移后的性能出发，丰田汽车公司提出了一种大小线圈串联的结构，构造出一个均匀磁场[19]，对线圈的偏移也具有很好的效果。结构如图16所示。

图16 丰田汽车公司提出的空心线圈结构

发射侧和接收侧都采用两个线圈，其中一个是阻抗匹配线圈，另一个是发射线圈/接收线圈。收发线圈产生的磁场在中间位置抵消，边缘位置叠加。构造出的磁场相对均匀。

除了丰田汽车公司的磁耦合结构外，美国Evatran公司对螺线管线圈结构改进[20]。将磁极表面做成“凹凸状”，在不增加磁心用量下减小磁阻，使收发线圈更好地耦合。结构如图17所示。

图17 Evatran公司改进磁耦合结构

3 国内研究现状

国内的无线电能传输起步较晚，但是也取得一些成就。重庆大学是国内最早进入无线电能传输领域的研究机构。重庆大学将4个D线圈串联，称为DLDD结构[21-22]，为了减轻重量，将磁心改为双“田”字结构，线圈绕制方式、结构以及17cm传输高度下产生的磁场分布如图18所示。该结构具有很好的抗偏移能力，当线圈尺寸为60cm×60cm，水平偏移量20cm时，传输效率仍有82.3%。

南京航空航天大学和中兴新能源汽车合作，先后提出了带扩展臂磁心结构[23-24]和绕组混合绕法结构[25-26]，分别如图19（a）和（b）所示。图19（a）中采用两个大面积的磁心作为磁极，减小磁阻，线圈采用8字形绕法。图19（b）是在图19（a）的基础上，磁心中柱再增加一个螺线管绕组，增加收发线圈的耦合。图19（b）的结构应用在中兴新能源汽车上，充电效率超过90%。

（a）绕线方式      （b）线圈结构

（c）磁心结构      （d）磁场分布

图18 重庆大学的DLDD磁耦合结构结构以及产生的磁场分布

（a）带扩展臂磁心      （b）绕组混合绕制

从磁场的分布来分析，在空间上，场的分布基本上都具有三维特征，如果能够将各个方向的磁场全部耦合到接收线圈，那么，输出功率一定是最大的。在此基础上，文献[27]提出了三维磁场接收线圈的模型。发射侧采用导体交错排列方式，产生均匀磁场。接收侧磁心类似于十字架结构，在,,3个轴上分别绕上线圈。各个方向线圈的感应电压整流后在串/并联。发射侧和发射线圈产生的磁场以及接收侧的结构如图20（a）和（b）所示。

4 结论

从上文国内外的研究情况可知，影响磁耦合结构的参数很多，包括传输距离、体积、绕线方式屏蔽措施等多个方面。表1列出了上文中提到的部分磁耦合结构的参数特征。

（a）发射侧结构与磁场强度幅值

（b）接收侧结构

图20 福州大学提出的磁耦合结构

电动汽车无线充电相比传统的插电式充电具有便捷、安全、免维护等优点，有着巨大的潜力。磁耦合结构是影响传输效率及输出功率的重要因素，而且合理的结构能够大大减小漏磁场的泄露。相比国外研究机构，国内的研究略显单薄。目前磁耦合方案的设计主要是提高耦合系数，然而，影响传输效率的因素除了线圈的耦合系数，还与线圈值密切相关。因此，磁耦合结构的研究还可以从以下几个方面入手。

1）采用合理的绕线和线规，减小绕组损耗。

2）采用合理的屏蔽减小磁场泄露。

3）力图减小磁心和导线用量，减轻重量，降低成本。

表1　部分磁耦合机构的对比

注：在文献[6-9]中，采用接收侧的开路电压、短路电流和有载品质因数的乘积来表示输出功率（ocsc）。采用中继线圈（三线圈结构）其目的是为了提高耦合，减小频率分叉现象，对线圈偏移后的输出性能不是该结构设计的出发点。

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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

郑心城（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力电子高频磁技术和无线电能传输。