基于輸出能效特性的IPT系統磁耦合機構設計

王智慧 胡 超 孫 躍，2 戴 欣

(1.重慶大學自動化學院 重慶 400030 2.輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400030)

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基于輸出能效特性的IPT系統磁耦合機構設計

王智慧1胡 超1孫 躍1，2戴 欣1

(1.重慶大學自動化學院 重慶 400030 2.輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400030)

建立磁耦合機構與系統電氣參數的函數模型，以能效特性作為主要目標，以磁耦合機構的結構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構設計流程。并以該文所提出的一種新型磁耦合機構為例，通過線圈組合的方式，配置相應的磁心結構，在保證能量傳輸距離的前提下，有效增加了系統的可充電區域。借助有限元電磁仿真平臺得到相應數據及實驗測量數據，證明了流程的合理性。

磁耦合機構 磁心結構 能效特性 無線電能傳輸

0 引言

感應耦合式無線電能傳輸技術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匹配方便等優勢[1-3]，適用于中、近距離(幾毫米至幾十厘米)的電能無線傳輸。實現無線供電需要解決電能無線傳輸距離、傳輸功率(Pout)以及傳輸效率(η)等幾個關鍵問題，磁耦合機構的設計是決定以上指標的關鍵[4-8]。

目前已有較多文獻對磁耦合機構的設計及參數優化進行了研究。文獻[9]介紹了一種功率5 kW、效率85%的磁耦合機構。文獻[10]設計了一種DD結構的能量發射機構，實現了2.5 kW、35.5 cm的無線電能傳輸。文獻[11]在保證功率傳輸等級的前提下，提出了一種BPP結構電感，相較于DDQP結構電感，減少了25.17%的用線量。文獻[12]針對磁耦合機構線圈的空間位置進行了研究，并優化了配置。以上文獻均未系統地介紹磁耦合機構的設計流程，而在實際應用中，一般先給出系統的傳輸功率等級及效率約束值。

本文針對以上約束提出了一種磁耦合機構設計流程。首先分析了磁耦合機構的能效特性，從能效函數中挖掘與機構相關的電路及磁路參數，以此為依據確定機構的設計步驟。為實現IPT系統大功率、遠距離的無線電能傳輸，一般需要在耦合裝置上配置相應的磁心結構。針對本文提出的一種新型組合型的線圈，配置相應的磁心結構，它們所組成的磁耦合機構保證了足夠大的傳輸功率等級，并有效擴大了系統的可充電區域。

1 磁耦合機構能效及頻率特性分析

SS補償型拓撲結構如圖1所示，其中Lp、Ls為發射端及拾取端電感值，Cp、Cs為補償電容，Rp、Rs為電感的等效內阻，Ip、Is為電感的激勵電流，RL為負載電阻，k為耦合系數。

圖1 SS型磁耦合機構等效電路圖

1.1 最大輸出功率與損耗分析

若IPT系統發射端與拾取端之間的互感值為M，則拾取端的開路電壓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，當一次電流恒定時，要提高Pout，可增大ω、M、Qs，它們與磁耦合機構相關。

當發射端恒壓輸入Vp時，存在以下關系式

(4)

當Rs?RL時，式(2)為

(5)

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

將式(2)改寫成與k值相關的表達式為

(6)

式中：Vp為發射端輸入電壓；VpIp為發射端輸入功率。由式(6)可知，當輸入功率及Qs確定時，Pout的值只與k值相關，而k值是由磁耦合機構決定的，此時磁耦合機構最大輸出功率僅與磁耦合機構參數相關。

(7)

(8)

由式(8)可知，要減小機構的繞線損耗，應增大QLp、QLs、k的值。磁耦合機構能量傳輸效率可近似表示為

(9)

1.2 頻率特性分析

若負載為可移動用電設備(如電動汽車無線充電)，設備的偏移將使得工作頻率發生漂移，從而在拾取端產生虛部阻抗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Zfs隨f變化的曲線。

當頻率改變時，Ls越小，Zfs相對更加穩定。而拾取端的頻率控制難度較大，希望f保持穩定，因此在磁耦合機構的設計過程中應盡量減小Ls。

此外，頻率分叉現象對系統的能效影響較大。當系統處于頻率分叉狀態時，存在多個諧振工作點，系統工作頻率可能偏移固有諧振點，因此在進行磁耦合機構的設計時，應避免頻率分叉現象的產生。取表1所示的系統參數。

