王智慧 胡 超 孫 躍，2 戴 欣

(1.重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 重慶 400030 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400030)

?

基于輸出能效特性的IPT系統(tǒng)磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

王智慧1胡 超1孫 躍1，2戴 欣1

(1.重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 重慶 400030 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400030)

建立磁耦合機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)電氣參數(shù)的函數(shù)模型，以能效特性作為主要目標(biāo)，以磁耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性及頻率特性作為約束條件，提出一種具有普遍適用性的磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。并以該文所提出的一種新型磁耦合機(jī)構(gòu)為例，通過(guò)線圈組合的方式，配置相應(yīng)的磁心結(jié)構(gòu)，在保證能量傳輸距離的前提下，有效增加了系統(tǒng)的可充電區(qū)域。借助有限元電磁仿真平臺(tái)得到相應(yīng)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，證明了流程的合理性。

磁耦合機(jī)構(gòu) 磁心結(jié)構(gòu) 能效特性 無(wú)線電能傳輸

0 引言

感應(yīng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)IPT(Inductive Power Transfer，IPT)具有能量傳輸容量大、電磁污染輕以及電氣參數(shù)匹配方便等優(yōu)勢(shì)[1-3]，適用于中、近距離(幾毫米至幾十厘米)的電能無(wú)線傳輸。實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電需要解決電能無(wú)線傳輸距離、傳輸功率(Pout)以及傳輸效率(η)等幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，磁耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是決定以上指標(biāo)的關(guān)鍵[4-8]。

目前已有較多文獻(xiàn)對(duì)磁耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]介紹了一種功率5 kW、效率85%的磁耦合機(jī)構(gòu)。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種DD結(jié)構(gòu)的能量發(fā)射機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了2.5 kW、35.5 cm的無(wú)線電能傳輸。文獻(xiàn)[11]在保證功率傳輸?shù)燃?jí)的前提下，提出了一種BPP結(jié)構(gòu)電感，相較于DDQP結(jié)構(gòu)電感，減少了25.17%的用線量。文獻(xiàn)[12]針對(duì)磁耦合機(jī)構(gòu)線圈的空間位置進(jìn)行了研究，并優(yōu)化了配置。以上文獻(xiàn)均未系統(tǒng)地介紹磁耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，而在實(shí)際應(yīng)用中，一般先給出系統(tǒng)的傳輸功率等級(jí)及效率約束值。

本文針對(duì)以上約束提出了一種磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。首先分析了磁耦合機(jī)構(gòu)的能效特性，從能效函數(shù)中挖掘與機(jī)構(gòu)相關(guān)的電路及磁路參數(shù)，以此為依據(jù)確定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟。為實(shí)現(xiàn)IPT系統(tǒng)大功率、遠(yuǎn)距離的無(wú)線電能傳輸，一般需要在耦合裝置上配置相應(yīng)的磁心結(jié)構(gòu)。針對(duì)本文提出的一種新型組合型的線圈，配置相應(yīng)的磁心結(jié)構(gòu)，它們所組成的磁耦合機(jī)構(gòu)保證了足夠大的傳輸功率等級(jí)，并有效擴(kuò)大了系統(tǒng)的可充電區(qū)域。

1 磁耦合機(jī)構(gòu)能效及頻率特性分析

SS補(bǔ)償型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中Lp、Ls為發(fā)射端及拾取端電感值，Cp、Cs為補(bǔ)償電容，Rp、Rs為電感的等效內(nèi)阻，Ip、Is為電感的激勵(lì)電流，RL為負(fù)載電阻，k為耦合系數(shù)。

圖1 SS型磁耦合機(jī)構(gòu)等效電路圖

1.1 最大輸出功率與損耗分析

若IPT系統(tǒng)發(fā)射端與拾取端之間的互感值為M，則拾取端的開(kāi)路電壓Voc及短路電流Isc可表示為

(1)

拾取端最大輸出功率Pout為

(2)

(3)

由式(2)可知，當(dāng)一次電流恒定時(shí)，要提高Pout，可增大ω、M、Qs，它們與磁耦合機(jī)構(gòu)相關(guān)。

當(dāng)發(fā)射端恒壓輸入Vp時(shí)，存在以下關(guān)系式

(4)

當(dāng)Rs?RL時(shí)，式(2)為

(5)

由式(5)可知與Pout相關(guān)的參數(shù)有ω、M、Rp、RL，且Pout存在極值。

將式(2)改寫成與k值相關(guān)的表達(dá)式為

(6)

