基于ICPT技术电动汽车无线充电系统的互感分析

陶国彬， 刘幸幸， 李道成， 任万程， 郑勇彬

(1．东北石油大学 电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2．中国石油大庆第八采油厂电力维修大队技术队，黑龙江 大庆 163300)

0 引 言

电动汽车由于具有节能环保的特点而受到大众青睐，但因续航问题无法大范围推广[1]。传统插拔式充电受限于安全、便利等因素，无线充电技术可以很好地解决上述问题[2]。磁感应耦合电能传输(inductive coupled power transfer，ICPT)技术因其具有高传导率的特点已成为当今电动汽车无线充电领域的主流技术[3-5]。互感是系统关键参数，直接反应系统的传输效率且关系到系统器件选择的合理性，因此对互感的研究有利于电动汽车无线充电技术的发展。本文以ICPT技术为基础利用ANSYS、MATLAB研究电动汽车无线充电系统中各参数对互感的影响以及不同结构的松耦合变压器用于电动汽车无线充电系统的合理性，为电动汽车无线充电系统的设计提供参考。

1 基于ICPT技术电动汽车无线充电系统理论分析

1.1 系统简介

基于ICPT技术电动汽车无线充电系统以电磁感应原理为理论基础，运行时将电网中工频电经整流滤波、高频逆变、原边补偿后传输到松耦合变压器发射端。松耦合变压器利用交变磁场产生感应电流，经较大气隙将电能耦合到接收端。接收端将接收到的高频交变电流再经原边补偿、整流滤波、功率调节后为电动汽车车载蓄电池充电。系统结构框图如图1所示。

图1 基于ICPT技术电动汽车无线充电系统结构框图

1.2 互感测量数学模型

松耦合变压器平面结构如图2所示。Γ0至ΓN为接受端N层磁芯，Γ0′至ΓM′为发射端M′层磁芯。发射线圈ni匝，第m匝线圈半径为aimi，接收线圈nj匝，第m匝线圈半径为ajmj，电流密度为Jj。线圈间轴偏移距离为l，垂直距离为dij=(zi-zj)，其中zj、zi为线圈i、j的垂直坐标,μ0为真空磁导率,β为汉克尔变换的积分变量。根据文献[6]可知，线圈间互感可由式(1)近似计算得到:

(1)

采用多层不同材质的磁芯可在不降低互感效果的前提下节约成本。磁通φu_eq与φl_eq是基于磁芯层数、磁芯厚度和磁芯属性的关键参数。磁芯对系统互感的影响可用互阻抗ΔZul,ij表示。

(2)

这样可推导出ICPT系统互感为线圈间互感与磁芯对互感影响的和:

Mij=Mv,ij+Im(ΔZul,ij)

(3)

图2 松耦合变压器平面结构图

2 仿真分析

2.1 磁芯相对磁导率及磁芯厚度对互感的影响

设定线圈i与线圈j的内外径分别为15 mm、75 mm，轴偏移距离0 mm，线圈间垂直距离50 mm，磁芯距线圈1.5 mm，磁芯厚度、相对磁导率为独立变量。磁芯厚度t变化范围为(1～4) mm，相对磁导率urf变化范围为(1～10 000)。在以上条件下，互感Mij与相对磁导率urf及磁芯厚度t的关系如图3所示。

图3 互感与相对磁导率及磁芯厚度的关系

仿真结果表明：无磁芯时互感接近5 mH；增添相对磁导率较高的磁芯，互感成倍增加；保持磁芯的相对磁导率不变，互感与磁芯厚度成正比。根据以上分析可知，可通过使用相对磁导率较高的材料来达到节省磁芯体积而不降低传输效率的设计要求。

2.2 线圈匝数及线圈外径对互感的影响

设定线圈匝数的变化范围为2～20匝，线圈外径分别为50 mm、75 mm和100 mm，线圈间垂直距离50 mm，磁芯厚度4.5 mm，相对磁导率10 000。在线圈匝数n及线圈外径an的影响下，互感Mij变化趋势如图4所示。

