基于ICPT技術(shù)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的互感分析

陶國彬， 劉幸幸， 李道成， 任萬程， 鄭勇彬

(1．東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2．中國石油大慶第八采油廠電力維修大隊(duì)技術(shù)隊(duì)，黑龍江 大慶 163300)

0 引 言

電動(dòng)汽車由于具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)而受到大眾青睞，但因續(xù)航問題無法大范圍推廣[1]。傳統(tǒng)插拔式充電受限于安全、便利等因素，無線充電技術(shù)可以很好地解決上述問題[2]。磁感應(yīng)耦合電能傳輸(inductive coupled power transfer，ICPT)技術(shù)因其具有高傳導(dǎo)率的特點(diǎn)已成為當(dāng)今電動(dòng)汽車無線充電領(lǐng)域的主流技術(shù)[3-5]。互感是系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，直接反應(yīng)系統(tǒng)的傳輸效率且關(guān)系到系統(tǒng)器件選擇的合理性，因此對(duì)互感的研究有利于電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的發(fā)展。本文以ICPT技術(shù)為基礎(chǔ)利用ANSYS、MATLAB研究電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中各參數(shù)對(duì)互感的影響以及不同結(jié)構(gòu)的松耦合變壓器用于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的合理性，為電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 基于ICPT技術(shù)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)理論分析

1.1 系統(tǒng)簡介

基于ICPT技術(shù)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)以電磁感應(yīng)原理為理論基礎(chǔ)，運(yùn)行時(shí)將電網(wǎng)中工頻電經(jīng)整流濾波、高頻逆變、原邊補(bǔ)償后傳輸?shù)剿神詈献儔浩靼l(fā)射端。松耦合變壓器利用交變磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)較大氣隙將電能耦合到接收端。接收端將接收到的高頻交變電流再經(jīng)原邊補(bǔ)償、整流濾波、功率調(diào)節(jié)后為電動(dòng)汽車車載蓄電池充電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于ICPT技術(shù)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 互感測量數(shù)學(xué)模型

松耦合變壓器平面結(jié)構(gòu)如圖2所示。Γ0至ΓN為接受端N層磁芯，Γ0′至ΓM′為發(fā)射端M′層磁芯。發(fā)射線圈ni匝，第m匝線圈半徑為aimi，接收線圈nj匝，第m匝線圈半徑為ajmj，電流密度為Jj。線圈間軸偏移距離為l，垂直距離為dij=(zi-zj)，其中zj、zi為線圈i、j的垂直坐標(biāo),μ0為真空磁導(dǎo)率,β為漢克爾變換的積分變量。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，線圈間互感可由式(1)近似計(jì)算得到:

(1)

采用多層不同材質(zhì)的磁芯可在不降低互感效果的前提下節(jié)約成本。磁通φu_eq與φl_eq是基于磁芯層數(shù)、磁芯厚度和磁芯屬性的關(guān)鍵參數(shù)。磁芯對(duì)系統(tǒng)互感的影響可用互阻抗ΔZul,ij表示。

(2)

這樣可推導(dǎo)出ICPT系統(tǒng)互感為線圈間互感與磁芯對(duì)互感影響的和:

Mij=Mv,ij+Im(ΔZul,ij)

(3)

圖2 松耦合變壓器平面結(jié)構(gòu)圖

2 仿真分析

2.1 磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率及磁芯厚度對(duì)互感的影響

設(shè)定線圈i與線圈j的內(nèi)外徑分別為15 mm、75 mm，軸偏移距離0 mm，線圈間垂直距離50 mm，磁芯距線圈1.5 mm，磁芯厚度、相對(duì)磁導(dǎo)率為獨(dú)立變量。磁芯厚度t變化范圍為(1～4) mm，相對(duì)磁導(dǎo)率urf變化范圍為(1～10 000)。在以上條件下，互感Mij與相對(duì)磁導(dǎo)率urf及磁芯厚度t的關(guān)系如圖3所示。

圖3 互感與相對(duì)磁導(dǎo)率及磁芯厚度的關(guān)系

仿真結(jié)果表明：無磁芯時(shí)互感接近5 mH；增添相對(duì)磁導(dǎo)率較高的磁芯，互感成倍增加；保持磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率不變，互感與磁芯厚度成正比。根據(jù)以上分析可知，可通過使用相對(duì)磁導(dǎo)率較高的材料來達(dá)到節(jié)省磁芯體積而不降低傳輸效率的設(shè)計(jì)要求。

2.2 線圈匝數(shù)及線圈外徑對(duì)互感的影響

設(shè)定線圈匝數(shù)的變化范圍為2～20匝，線圈外徑分別為50 mm、75 mm和100 mm，線圈間垂直距離50 mm，磁芯厚度4.5 mm，相對(duì)磁導(dǎo)率10 000。在線圈匝數(shù)n及線圈外徑an的影響下，互感Mij變化趨勢如圖4所示。