式中：Vp為發(fā)射端輸入電壓；VpIp為發(fā)射端輸入功率。由式(6)可知，當(dāng)輸入功率及Qs確定時(shí)，Pout的值只與k值相關(guān)，而k值是由磁耦合機(jī)構(gòu)決定的，此時(shí)磁耦合機(jī)構(gòu)最大輸出功率僅與磁耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)相關(guān)。

(7)

(8)

由式(8)可知，要減小機(jī)構(gòu)的繞線損耗，應(yīng)增大QLp、QLs、k的值。磁耦合機(jī)構(gòu)能量傳輸效率可近似表示為

(9)

1.2 頻率特性分析

若負(fù)載為可移動(dòng)用電設(shè)備(如電動(dòng)汽車無(wú)線充電)，設(shè)備的偏移將使得工作頻率發(fā)生漂移，從而在拾取端產(chǎn)生虛部阻抗Zfs為

(10)

由式(10)可得到虛部阻抗隨頻率的變化曲線，圖2為不同Ls時(shí)Zfs隨f變化的曲線。

當(dāng)頻率改變時(shí)，Ls越小，Zfs相對(duì)更加穩(wěn)定。而拾取端的頻率控制難度較大，希望f保持穩(wěn)定，因此在磁耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量減小Ls。

此外，頻率分叉現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)的能效影響較大。當(dāng)系統(tǒng)處于頻率分叉狀態(tài)時(shí)，存在多個(gè)諧振工作點(diǎn)，系統(tǒng)工作頻率可能偏移固有諧振點(diǎn)，因此在進(jìn)行磁耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免頻率分叉現(xiàn)象的產(chǎn)生。取表1所示的系統(tǒng)參數(shù)。

圖2 虛部阻抗隨頻率偏移變化曲線

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值Ui/V300Ls/μH220Lp/μH680Cs/nF287.8Cp/nF93.13Rp/Ω0.21RL/Ω514.4Rs/Ω0.09

系統(tǒng)ZCS諧振點(diǎn)隨M的變化曲線如圖3所示，隨著M的增加，系統(tǒng)的諧振工作點(diǎn)數(shù)量將發(fā)生變化。當(dāng)M值大于78 μH時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)3個(gè)ZCS諧振點(diǎn)，即發(fā)生了頻率分叉現(xiàn)象。

圖3 ZCS諧振點(diǎn)隨M的頻率分叉圖

2 磁耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 電感線圈形狀討論

圖4為幾種常用的電感線圈形狀。令一個(gè)振蕩周期內(nèi)線圈的激勵(lì)電流的有效值為If，將互感值M用磁場(chǎng)量綱表示為

(11)

式中：Φ為磁通量；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖4 4種形狀的線圈

不同形狀的線圈在空間產(chǎn)生的B值不同，從參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析，線圈形狀可能會(huì)對(duì)k以及可充電區(qū)域產(chǎn)生一定影響。

發(fā)射端和拾取端線圈匝數(shù)均取為Np=Ns=1，發(fā)射端及拾取端距離取5 cm。由于磁耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值分析較困難[13-15]，本文的仿真數(shù)據(jù)采用有限元電磁場(chǎng)仿真軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分析。4種形狀的磁耦合機(jī)構(gòu)k值隨線圈面積S的變化曲線如圖5所示。

圖5 k隨面積變化曲線

由圖5可知，使用圓形線圈的磁耦合機(jī)構(gòu)的k值大于其他幾種形狀線圈，這是因?yàn)槠渌麕追N線圈存在折角，折角處的磁場(chǎng)會(huì)存在一定的失真，導(dǎo)致k值略微降低，在線圈設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)增加折角處平滑度。

以面積為5×104mm2的單匝線圈為例，4種線圈的M值及歸一化輸出功率Poutn隨拾取線圈橫向移動(dòng)的變化曲線如圖6所示。由圖6可得出以下結(jié)論：

1)面積確定時(shí)，不同形狀的發(fā)射端線圈提供相近大小的可充電區(qū)域。

2)合理利用組合線圈，可增大拾取端的可充電區(qū)域。

圖6 M、Poutn隨橫向偏移變化曲線

2.2 線圈組合方式及磁心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

針對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電，磁耦合機(jī)構(gòu)需提供較大的充電區(qū)域，因此設(shè)計(jì)如圖7所示的一種DLDD(Double Layer Double D-type，DLDD)形式的能量發(fā)射線圈。圖7b為鐵氧體磁心結(jié)構(gòu)，圖7c、圖7d分別為發(fā)射機(jī)構(gòu)與拾取機(jī)構(gòu)的實(shí)物圖。