图4 互感与线圈匝数及线圈外径的关系

仿真结果表明：互感与线圈匝数及外径成正比关系；由于线圈尺寸通常由实际情况所限制，因此可通过改变线圈匝数来实现特定互感。根据以上分析可知，可通过提高线圈匝数且保持线圈外径不变，来减少线圈损耗。

3 松耦合变压器实用性研究

根据电动汽车无线充电的实际情况，设定线圈j为20匝，内外径分别为25 mm、100 mm。线圈i为15匝，内外径分别为15 mm、75 mm。系统工作频率固定为50 kHz。结构1中松耦合变压器仅由线圈构成。结构2中发射端摆放75 mm×18 mm×4.5 mm的条形磁芯，接收端摆放直径为250 mm的圆盘形磁芯，磁芯距线圈1.5 mm。结构3中接收端摆放75 mm×18 mm×4.5 mm的条形磁芯，发射端摆放62 mm×18 mm×4.5 mm的条形磁芯，磁芯距线圈1.5 mm。仿真时保持发射端距接收端50 mm。结构模型如图5所示。

(1)结构1模型 (2)结构2模型 (3)结构3模型图5 三种松耦合变压器结构模型

3.1 轴偏移距离对互感的影响

对电动汽车进行无线充电时，因驾驶员对电动汽车的人为手动操纵将导致松耦合变压器的接收端与发射端发生轴偏移，进而影响系统互感。不对称现象的出现是不可能完全消除的，因此研究轴偏移距离对互感的影响程度及趋势具有实际意义。设定发射端与接收端轴偏移距离变化范围为0 mm～200 mm。磁芯结构、轴偏移距离l与互感Mij的关系如图6所示。

图6 互感与磁芯结构及轴偏移距离的关系

由图6可以看出：当结构1中发射端与接收端轴偏移距离超过100 mm时，互感接近于0 mH。结构2中互感变化趋势与结构1中互感变化趋势类似，但大小是结构1中的3倍。结构3中互感为结构1中互感的两倍，相比于结构2，互感下降35%。通过对比可知，发射端摆放条形磁芯，接收端摆放圆盘形磁芯，轴偏移距离对互感的影响最小。

3.2 松耦合变压器磁场分布情况及磁屏蔽效果

电动汽车进行无线充电时不可避免地会在车体周围产生一定的电磁辐射，辐射的磁场会对车载控制系统产生影响，这是用户非常关注的一个安全问题[7]。系统工作时松耦合变压器磁场强度分布情况如图7所示。

由以上三种结构松耦合变压器的磁场强度分布情况可以看出，添加磁芯后系统的传输效果明显增强。磁芯与空气相比具有较高相对磁导率和低磁阻率，可以对磁力线进行改变，达到磁屏蔽的效果。通过对比分析，结构2即发射端摆放条形磁芯，接收端摆放圆盘形磁芯传输效果较好且具有良好的屏蔽效果。

(1)磁场强度图例 (2)结构1磁场强度分布 (3)结构2磁场强度分布(4)结构3磁场强度分布图7 磁场强度仿真结果图

4 结束语

本文对基于ICPT技术电动汽车无线充电系统中的互感、松耦合变压器进行了仿真分析。研究结果表明：

(1)可通过使用具有较高相对磁导率的材料来节省磁芯体积而不降低性能，同时可通过提高线圈的匝数，保持线圈外径不变，来减少线圈损耗。

(2)与其他两种结构的松耦合变压器相比，发射端摆放条形磁芯且接收端摆放圆盘型磁芯的松耦合变压器传输效果较好，具有良好的电磁屏蔽的效果，轴偏移距离对互感的影响最小，适用于为电动汽车进行无线充电。

本文研究结果对电动汽车无线充电系统的设计具有一定的参考价值。