黃孫偉，王悅宇，竇汝振，趙 鋼

（1.天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.中國汽車技術(shù)研究中心 天津300300）

電動(dòng)汽車無線充電諧振耦合電路的分析

黃孫偉1，王悅宇1，竇汝振2，趙 鋼1

（1.天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.中國汽車技術(shù)研究中心 天津300300）

電動(dòng)汽車無線充電基于耦合電路的作用通過諧振器將能量由初級(jí)側(cè)傳遞到次級(jí)側(cè)，實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸，是研究無線充電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其傳輸效率受到多個(gè)因素的影響。整體的工作效率是繞組結(jié)構(gòu)、耦合效果、工作頻率等共同作用的結(jié)果，而傳輸距離的長短也會(huì)直接影響傳輸效率。本文圍繞無線電能傳輸系統(tǒng)的距離特性展開分析，研究距離對(duì)電路傳輸特性的影響。本實(shí)驗(yàn)最后得到的傳輸效率為72％，傳輸距離為12 cm，完全印證了無線充電諧振耦合理論的分析。

無線充電；諧振耦合電路；距離特性；傳輸效率

隨著全球電動(dòng)汽車保有量的增加，電動(dòng)汽車越來越受到關(guān)注，而其充電方式也是制約其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)行的充電方式主要有充電樁和換電站。建設(shè)充電樁或換電站不僅需要消耗巨大的人力、物力成本，而且裸露的導(dǎo)體還易產(chǎn)生電火花不僅存在安全隱患，還占據(jù)大量空間。與有線充電相比，無線充電方式靈活，不受空間與位置限制，能夠安全、快捷地對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)充電方式在適應(yīng)性與自主充電方面的不足。

現(xiàn)有的無線充電主要有感應(yīng)耦合式、磁耦合諧振式、還有無線電波式［1］，文中在結(jié)合無線充電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀結(jié)合電動(dòng)汽車充電特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過研究磁耦合諧振式無線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。

1　無線電能傳輸距離特性分析

磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)在于發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)由勵(lì)磁繞組和發(fā)射繞組組成［2］，它們之間是通過直接耦合關(guān)系把能量從勵(lì)磁繞組傳到發(fā)射繞組。接收系統(tǒng)由接收繞組和負(fù)載繞組組成，他們之間同樣也是通過直接耦合關(guān)系把能量從接受繞組傳到負(fù)載繞組。發(fā)射繞組和接收繞組之間通過磁場的諧振耦合實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸［3］。其等效電路模型如圖1所示，勵(lì)磁繞組由激勵(lì)源和單匝線圈組成，負(fù)載繞組由單匝線圈和負(fù)載組成，發(fā)射繞組和接收繞組全都是由多匝線圈組成。

圖1中激勵(lì)源內(nèi)阻為Rs，負(fù)載內(nèi)阻為RL，L1、C1、RP1分別為勵(lì)磁繞組的等效電感、等效電容、和由于趨膚效應(yīng)等因素產(chǎn)生的損耗內(nèi)阻和輻射電阻之和［4］。L2、C2、RP2分別為發(fā)射繞組的等效電感、等效電容、和由于趨膚效應(yīng)等因素產(chǎn)生的損耗內(nèi)阻和輻射電阻之和；L3、C3、RP3分別為接收繞組的等效電感、等效電容、和由于趨膚效應(yīng)等因素產(chǎn)生的損耗內(nèi)阻和輻射電阻之和；L4、C4、RP4分別為負(fù)載繞組的等效電感、等效電容、和由于趨膚效應(yīng)等因素產(chǎn)生的損耗內(nèi)阻和輻射電阻之和。為了分析問題的方便，將勵(lì)磁繞組的電路反射到發(fā)射繞，相當(dāng)于發(fā)射繞組中加入了一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢；而將負(fù)載繞組反射到接收繞組相當(dāng)于接收繞組增加了一個(gè)反射阻抗，其等效電路如圖2所示，US、R1分別為勵(lì)磁繞組等效到發(fā)射繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢和阻抗［5］；RL為負(fù)載繞組反射到接收繞組的等效阻抗；R2、R3分別為發(fā)射繞組、接收繞組的損耗電阻和輻射電阻之和。

圖1　無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路模型圖

圖2　無線電能傳輸系統(tǒng)簡化電路模型圖

設(shè)流過發(fā)射繞組和接收繞組的電流分別為I1、I2，這里選用負(fù)載阻抗和激勵(lì)源內(nèi)阻相同的數(shù)值，假定它們的耦合系數(shù)相同，那么它們的反射阻抗也必然相同，即R1=R4。因?yàn)榘l(fā)射繞組和接收繞組結(jié)構(gòu)相同，所以R2=R3，L2=L3，C2=C3。為了便于分析，這里令R1+R2=R3+R4=R；L2=L3=L；C2=C3=C；M23=M。

