磁耦合谐振式的电动汽车无线充电系统研究

李小磊，秦会斌

（杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州310000）

0 引 言

近年来，无线充电技术一直是相关研究人员关注的热点课题，随着研究的深入，无线充电技术已经在医疗器械、家用电器、电动汽车以及高铁列车等领域得到了应用与发展，并取得了初步的成果。现如今，新能源汽车（EV）以其高效、节能、零排放等优点得到了政府的大力支持和企业的高度重视，EV也将成为未来汽车行业发展的趋势。

目前给电动汽车充电的方式主要有两种：即有线充电和无线充电。传统的有线充电方式灵活性较差，对充电接口容易产生磨损，会导致电火花的产生，安全性低。无线充电技术的使用可以有效地避免以上缺点，使得电动汽车的充电方式有了新的选择。本文在比较了不同种无线充电方式的基础上，设计了一套基于磁耦合谐振式的电动汽车无线充电方案，磁耦合谐振频率为30 kHz，并实现了30 cm传输距离的1 kW以上的电能传输，且计算系统传输效率达82%以上。

1 无线充电方式比较

无线充电技术（Wireless charging technology）源于无线电能传输技术，是指利用电磁感应原理，在充电器和用电装置之间通过磁场进行能量传输，无需用到电导线，根据传输原理主要分为三种：电磁感应耦合式无线充电技术、磁耦合谐振式无线充电技术和微波辐射式无线充电技术。磁耦合谐振式无线充电技术凭借着其传输距离适中、传输功率大、横向偏移错位适应性好，是目前在电动汽车领域最被看好的一种无线充电方式，具有非常广阔的应用前景，将其用做电动汽车无线充电方式是非常值得研究的。

2 系统总体方案

基于磁耦合谐振式无线充电系统由整流滤波电路、全桥逆变电路、驱动电路、控制电路、信号反馈互感器、谐振电容、发射线圈、接收线圈以及负载组成。系统框图如图1所示。

图1 磁耦合谐振式无线充电系统框图

其中，220 V市电输入经过整流滤波得到直流电压，再经过全桥逆变电路为发射线圈提供特定频率的交流电，发射线圈和接收线圈分别与谐振电容构成两个LC谐振电路，通过设计两线圈的物理参数和谐振电容值，使得两线圈的固有频率等于系统工作频率，系统工作在谐振状态，发射线圈和接收线圈发生磁场耦合共振，产生高频交变磁场，交变的磁场辐射到接收线圈，从而产生感应电流，实现了能量的无线传输。

驱动电路将控制电路传来的信号进行放大，使其具有足够大的功率来驱动全桥工作，从而产生高频交流电。在初级线圈添加信号反馈互感器，截取初级线圈的频率，经过一系列的处理之后得到与初级线圈频率相同的信号，再用这个信号去控制全桥，完成了自激。同时，设计了过流保护电路，当电流过大时，使全桥截止，保证整个系统处于正常运行的状态。

控制电路是整个电路的核心部分，本设计采用一系列逻辑器件来实现对系统工作的控制。它由限幅电路和过零检测、灭弧电路、启动与停止电路和过流保护电路组成，其框图如图2所示。

图2 控制电路框图

过流保护电路、限幅电路和过零检测接收来自初级线圈的反馈信号，并与灭弧电路通过一系列逻辑器件连接，其输出的信号通过启动与停止电路控制着全桥的工作，保证全桥工作在软开关状态。

3 电动车无线充电线圈设计

线圈的材料、几何形状、匝数、尺寸以及两线圈的位置都影响着其耦合系数的大小，从而影响传输效率。本设计中采用内阻和电导率都比较小的铜管作为线圈绕制材料，由于平面螺旋式线圈的耦合系数与品质因数都比较高，而且线圈需要安装在电动汽车地盘上，不能占用太大体积，所以本设计中采用平面螺旋式线圈。

单匝线圈的形状如图3所示，在高频电流的作用下，其等效电路模型主要是由自感、寄生电阻和分布电容组成。

图3 单匝线圈模型及等效电路模型

假设线圈的半径为r，匝数为N，线半径为a，流过线圈的交流电角频率为ω，发射线圈与接收线圈具有相同的参数。线圈电感L的计算公式为：

式中，μ0＝4π×10－7N·A－2为真空磁导率。

在高频电路中，线圈的分布电容不可以被忽略，它影响着线圈的整体阻抗。分布电容不仅取决于频率，还受线圈匝数以及匝间距的影响。如果只考虑相邻两匝线圈之间的分布电容，对于N匝线圈来说，相当于将N－1个分布电容进行串联，在高频状态下匝间分布电容的计算公式为：

