基于ISO/PAS 19363标准的电动汽车无线充电系统的实现

董一帆，卢闻州，陈祥修，姜鸿杰

（江南大学 物联网工程学院 轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122）

0 引 言

采用无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）技术的电动汽车无线充电方式[1-2]方便且安全，相较于传统接触式充电方式具有明显优势。因此，近年来针对电动汽车[1]和轨道电车[2]的无线充电方式的研究有许多。随着相关研究工作的进行，电动汽车无线充电方式发展迅速，相关标准如ISO/PAS 19363[3]、（SAE）J2954[4]也逐步被制定，其对功率、频率以及线圈尺寸等要求进行了描述。线圈作为WPT系统的重要组成部分，对其的相关研究许多。例如，文献[5-6]利用有限元分析软件对线圈结构进行研究，分析了影响传输效率的因素；文献[7]绕制了“蚊香状”方形线圈，并实现了大功率的电动汽车无线充电系统。然而，文献[5-7]的功率和电源频率等并未参考相关的标准要求。由于相关标准中ISO/PAS 19363对于线圈尺寸的描述更详细，因此本文基于ISO/PAS 19363标准设计并绕制线圈，制作了85 kHz高频交流电源，在标准的要求下实现了无线充电系统。

1 线圈及其电感计算

线圈关系到WPT系统进行电能传输的性能高低，并且谐振电容的选取需要参考线圈电感参数。因此，进行系统实现前需设计和绕制线圈，并计算线圈电感。

1.1 线圈设计与绕制

参考标准ISO/PAS 19363中MF-WPT/Z2的线圈要求，设计线圈参数如下：内核边长119.8 mm；外壳边长355 mm；平均边长218.9 mm；导磁体边长340 mm。另外，为了降低高频电阻效应[6]，设计采用900股Litz线（截面直径4.2 mm）进行线圈绕制。

需要说明的是，包裹导线的绝缘热缩管存在厚度，并且线圈的各匝之间存在间隙。因此，实际绕制的线圈的尺寸参数与设计值之间存在误差。为保证平均边长这一重要尺寸参数的误差较小，线圈匝数定为20匝。

最终绕制得到的线圈如图1所示，其具体参数如下：内核边长120 mm；外壳边长350 mm；线圈外径345 mm；平均边长232.5 mm，其与设计值的218.9 mm误差为13.6 mm。

图1 方形线圈与方形导磁体

1.2 线圈电感计算

电感为线圈的重要参数，方形线圈自感L与互感M的计算公式[8]如下：

式中，μ0为空气磁导率，μ0=4π×10-7；N为线圈匝数，N=20；d为线圈的平均边长，d=232.5 mm；c为线圈厚度，即导线直径与线圈匝数的乘积；γ为比值c/(d+c)的函数，计算得到c/(d+c)后查表[8]可得γ；h为两线圈间距即传输距离，其值在参考标准后定为14 cm；A=(d2+h2)1/2；D=(2d2+h2)1/2。

计算得到线圈自感L为1.2×10-4H，互感M为1.17×10-5H。由于本文所采用的发射线圈与接收线圈相同，因此耦合系数k=M/L=0.097 5，满足标准所要求的k＜0.15。

1.3 导磁体

尽管耦合系数满足标准要求，但是为了增加系统性能，仍然需要增设导磁体。需要说明的是，由于互感难以测量，因此将自感与互感的计算值作为判断线圈耦合程度的参考。然而，实际进行谐振电容匹配时，为保证电路的谐振，需要采用仪表对所绕制线圈的自感进行测量。

导磁体边长的设计值为340 mm，采用长度90 mm、宽度15 mm、厚度5 mm的导磁片进行拼接，得到如图1所示的平面方形导磁体（边长360 mm，厚度5 mm）。

2 WPT系统实现与实验结果

2.1 系统实现

本文设计的实现WPT系统的电路原理如图2所示，可分为高频逆变电源部分、收发线圈及其调谐电容部分和整流滤波输出部分。

高频逆变电源为发射线圈L1提供80～85 kHz高频交流电，发射线圈与其谐振电容C1形成串联谐振，并通过电磁耦合将电能传输到接收线圈L2，接收线圈接收的电能经过整流滤波后转化为可用的稳定直流电供给负载。

图2 无线充电系统实现电路原理图

根据如图2所示的系统实现电路原理搭建如图3所示的WPT系统实验平台，其中采用的导磁体线圈为第1节中设计并绕制的线圈。

图3 WPT系统实验平台

2.2 实验结果

保持传输距离h为14 cm，进行9组输入功率不同的实验。实验结果如表1所示，其中η为传输效率，且η=Po/Pd×100%；Pd为输入功率；Po为负载功率；f为系统谐振频率。

表1 实验结果

从表1可以看到，当输入功率达到350 W以上（第8组和第9组）时，传输效率达到85%以上，可满足标准的要求。

需要说明的是，电路中增加了热敏电阻，用于降低电路中滤波电容充电瞬间的电流，进而保护直流侧滤波电容。因此，当输入功率较低时，热敏电阻损耗较大，系统传输效率较低。而随着输入功率的上升，热敏电阻值下降，损耗减小，进而传输效率上升。

第7组的实验波形如图4所示，其中U1为逆变输出电压，I1为发射线圈电流，U2为高频整流输入电压，I2为接收线圈电流。

从图4可以看到，输入的电压电流同相位，输出的电压电流同相位，输入与输出相位相差π/2，由此可以判定收发回路均处于谐振状态。

综上，实验测试中，在标准的要求下实现了无线充电系统：在标准要求的谐振频率范围80～85 kHz，收发回路均处于谐振状态；在标准限制的传输距离（14 cm）下，传输效率满足标准的要求（≥85%）。

图4 第7组实验波形图

3 结 论

本文基于ISO/PAS 19363标准设计并绕制了线圈，搭建了实验平台，进行了无线充电系统实现的实验测试。实验中，在83 kHz的谐振频率以及14 cm的传输距离下，传输效率可达到85%以上，满足标准的要求。尽管在标准的要求下实现了无线充电系统，但是实验中采用电阻代替实际应用中的电池负载，且传输效率仍然需要进一步优化，这将是后续的研究内容。