陶國彬， 劉幸幸， 李道成， 任萬程， 鄭勇彬

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

0 引 言

電動汽車由于具有節(jié)能環(huán)保的特點而受到大眾青睞，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]。磁感應耦合電能傳輸(inductive coupled power transfer，ICPT)技術(shù)因其具有高傳導率的特點已成為當今電動汽車無線充電領(lǐng)域的主流技術(shù)[3-5]?；ジ惺窍到y(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，直接反應系統(tǒng)的傳輸效率且關(guān)系到系統(tǒng)器件選擇的合理性，因此對互感的研究有利于電動汽車無線充電技術(shù)的發(fā)展。本文以ICPT技術(shù)為基礎(chǔ)利用ANSYS、MATLAB研究電動汽車無線充電系統(tǒng)中各參數(shù)對互感的影響以及不同結(jié)構(gòu)的松耦合變壓器用于電動汽車無線充電系統(tǒng)的合理性，為電動汽車無線充電系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 基于ICPT技術(shù)電動汽車無線充電系統(tǒng)理論分析

1.1 系統(tǒng)簡介

基于ICPT技術(shù)電動汽車無線充電系統(tǒng)以電磁感應原理為理論基礎(chǔ)，運行時將電網(wǎng)中工頻電經(jīng)整流濾波、高頻逆變、原邊補償后傳輸?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)原邊補償、整流濾波、功率調(diào)節(jié)后為電動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)電動汽車無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 互感測量數(shù)學模型

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,μ0為真空磁導率,β為漢克爾變換的積分變量。根據(jù)文獻[6]可知，線圈間互感可由式(1)近似計算得到:

(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)。磁芯對系統(tǒng)互感的影響可用互阻抗ΔZul,ij表示。

(2)

這樣可推導出ICPT系統(tǒng)互感為線圈間互感與磁芯對互感影響的和:

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 磁芯相對磁導率及磁芯厚度對互感的影響

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、相對磁導率為獨立變量。磁芯厚度t變化范圍為(1～4) mm，相對磁導率urf變化范圍為(1～10 000)。在以上條件下，互感Mij與相對磁導率urf及磁芯厚度t的關(guān)系如圖3所示。

圖3 互感與相對磁導率及磁芯厚度的關(guān)系

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

2.2 線圈匝數(shù)及線圈外徑對互感的影響

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，相對磁導率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際情況所限制，因此可通過改變線圈匝數(shù)來實現(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 松耦合變壓器實用性研究

根據(jù)電動汽車無線充電的實際情況，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 軸偏移距離對互感的影響

對電動汽車進行無線充電時，因駕駛員對電動汽車的人為手動操縱將導致松耦合變壓器的接收端與發(fā)射端發(fā)生軸偏移，進而影響系統(tǒng)互感。不對稱現(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互感的影響程度及趨勢具有實際意義。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：當結(jié)構(gòu)1中發(fā)射端與接收端軸偏移距離超過100 mm時，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

電動汽車進行無線充電時不可避免地會在車體周圍產(chǎn)生一定的電磁輻射，輻射的磁場會對車載控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，這是用戶非常關(guān)注的一個安全問題[7]。系統(tǒng)工作時松耦合變壓器磁場強度分布情況如圖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。磁芯與空氣相比具有較高相對磁導率和低磁阻率，可以對磁力線進行改變，達到磁屏蔽的效果。通過對比分析，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)磁場強度圖例 (2)結(jié)構(gòu)1磁場強度分布 (3)結(jié)構(gòu)2磁場強度分布(4)結(jié)構(gòu)3磁場強度分布圖7 磁場強度仿真結(jié)果圖

4 結(jié)束語

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

(1)可通過使用具有較高相對磁導率的材料來節(jié)省磁芯體積而不降低性能，同時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，軸偏移距離對互感的影響最小，適用于為電動汽車進行無線充電。

本文研究結(jié)果對電動汽車無線充電系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的參考價值。