圖7 組合線圈等效結(jié)構(gòu)

對(duì)比DLDD形式與常用的圓盤螺旋形式的發(fā)射機(jī)構(gòu)的性能，以相同的M值作為初始參考量，兩種發(fā)射機(jī)構(gòu)M隨橫向偏移的變化趨勢(shì)及提供的充電區(qū)域如圖8所示，其中能量傳輸距離為20 cm，充電區(qū)域邊界的閾值為最大輸出功率的80%。

圖8 兩種發(fā)射機(jī)構(gòu)M隨偏移變化及充電區(qū)域

加磁心后，系統(tǒng)的輸出功率提升了約2.1倍，DLDD形式的發(fā)射機(jī)構(gòu)提供的充電區(qū)域約為圓盤螺旋形式的1.4倍，因此DLDD形式的磁耦合機(jī)構(gòu)更適合于電動(dòng)汽車的無(wú)線充電。

3 磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程及實(shí)驗(yàn)

對(duì)于一個(gè)實(shí)際的IPT系統(tǒng)，一般給定功率、效率、傳輸距離、輸出電壓以及充電區(qū)域中的幾種電氣指標(biāo)需求。提出一種磁耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，如圖9所示。以電動(dòng)汽車無(wú)線充電為例，按照?qǐng)D9所示流程進(jìn)行磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。表2為設(shè)定的電氣參數(shù)指標(biāo)需求。

根據(jù)電動(dòng)汽車無(wú)線充電大功率、遠(yuǎn)距離及較大充電區(qū)域的特征，選擇SS型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)及電流型激勵(lì)，并選擇如圖7所示的磁耦合機(jī)構(gòu)及磁心結(jié)構(gòu)。在保證足夠功率傳輸?shù)那疤嵯?，為減小電磁曝露，f值應(yīng)盡量小，設(shè)置初始f=20 kHz，對(duì)于初始Ip的設(shè)置應(yīng)滿足

(12)

式中：Pout0為最小輸出功率；Uim為最大輸入電壓。設(shè)置初始Ip=50 A，為滿足10 kW以上的功率輸出，計(jì)算可得最小互感M0=60.5 μH。當(dāng)DDLD線圈的單個(gè)“D”型線圈匝數(shù)增加至10時(shí)，同時(shí)拾取線圈匝數(shù)設(shè)置為20，通過(guò)仿真可得到磁耦合機(jī)構(gòu)的M=91.6 μH，此時(shí)Lp=396 μH、Ls=220 μH，計(jì)算得系統(tǒng)的工作頻率點(diǎn)數(shù)量N0=1。發(fā)生水平偏移時(shí)，M以及系統(tǒng)效率的實(shí)測(cè)值變化曲線如圖10所示。

圖9 磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

參數(shù)數(shù)值輸出功率≥10kW輸出電壓DC380V偏移容忍量≥15cm傳輸效率≥80%傳輸距離20cm

在水平偏移20 cm處，測(cè)得耦合機(jī)構(gòu)的M=71.7 μH，系統(tǒng)的PTE為82.3%，滿足系統(tǒng)指標(biāo)，證明了本文磁耦合機(jī)構(gòu)適用于電動(dòng)汽車無(wú)線充電及其設(shè)計(jì)流程的合理性。

圖10 實(shí)測(cè)M及PTE

4 結(jié)論

本文提出了一種磁耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，首先分析了磁耦合機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性，建立了機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)之間的能效模型，以輸出功率及效率作為磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的指標(biāo)。通過(guò)分析磁耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性、系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性和分叉現(xiàn)象，確定設(shè)計(jì)過(guò)程中的約束及判斷條件。以電動(dòng)汽車無(wú)線充電磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，提出了一種DLDD形式磁耦合機(jī)構(gòu)，滿足其傳輸距離遠(yuǎn)及充電區(qū)域大的需求，同時(shí)也證明了磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程的合理性。

[1] 唐春森，孫躍，戴欣，等.基于延時(shí)干擾的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)分岔頻率輸送控制[J].物理學(xué)報(bào)，2013，62(15)：158401-1-158401-10. Tang Chunsen，Sun Yue，Dai Xin，et al.Transition control of bifurcated frequencies in inductive power transfer systems through time delay perturbation[J].Chinese Journal of Physics，2013，62(15)：158401-1-158401-10.

[2] Covic G A，Boys J T.Modern trends in inductive power transfer for transportation applications[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2013，1(1)：28-41.

