适应需求侧管理的高效中距离磁共振式电动汽车无线充电线圈优化设计
郑广君
【摘 要】提出一种适应需求侧管理的高效中距离磁共振式电动汽车无线充电线圈优化设计方法.在分析磁共振式无线充电系统工作原理的基础上,首先对充电耦合线圈结构进行优化设计,选取多股漆包线并联而成的导线绕制方形耦合线圈,并通过增加线圈层数提升系统传输效率;其次通过实验对比验证,优化选取系统工作频率,最优工作频率为55kHz时,系统传输效率可达85%以上;最后分析线圈相对位置与传输效率之间的关系曲线,优化设计后的系统线圈相对位置为18cm时,最高传输效率为85%.实验结果表明经过优化设计耦合线圈系统传输效率明显得到提升.%This paper focuses on an optimization design method of efficient middle-distance magnetic-resonance wireless charge coil suitable for electrical vehicle charging. First, optimization design is carried out for the structure of charge coil, based on research of magnetic-resonance wireless charging principle, and a square coil is enwound with multi-stranded wires connected in parallel, with multilayer coil added to improve the transmission efficiency; then, the optimal working frequency of circuit is optimized and selected through ex
perimental comparison validation. The transmission efficiency reaches over 85% when the optimal working frequency is 55 kHz; finally, the relation curve between the relative displacement of coils and the transmission efficiency is analyzed. The maximum transmission efficiency is 85% when the relative displacement is 18 cm. The experimental result shows that the optimized charging coil raises the transmission efficiency obviously.
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2017(032)0z1
【总页数】8页(P209-216)
【关键词】无线充电;磁耦合;传输效率;优化设计
【作 者】郑广君
【作者单位】国网北京市电力公司 北京 100031
【正文语种】中 文
【中图分类】TM724
21世纪以来，全球石油能源大量消耗以及大量未经处理的气体、液体随意排放，全球气候变暖，大气、水资源污染频发，生态环境逐渐恶化，严重威胁到人类未来的生存与发展。因此，为了继续坚持可持续发展道路，低碳环保将是人类发展所追求的主要方向。电动汽车作为以纯电力驱动的新能源汽车，与传统燃油车相比，具有零排放无污染的优势。此外，电能的来源多种多样，是一种可再生无污染的清洁能源，采用电动汽车替代传统的燃油车会极大地减缓化石能源的消耗。因此，发展和普及电动汽车已经成为我国实现可持续发展，把经济发展方式从规模速度型粗放增长向质量效率型集约增长进行转变的重要举措。
目前，以美日为首的发达国家已经投入了大量研发力量开发纯电动汽车以及混合能源汽车，各类硬件制造产业链已经相对完善，逐渐形成技术优势。但阻碍电动汽车取代传统汽车的一个主要因素就是其充电问题。传统的电动汽车有线充电方式有以下弊端：①有线充电只能在汽车静止的情况下进行，降低了充电效率；②需要人工现场操作；③充电时，带电操作易引起安全隐患；④整个充电装置暴露在外不易维护、充电方式不够灵活；⑤天气恶劣时，无法进行露天充电[1]。为了解决上述问题，近几年电动汽车无线充电技术迅速发展，它可以实现
