无线充电线圈参数的仿真与设计

0 引言

2009年我国汽车销量达到1 364万辆，同比增长46%，首次超过美国，成世界第一大新车市场。汽车工业的飞速发展，在方便人类生活的同时，也会给环境和能源带来巨大的压力。电动汽车(Electric Vehicle，EV)可以很好地解决机动车污染排放和能源短缺问题，是我国战略型新兴产业。早在"十五"期间，我国启动了"863"计划电动汽车重大专项，建立了"三纵三横"的开发布局。2010年6月，国家四部出台了《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》，在5个试点城市对私人购买新能源汽车进行不同程度的补贴。我国政府的积极态度表明电动汽车是未来社会发展的方向。

目前充电方式分为两大类：有线充电和无线充电(Wireless Power Transmission，WPT)。与传统的有线充电相比，WPT技术可以省却繁琐的充电作业，提高充电系统的安全性和可靠性，同时还可适应多种恶劣环境和天气[1]。适用于EV的WPT技术主要有电磁感应式和磁耦合谐振式。电磁感应式WPT技术虽然可实现大功率能量传输，但传输距离过短，同时汽车停车位置出现的微量横向偏移也会很大程度上降低系统的传输效率[2]。磁耦合谐振式无线能量传输(Magnetically-Coupled Resonant Wire-less Power Transmission，MCR-WPT)技术与电磁感应式相比传输距离远，传输效率高，且对横向偏移的适应性更强，更加适合应用于电动汽车[3]。日本东京大学设计了基于MCR-WPT技术的EV无线充电装置，传输功率为1 kW，距离为30 cm，效率约为88%[4]。由于该技术研究尚不成熟，在实际应用中还存在很大的困难。其中一个关键因素是线圈参数的设计。线圈作为该技术的核心部件，其参数的大小对系统的输出功率、传输效率及传输距离具有至关重要的影响。合理的线圈参数设计，能够充分发挥该技术的优势，实现系统大功率、高效率的传输，因此对线圈参数的优化设计具有重要意义。

本文对基于磁耦合谐振式的电动汽车无线充电技术进行介绍和研究。首先介绍了MCR-WPT技术的工作原理，用等效电路理论对系统进行建模分析。其次介绍了基于MCR-WPT技术的EV无线充电装置，并仿真分析了线圈参数对系统传输性能的影响规律，在此基础上描述了线圈参数的设计过程。为EV无线充电系统线圈参数的设计提供了依据。

1 MCR-WPT技术原理与基本理论

1.1 MCR-WPT技术原理

MCR-WPT系统的基本结构为图1。磁耦合谐振式WPT系统主要由高频电源、阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈和负载驱动电路等组成。该技术主要是利用近场区的非辐射理论，使能量在具有相同谐振频率的物体之间周期性地来回传递，而不同共振频率的物体基本不受影响，因此可实现高效的能量传输。磁耦合谐振式WPT的具体工作原理是：高频电源向发射天线输出高频交变电流，经过阻抗匹配网络将能量传递给发射线圈。发射线圈在高频交变电流的作用下发生谐振，产生高频电磁场。当合理设置收发线圈的参数时，接收线圈也发生共振，产生同频共振的电磁场，形成能量接收通道，继而接收能量，接收到的电能经过负载驱动电路处理后便可以给负载供电，从而实现无线输电[5]。

1.2 MCR-WPT系统等效电路理论

忽略电源内阻、趋肤效应和毗邻效应的影响，得到简化的两线圈等效电路模型如图2所示。

图中， L1，L2，C1，C2，R1，R2分别为发射线圈和接收线圈的等效电感、谐振电容和等效电阻。I1，I2分别为发射线圈和接收线圈中的电流，M为两线圈间的互感，D为两线圈间的距离，RL为等效负载，US为高频电源。由系统等效电路图根据基尔霍夫电压定律可建立关系式(1)：

式中，Z1，Z2分别为发射线圈与接收线圈回路的阻抗，由式(1)可得系统的输出功率P，输入功率PS与传输效率η的计算表达式为式(2)：

当发射线圈和接收线圈同时发生谐振时，系统的功率和效率才最大[6]，此时Z1=R1，Z2=R2+RL。

2 EV无线充电原理

基于MCR-WPT的EV无线充电的结构图图如图3所示。该装置由电网、发射装置、接收装置和负载等组成。在实际应用中，常将发射线圈置于地面下，接收装置安装在汽车底盘下面，当电动汽车停在固定区域内便可对其进行无线充电。

基于MCR-WPT的EV无线充电的原理图如图4所示。充电原理是：从电网传输进来的交流电由整流滤波电路滤去干扰信号后变成直流电，再经过振荡器变换成需要的高频交流电，接着经过功率放大器和阻抗匹配网络将能量传递给发射线圈；接收线圈通过耦合谐振作用从发射线圈吸收能量，在接收端产生高频交流电，经过整流滤波电路变换成直流电，而后经过电池充电装置进行电