圖4 互感與線圈匝數(shù)及線圈外徑的關(guān)系

仿真結(jié)果表明：互感與線圈匝數(shù)及外徑成正比關(guān)系；由于線圈尺寸通常由實(shí)際情況所限制，因此可通過改變線圈匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)特定互感。根據(jù)以上分析可知，可通過提高線圈匝數(shù)且保持線圈外徑不變，來減少線圈損耗。

3 松耦合變壓器實(shí)用性研究

根據(jù)電動(dòng)汽車無線充電的實(shí)際情況，設(shè)定線圈j為20匝，內(nèi)外徑分別為25 mm、100 mm。線圈i為15匝，內(nèi)外徑分別為15 mm、75 mm。系統(tǒng)工作頻率固定為50 kHz。結(jié)構(gòu)1中松耦合變壓器僅由線圈構(gòu)成。結(jié)構(gòu)2中發(fā)射端擺放75 mm×18 mm×4.5 mm的條形磁芯，接收端擺放直徑為250 mm的圓盤形磁芯，磁芯距線圈1.5 mm。結(jié)構(gòu)3中接收端擺放75 mm×18 mm×4.5 mm的條形磁芯，發(fā)射端擺放62 mm×18 mm×4.5 mm的條形磁芯，磁芯距線圈1.5 mm。仿真時(shí)保持發(fā)射端距接收端50 mm。結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

(1)結(jié)構(gòu)1模型 (2)結(jié)構(gòu)2模型 (3)結(jié)構(gòu)3模型圖5 三種松耦合變壓器結(jié)構(gòu)模型

3.1 軸偏移距離對(duì)互感的影響

對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行無線充電時(shí)，因駕駛員對(duì)電動(dòng)汽車的人為手動(dòng)操縱將導(dǎo)致松耦合變壓器的接收端與發(fā)射端發(fā)生軸偏移，進(jìn)而影響系統(tǒng)互感。不對(duì)稱現(xiàn)象的出現(xiàn)是不可能完全消除的，因此研究軸偏移距離對(duì)互感的影響程度及趨勢具有實(shí)際意義。設(shè)定發(fā)射端與接收端軸偏移距離變化范圍為0 mm～200 mm。磁芯結(jié)構(gòu)、軸偏移距離l與互感Mij的關(guān)系如圖6所示。

圖6 互感與磁芯結(jié)構(gòu)及軸偏移距離的關(guān)系

由圖6可以看出：當(dāng)結(jié)構(gòu)1中發(fā)射端與接收端軸偏移距離超過100 mm時(shí)，互感接近于0 mH。結(jié)構(gòu)2中互感變化趨勢與結(jié)構(gòu)1中互感變化趨勢類似，但大小是結(jié)構(gòu)1中的3倍。結(jié)構(gòu)3中互感為結(jié)構(gòu)1中互感的兩倍，相比于結(jié)構(gòu)2，互感下降35%。通過對(duì)比可知，發(fā)射端擺放條形磁芯，接收端擺放圓盤形磁芯，軸偏移距離對(duì)互感的影響最小。

3.2 松耦合變壓器磁場分布情況及磁屏蔽效果

電動(dòng)汽車進(jìn)行無線充電時(shí)不可避免地會(huì)在車體周圍產(chǎn)生一定的電磁輻射，輻射的磁場會(huì)對(duì)車載控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，這是用戶非常關(guān)注的一個(gè)安全問題[7]。系統(tǒng)工作時(shí)松耦合變壓器磁場強(qiáng)度分布情況如圖7所示。

由以上三種結(jié)構(gòu)松耦合變壓器的磁場強(qiáng)度分布情況可以看出，添加磁芯后系統(tǒng)的傳輸效果明顯增強(qiáng)。磁芯與空氣相比具有較高相對(duì)磁導(dǎo)率和低磁阻率，可以對(duì)磁力線進(jìn)行改變，達(dá)到磁屏蔽的效果。通過對(duì)比分析，結(jié)構(gòu)2即發(fā)射端擺放條形磁芯，接收端擺放圓盤形磁芯傳輸效果較好且具有良好的屏蔽效果。

(1)磁場強(qiáng)度圖例 (2)結(jié)構(gòu)1磁場強(qiáng)度分布 (3)結(jié)構(gòu)2磁場強(qiáng)度分布(4)結(jié)構(gòu)3磁場強(qiáng)度分布圖7 磁場強(qiáng)度仿真結(jié)果圖

4 結(jié)束語

本文對(duì)基于ICPT技術(shù)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中的互感、松耦合變壓器進(jìn)行了仿真分析。研究結(jié)果表明：

(1)可通過使用具有較高相對(duì)磁導(dǎo)率的材料來節(jié)省磁芯體積而不降低性能，同時(shí)可通過提高線圈的匝數(shù)，保持線圈外徑不變，來減少線圈損耗。

(2)與其他兩種結(jié)構(gòu)的松耦合變壓器相比，發(fā)射端擺放條形磁芯且接收端擺放圓盤型磁芯的松耦合變壓器傳輸效果較好，具有良好的電磁屏蔽的效果，軸偏移距離對(duì)互感的影響最小，適用于為電動(dòng)汽車進(jìn)行無線充電。

本文研究結(jié)果對(duì)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。