能量无线传输，隔离了直接的电气连接，避免充电过程中安全事故的发生，而且可以实现充电的智能化自动控制，无需手动操作，有效避免人员触电。接触式有线充电与非接触式无线充电的对比见表1。
国内近几年也开展了电动汽车无线充电技术的相关研究，其中天津工业大学、重庆大学、东南大学的研发团队的实验样机及产品相继研制成功[2]。国家电网科学研究院和南方电网科学研究院也相继在无线电能传输方面展开了研究，计划在不久后能将无线充电技术应用到电动汽车市场当中[3]。
电能需求侧管理即以经济激励为主要手段，引导和刺激电力用户优化用电方式。东南大学等单位的研究成果表明，通过调整无线充电发射端与接收端的电压相对相位，易于实现电网功率的双向流动。相比于传统的有线电动汽车充电方式，无线充电方式与电网交互的能力更强，故无线充电方式在电能需求侧管理的应用中有先天的优势。电动汽车无线充电方式可使人为因素介入更少，电动汽车的无线充电与供电入网都可以在无人的情况下进行，从而用户在无线充电方式下与电网的交互意愿将数倍于有线充电方式。可见，基于磁共振耦合式的无线电能传输技术将为电动汽车的需求侧管理提供了技术支撑[4]。
本文提出一种适应需求侧管理的高效中距离磁共振耦合式电动汽车无线充电系统的线圈优化设计方法，对充电耦合线圈的结构进行设计、对线圈相对偏移造成的效率变化进行优化及分析；确定了系统的最优工作频率，提高了系统传输距离与效率。
无线电能传输技术（Wireless Power Transmission,WPT）的综合性非常强，属于电磁场、电力电子、控制策略等多学科的交叉，该技术又有多个分支，分别体现出不同的系统特性[5]。应用合理的数学模型来对系统参数进行分析是系统进行实际应用的前提，本文将采用电路理论对磁共振耦合式无线电能传输系统进行建模，为进一步研究做好准备。
磁共振系统中的发射线圈和接收线圈有多种补偿方式，下文以SS（接收端和发射端都是串联电容补偿）拓扑系统为例进行研究。电容串联-串联（SS）拓扑结构如图1所示，系统采用电压源US作为驱动源；L1、L2为两线圈的等效电感；M为发射线圈与接收线圈互感；C1、C2为线圈的等效电容，R1为发射线圈内阻，R2为接收线圈内阻，RL为负载，RS为电源内电阻。根据基尔霍夫定律可建立SS拓扑结构的系统方程为[6]
考虑当系统处于非共振状态时，令RS+R1 = RL+R2 = R，L2 = L1 = L，C1 = C2 = C。引入广义失谐因子ζ= Q(ω/ω0-ω0/ω)，其中Q为品质因数，Q = ω0L/R = 1/(ω0CR)。将其代入式
（1）可以得到
解式（2）可得系统一次、二次电流，从而可得系统功率，归一化后有
式中，δ为耦合因数，δ = ωM/R。光速汽车
根据式（3）得出归一化功率a频率响应关系如图2所示。
由图2可知：
（1）耦合因数δ＞1（过耦合）时共振频率开始发生偏移分叉，随着δ的减小，频率分叉程度也减小并最终合并到共振频率点处，在δ=1时，存在频率分叉的临界点。
（2）耦合因数δ=1，虽然频率在此处开始分叉，但是不管系统工作在奇共振模式还是偶共振模式，均能实现整体最大传输效率。
（3）耦合因数δ＜1，称之为欠耦合，系统欠耦合时随着耦合程度（互感）的减小传输效率开始急剧下降。
由式（2）还可以得到传输效率h
由式（4）得到效率与失谐因子ζ和耦合因数δ的关系如图3所示。
由图3可知：
（1）在δ≤1（欠耦合及临界耦合）处，系统在自由频率点（ζ = 0，又称本征频率）处发生共振，传输效率最大。不存在频率的分叉。随着耦合程度（互感）的减小，传输效率急剧下降。
（2）在δ＞1（过耦合）处，自有频率开始分叉，频率出现3个极值点，系统在原有固有共振频率（ζ = 0）处效率最大[7-9]。
2.1  导线选取
高频交流线圈中存在明显的趋肤效应，在线圈导线的中心由于高频磁场产生的感应电流会抵消原有励磁电流，导致线圈导线横截面上的电流分布不均匀，即线圈导线表面分布的电流密度要大于导线中心分布的电流密度，有效截面积变小，交流电阻增大。线圈交流电阻直接影响线圈品质因数，且其与系统的失谐因子有关，因此线圈结构设计直接影响了系统的输出功率与传输效率。
由于利兹线是由多股漆包线并联绕制，其有效表面积远大于普通单芯导线，能够有效抑制趋肤效应。故本文采用利兹线绕制线圈。本文系统参数为传输功率700 W，额定电压380 V，额定电流3 A，并选取直径为1 mm、600股的利兹线作为绕制线圈导线。同时，绕制了直径为50 cm的两组圆形线圈测试对比，在工作频率达到150 kHz的情况下，由单芯导线绕制的线圈交流电阻为2.5 Ω，由选定参数的利兹线绕制的线圈电阻为0.6 Ω。多股漆包线并联的导线如图4所示。