式中，σ、D分别为线圈的电导率和匝距，ω为系统角频率，当ω＞1／2σμ0a2时，上式成立。由上式可以看出，线圈匝数越少，半径越大，且相邻两线圈匝距越小则分布电容越大。

知道线圈电感和分布电容之后，我们就可以得到线圈的自谐振频率为：

当系统达到谐振状态时，线圈的谐振频率应该与系统的工作频率相等，所以我们在发射线圈和接收线圈添加谐振电容，使系统工作在谐振状态。

线圈的寄生电阻，它是由欧姆电阻和辐射电阻组成。它们的表达式为：

式中，R0为欧姆电阻，Rr为辐射电阻，λ为电磁波波长，λ＝c／f，c为光速，f为电磁波的频率。

互感值的大小直接表明两线圈的耦合关系，我们可以通过两线圈之间的磁通量并结合毕奥萨伐尔法则计算得到。假设两线圈完全相同，同轴放置，线圈半径为r，两线圈间距为d，则两线圈之间的互感为：

在磁耦合谐振式无线电能传输系统中，线圈的损耗电阻主要是由欧姆损耗电阻R0和辐射损耗电阻Rr组成，而Rr＜＜R0，即可以忽略线圈辐射损耗，两线圈采用完全相同的参数，则线圈电阻R1＝R2≈R0，忽略电源内阻Ra，传输系统的效率为：

分别将线圈半径r和线圈匝数N 作为变量做出函数图像，如图4和图5所示。

由图4、5可以看出两个曲线的变化趋势相似，都是在一定范围内，系统的传输效率增长的非常迅速，最高值甚至接近100%，达到最大值后便开始缓慢的降低。在实际应用中随着线圈半径和匝数的增大，所需要的铜线也会变多，这就导致线圈的内阻增大，电流流经线圈的损耗也会变大，导致系统的传输效率降低。根据实际经验，半径的选择范围一般在10～30 cm之间，匝数一般在10匝左右。

图4 传输效率随线圈半径变化曲线

图5 传输效率随线圈匝数的变化

本实验设计发射线圈铜管的横截半径为0．4 cm，线圈半径为25 cm，匝数为11匝，发射圈和接收线圈完全相同。用自动元件分析仪对传输线圈的参数进行测量，系统工作频率设置为f＝30 kHz，测得线圈电感L＝37．42μH，线圈内阻R0＝0．06Ω，则品质因数为：

4 实验与分析

将发射线圈和接收线圈间距调整为30 cm，输出端接上8个额定功率为200 W的灯泡，给系统上电，调节灭弧的脉宽和频率旋钮，当调节到一定值时，灯泡开始亮起，继续调节旋钮直到最大，可以观察到8个灯泡的亮度达到很高，如图6所示。

用示波器测得次级线圈上灭弧脉宽和频率最大时的系统输出波形，如图7所示。可以观察到输出波形是一个振荡的波形，输出波形频率即系统的谐振频率为31 kHz。当灭弧输出信号为高电平时，谐振电容开始充电，电压通过LC振荡逐渐上升，前面测得灭弧信号的最大正脉宽为114μs，也就是全桥的导通时间，从图7（a）中可以看出输出波形的周期为32．1μs，114／32．1≈3．6，即全桥在第四个周期之后停止工作，谐振电容开始放电，电压逐渐降低至最小，直到下一个灭弧脉冲的到来。所以图7（b）中两个峰值就是一个灭弧周期。通过改变灭弧输出信号的频率就可以改变系统输出电压波形的占空比，从而改变输出功率。

分别调整两线圈的水平相对位置，在偏移10～30 cm时，每隔5 cm对系统进行上电测试，计算输出功率和传输效率，结果如表2所示，并作出输出功率随水平偏移距离变化的图像，如图8所示。

图7 接收线圈输出波形

表2 系统水平偏移实验

图8 功率随水平偏移的变化

图8 清晰地反映了输出功率随着水平偏移距离的变化逐渐变小，在0～10 cm之间，输出功率的减小较为缓慢，系统仍然具有良好的传输性能；当水平偏移距离达到15 cm时，系统输出功率只有将近700 W。在试验过程中，此时灯泡已经不能点亮。实验结果表明磁耦合谐振式无线充电技术具有一定的抗错位能力。

5 结束语

本文通过对几种常见的无线充电方式比较，最终选用基于磁耦合谐振式无线充电方案，设计了无线充电系统。系统的输出功率可达1．33 kW，传输效率最高达到82．1%，研究了传输线圈的水平偏移特性，试验结果表明系统具有一定的抗错位能力。