电动汽车无线充电谐振线圈的耦合设计研究

郑希江　路艳玲　王立功　吕元锋

摘 要：现有电动汽车充电桩运行中存在一定的局限性，充电受到地点的限制，所达到的充电效率有限，磁耦合谐振式电动汽车线圈的设计与运用有效解决了这一困局，是一种无线充电方式，对空间载流线圈磁场分布情况进行分析，以此减弱线圈自感的影响，建立联谐振充电、串联谐振充电两种充电模式，并对此进行论证分析。针对串联电容谐振充电方式，为了提升传输距离与传输效率，通过系统仿真分析，可见能够达到 95%充电效率，综合运用情况良好。

关键词：电动汽车 无线充电谐振线圈 耦合设计

1 引言

大功率电池的使用情况是电动汽车发展的重要影响因素之一，为了促进电动汽车的快速发展，应当加大对电动汽车充分方式的研究，传统充电桩使用受到地点的限制，无线充分方式显示出了重要应用价值。新型绕组耦合方式是对传统充分方式的重要补充。使用电磁谐振耦合的方式传输电能，2km范围内能够达到40%传输效率[1]。本文从电路角度研究磁耦合谐振式无线电能传输技术，对电动汽车充电方式进行了重要补充。

2 电动汽车无线充电磁耦合谐振传输模型构建

发射线圈与接收线圈沟通构成磁耦合谐振式传输系统，在激励电流作用下，发射线圈能够产生磁场，发射线圈则出现感应电动势，在分析过程中，为了提升接收线圈内部感应电动势，要求将补偿电容器与补偿电容器连接，以此减弱自感影响，使其能够处于谐振状态。

2.1 SS型系统模型情况

首先分析串联谐振方式，构建SS型串联-串联系统，以L1表示发射线圈，互感系数以M表示，电压源则以Us表示，L2表示接收线圈。见图1。

在此种模式方式处理过程中，随着电源电压数值加大，负载最大传输功率随之相应提升，为此可以降低电源输出阻抗或者串联等效电阻。若减小串联阻抗或者增加线圈电感，能够显著提升电源频率，此时能够显著提升传输距离。在线圈结构与距离固定时，系统负载功率存在最大数值，此时存在一个最优负载阻值[2]。

2.2 SP型系统系统模型情况

此种模式状态下得到的线路图见图2。以 SP表示并联谐振方式。

在满足既定条件下，系统能够达到最大的负载功率，k数值与最大值传输距离之间呈反比，在耦合系数k增大时，SP型系统负载功率呈现先增后减状态，若系统电路模型不变，具有一个耦合系数的最优解k0，能够使得系统负载功率最大，k0与传输距离之间为反比。通过SP型系统的构建，能够显著提升系统运行效率，采用的措施为增加电压源电压，同时显著降低电源等效阻抗。

此次研究证明了谐振耦合具有良好的能量传输情况，在实际传输过程中不会受到阻隔物、位置等因素的影响。此次模型研究运用中，各项设备的选用均符合理论研究条件，并在此基础上增加或者减小距离，电能传输距离也产生了相应变化，据此证明了谐振耦合传输时IPSO-SVM训练时间也产生一定变化。在预测步长增加时，此种表现优势更加明显，其重要原因之一为IPSO算法的出现提升了SVM参数寻优速度，在实际运用过程中，降低了计算复杂程度，能够提升电力负荷的训练速度，运用优势明显，有利于促进电力负荷的有效预测与拓展，显著提升了实际运用范围。见表1。

通过负载处理能够显著改变系统传输效率，负载数值与系统传输效率之间呈正比例关系。在Q2>1时，系统传输效率数值增加增速有所减缓。可见在传输距离固定时，随着负载增加，系统传输效率呈现出先增加后降低的变化状态。