[3] 楊慶新，章鵬程，祝麗花，等.無(wú)線電能傳輸技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)與技術(shù)瓶頸問(wèn)題[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(5)：1-8. Yang Qingxin，Zhang Pengcheng，Zhu Lihua，et al.Key fundamental problems and technical bottlenecks of the wireless power transmission technology[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(5)：1-8.

[4] 李陽(yáng)，楊慶新，閆卓，等.無(wú)線電能有效傳輸距離及其影響因素分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(1)：106-112. Li Yang，Yang Qingxin，Yan Zhuo，et al.Analysis on effective range of wireless power transfer and its impact factors[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(1)：106-112.

[5] 黃學(xué)良，吉青晶，譚林林，等.磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)串并式模型研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(3)：171-176，187. Huang Xueliang，Ji Qingjing，Tan Linlin，et al.Study on series-parallel model of wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(3)：171-176，187.

[6] 張波，張青.兩個(gè)負(fù)載接收線圈的諧振耦合無(wú)線輸電系統(tǒng)特性分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)報(bào))，2012，40(10)：152-158. Zhang Bo，Zhang Qing.Characteristic analysis of magnetic resonant coupling-based wireless power transfer system with two receivers[J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)，2012，40(10)：152-158.

[7] 周詩(shī)杰.無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)能量建模及其應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[8] 黃曉生，陳為.線圈高頻損耗解析算法改進(jìn)及在無(wú)線電能傳輸磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(8)：62-70. Huang Xiaosheng，Chen Wei.Improved analytical calculation model of high-frequency coil losses and its usage in wpt magnetic system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(8)：62-70.

[9] Wu H H，Gilchrist A，Sealy K D，et al.A high efficiency 5 kW inductive charger for EVs using dual side control[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics，2012，8(3)：585-595.

[10]Budhia M，Boys J T，Covic G A，et al.Development of a single-sided flux magnetic coupler for electric vehicle IPT charging systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(1)：318-328.

[11]Zaheer A，Kacprzak D，Covic G A.A bipolar receiver pad in a lumped IPT system for electric vehicle charging applications[C].IEEE Energy Conversion Conqress and Exposition，Raleigh，NC，2012：283-290.

[12]夏晨陽(yáng)，孫躍，賈娜，等.耦合磁共振電能傳輸系統(tǒng)磁路機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(11)：139-145. Xia Chenyang，Sun Yue，Jia Na，et al.Magnetic circuit parameter optimization for coupled magnetic resonances power transfer system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(11)：139-145.

[13]何山，王維慶，張新燕，等.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)多種短路故障電磁場(chǎng)仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(12)：42-46. He Shan，Wang Weiqing，Zhang Xinyan，et al.Simulation study of multiple short-circuit fault electromagnetic field about DFIG in wind power[J].Power System Protection and Control，2013，41(12)：42-46.

[14]王雪，王增平.基于有限元法的變壓器電感參數(shù)計(jì)算方法的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(24)：11-14，35. Wang Xue，Wang Zengping.An investigation on transformer inductance calculation based on finite element method[J].Power System Protection and Control，2009，37(24)：11-14，35.

[15]池立江，顏語(yǔ)，汶占武.非均勻外磁場(chǎng)對(duì)羅氏線圈的干擾研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(15)：151-154. Chi Lijiang，Yan Yu，Wen Zhanwu.Research on the interference of non-uniform magnetic field to the Rogowski coil[J].Power System Protection and Control，2011，39(15)：151-154.

Design of Magnetic Coupler for Inductive Power Transfer System Based on Output Power and Efficiency

WangZhihui1HuChao1SunYue1,2DaiXin1

(1.College of Automation Chongqing University Chongqing 400030 China 2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400030 China)

In this paper，the function models of magnetic coupler and the electrical parameters are built firstly.Then the output power and efficiency are taken as the main goal，which might be affected by the structure parameters and the working frequency.After that，the design method for magnetic coupler is proposed with pervasive applicability.A new kind of magnetic coupler is then taken as the case of the method.Through coils combination and proper core structure，the magnetic coupler can improve the charging area in the case of guaranteeing enough power transfer distance.The reasonability of the method is proved by finite element electromagnetic simulation and measured dates.

Magnetic coupler，core structure，output power and efficiency，wireless power transfer

國(guó)家自然科學(xué)基金(51207173、51277192、51377183)和輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室訪問(wèn)學(xué)者項(xiàng)目(2007DA105127XXXXX)資助。

2015-05-29 改稿日期 2015-08-02

王智慧 男，1980年生，博士，副教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸及電力電子變換技術(shù)。(通信作者)

胡 超 男，1989年生，博士研究生，研究方向?yàn)镮PT系統(tǒng)磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。