那么接收繞組歸一化電壓為

由歸一化電壓α與失諧因子ξ和耦合因數(shù)λ的關(guān)系可知［6］:

1）在λ＞1處存在頻率分裂現(xiàn)象，隨著耦合因數(shù)λ的減小，頻率分裂也減小并收斂在諧振頻率點(diǎn)處，在該點(diǎn)λ=1，一般稱之為臨界耦合現(xiàn)象。

2）在λ＞1處，雖然存在頻率分裂現(xiàn)象，但不管在哪個(gè)諧振頻率處，系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)最大傳輸效率；耦合因數(shù)大于臨界耦合我們稱之為過耦合現(xiàn)象。

3）在λ＜1處，耦合因數(shù)小于臨界耦合我們稱之為欠耦合現(xiàn)象，在欠耦合范圍下系統(tǒng)傳輸效率急劇下降。

2　實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證距離傳輸特性的，本實(shí)驗(yàn)初級(jí)側(cè)采用安特倫的信號(hào)發(fā)生器，采用VP-P=20的正弦電壓搭建相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采集有關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。

通過信號(hào)發(fā)生器發(fā)出高頻的信號(hào)傳輸給發(fā)射線圈，發(fā)射線圈和接收線圈之間通過諧振耦合傳輸能量，接收線圈端接收信號(hào)并通過示波器顯示出來，通過示波器觀測波形。如圖3、4所示。

圖3　發(fā)射線圈、接收線圈示意圖

圖4　最佳諧振點(diǎn)處傳輸電能的波形圖

圖5　整個(gè)傳輸過程的實(shí)物圖

3　結(jié)　論

該系統(tǒng)采用了信號(hào)發(fā)生器作為發(fā)射源，通過兩個(gè)線圈進(jìn)行能量的傳輸，通過示波器觀測傳輸效率。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)的傳輸效率為72％左右，傳輸距離為12 cm，并且在中間放上阻擋物并沒有影響傳輸效率。因此驗(yàn)證了諧振耦合傳輸能量并不受位置、阻隔物等的影響。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，此套設(shè)備完全驗(yàn)證了理論分析，再此基礎(chǔ)上增大或減小距離，傳輸效率都有所下降，也印證了在諧振耦合傳輸過程中存在頻率分裂現(xiàn)象。由此也印證了該系統(tǒng)的可行性，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

［1］鄧亞峰.無線供電技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2013.

［2］傅文珍，張波，丘東元，等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計(jì)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，（18）:21-26.

［3］周詩杰.無線電能傳輸系統(tǒng)能量建模及其應(yīng)用［D］.重慶：重慶大學(xué)，2012.

［4］陳文.無線能量傳輸技術(shù)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，2011.

［5］李聞先 基于磁耦合共振技術(shù)無線能量傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2013.

［6］Qingxin Yang，Guizhi Xu，Jianqiang Jin，et al.Optimal design of energy transmission system for implantable device base on WiTricity，Electromagnetic Field Computation（CEFC），2010 14th Biennial IEEE Conference，201（1）:9-12.

Wireless charging resonance coupling circuit of the distance characteristics of the analysis

HUANG Sun-wei1，WANG Yue-yu1，DOU Ru-zhen2，ZHAO Gang1
（1.Tianjin University of Technology，Tianjin Key Laboratory of Control Theory＆amp;Applications in Complicated Systems，Tianjin 300384，China；2.China Automotive Technology＆amp;Research Center，Tianjin 300300，China）

Wireless charging is the main purpose of coupled circuit through the resonator transfer energy from the primary side to the secondary side，realize the wireless transmission of energy，is one of the key technology research system，the transmission efficiency is restricted by multiple factors，and the overall efficiency is winding structure，the coupling effect，together with the working frequency，etc.However the transmission distance of increase or decrease will directly affect the transfer efficiency.By analyzing the distance characteristics of wireless charging system in this paper to explore the influencing factors of the distance of circuit transmission characteristics.This experiment finally get transmission efficiency of 72％，transmission distance of 12 cm，fully demonstrated the wireless charging resonance coupling theory analysis.

wireless charging；resonance coupling circuit；distance character；transmission efficiency

TM72

A

1674－6236（2016）16-0149-02

2015-10-25稿件編號(hào)：201508013

黃孫偉（1962—），男，天津人，副教授。研究方向：電力電子與電氣傳動(dòng)。