3 电动汽车无线充电磁耦合谐振模型仿真分析

进行磁耦合线圈电路模型的仿真分析，使用Pspice进行，结合系统运行相关数值构建磁耦合线圈电路模型，在此次分析中，L1=L2=95μH，R1=R2=0.5Ω，Us=50V，C1=C2=30.45pF，Rs=20Ω，研究中相关不同因子之间的关系见图3。

通过对上图数值分析可见，随着耦合系数的增大，系统效率随之提升，在系统耦合系数k=0.045情况下系统效率48.7%，负载功率最大能够达到11.80W，在耦合系数逐渐增加时，负载功率数值呈现逐渐增大至最大数值，后逐渐缩小的状态。谐振频率与负载功率之间有一定的关系，呈反比关系。

4 电动汽车无线充电磁耦合谐振模型优化研究

在具体充电过程中，充电电池一般具有较大的充电电流，其输入电阻不大，因此无线电能传输中，较为适宜的方式为SS型谐振电路，具体运用过程中能够实现远距离传输，但是运用中要求提升串联回路的品质因数，在具体操作中，电路设计中一般连接电源负载、阻抗、电感线圈，不利于回路品质因数提升[3]。

因此设计过程中，在SS型串联回路发生线圈与接收线圈中间设计一个中继线圈，以此有效改善线路品质因数，延长电路传输距离，通过此种方式处理之后的线路模型见图4。

通过仿真分析研究SSSS型系统中，继线圈的使用对最终传输效率的影响，对系统相关数值进行分析，L1=L4=45.25μH，C1=C4=60.90pF，Rs=20Ω，Us=50V，L2=L3=95μH，R1=R2=R3=R4=0.5Ω.在具有相同负载线圈耦合系数、电源线圈情况下，充电工作主要受到中继线圈的耦合系数这一因素的影响，k12=k34=0.2，在中继线圈耦合系数k23发生变化时，整个电路系统负载功率情况对系统进行仿真分析，研究可知，12.34W为负载功率的最大数值，此时k23=0.765，系统效率最大数值达到0.95。

构建正弦电压搭建相关实验平台，并使用安特伦信号发生器，及时采集相关分析数据，并对数据进行验证。通过信号发生器发出信号，并将其传输给发射线圈，在具体信号分析中，接收线圈与发射线圈之间通过谐振耦合进行能量传输，设备处理中接收线圈进行信号接收并以示波器显示，以示波器进行波形观测与分析。此种能量传输方式运用过程中优势明显，使用的充电方式较为灵活，充电过程中不受到充电位置与时间的限制，能够便捷地为电动汽车进行充电，有效提升了充电活动中的自主性与适应性。

通过以上SSSS型线圈进行电路仿真模式分析能够得出，在电路参数既定时，通过对中继线圈的耦合系数的调节能够 延长无线电能传输距离，提升系统运行工作效率。系统最大负载功率的主要影响因素为电源输出阻抗、电源电压，在这两者数值固定时，最大负载功率恒定。

5 结语

无线电能传输为电动汽车充电提供了新的技术，对此提出补偿电容来消除线圈自感抗处理方式，使用并联补偿、串联补偿两种电力模式，并对其分别进行理论与仿真验证，通过实验分析可见，此两项实验处理方式下系统工作效率均约50%， 并在此基础上建立中继线圈的串联补偿模型，对该系统运行情况进行实际仿真分析，通过处理之后，显著提升了电动企业的充电效率，对促进无线电能传输具有重要意义。

课题来源：教师科研基金项目《基于新旧动能转换背景下新能源汽车无线充电系统的研究》，项目编号2020jsky 05。

参考文献：

[1]郭伟健.电动汽车无线充电系统电磁环境分析与屏蔽技术研究[D].北京交通大学，2020.

[2]趙辉.谐振式无线电能传输系统电磁安全性与屏蔽技术研究[D].兰州理工大学，2020.

[3]陆洋锐.基于阻抗匹配效率优化的电动汽车无线电能传输的研究[D].江苏大学，2020.