圖2 虛部阻抗隨頻率偏移變化曲線

參數數值參數數值Ui/V300Ls/μH220Lp/μH680Cs/nF287.8Cp/nF93.13Rp/Ω0.21RL/Ω514.4Rs/Ω0.09

系統ZCS諧振點隨M的變化曲線如圖3所示，隨著M的增加，系統的諧振工作點數量將發生變化。當M值大于78 μH時，系統出現3個ZCS諧振點，即發生了頻率分叉現象。

圖3 ZCS諧振點隨M的頻率分叉圖

2 磁耦合機構結構設計

2.1 電感線圈形狀討論

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

(11)

式中：Φ為磁通量；B為磁感應強度。

圖4 4種形狀的線圈

不同形狀的線圈在空間產生的B值不同，從參數關聯性分析，線圈形狀可能會對k以及可充電區域產生一定影響。

發射端和拾取端線圈匝數均取為Np=Ns=1，發射端及拾取端距離取5 cm。由于磁耦合機構參數的數值分析較困難[13-15]，本文的仿真數據采用有限元電磁場仿真軟件實現機構的磁場分析。4種形狀的磁耦合機構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構的k值大于其他幾種形狀線圈，這是因為其他幾種線圈存在折角，折角處的磁場會存在一定的失真，導致k值略微降低，在線圈設計時，應增加折角處平滑度。

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的變化曲線如圖6所示。由圖6可得出以下結論：

1)面積確定時，不同形狀的發射端線圈提供相近大小的可充電區域。

2)合理利用組合線圈，可增大拾取端的可充電區域。

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構的設計

針對電動汽車無線充電，磁耦合機構需提供較大的充電區域，因此設計如圖7所示的一種DLDD(Double Layer Double D-type，DLDD)形式的能量發射線圈。圖7b為鐵氧體磁心結構，圖7c、圖7d分別為發射機構與拾取機構的實物圖。

圖7 組合線圈等效結構

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

圖8 兩種發射機構M隨偏移變化及充電區域

加磁心后，系統的輸出功率提升了約2.1倍，DLDD形式的發射機構提供的充電區域約為圓盤螺旋形式的1.4倍，因此DLDD形式的磁耦合機構更適合于電動汽車的無線充電。

3 磁耦合機構設計流程及實驗

對于一個實際的IPT系統，一般給定功率、效率、傳輸距離、輸出電壓以及充電區域中的幾種電氣指標需求。提出一種磁耦合機構的設計流程，如圖9所示。以電動汽車無線充電為例，按照圖9所示流程進行磁耦合機構設計。表2為設定的電氣參數指標需求。

根據電動汽車無線充電大功率、遠距離及較大充電區域的特征，選擇SS型補償結構及電流型激勵，并選擇如圖7所示的磁耦合機構及磁心結構。在保證足夠功率傳輸的前提下，為減小電磁曝露，f值應盡量小，設置初始f=20 kHz，對于初始Ip的設置應滿足

(12)

式中：Pout0為最小輸出功率；Uim為最大輸入電壓。設置初始Ip=50 A，為滿足10 kW以上的功率輸出，計算可得最小互感M0=60.5 μH。當DDLD線圈的單個“D”型線圈匝數增加至10時，同時拾取線圈匝數設置為20，通過仿真可得到磁耦合機構的M=91.6 μH，此時Lp=396 μH、Ls=220 μH，計算得系統的工作頻率點數量N0=1。發生水平偏移時，M以及系統效率的實測值變化曲線如圖10所示。

圖9 磁耦合機構設計流程

參數數值輸出功率≥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，測得耦合機構的M=71.7 μH，系統的PTE為82.3%，滿足系統指標，證明了本文磁耦合機構適用于電動汽車無線充電及其設計流程的合理性。

圖10 實測M及PTE

4 結論

本文提出了一種磁耦合機構的設計流程，首先分析了磁耦合機構與系統之間的關聯性，建立了機構與系統之間的能效模型，以輸出功率及效率作為磁耦合機構設計的指標。通過分析磁耦合機構的結構特性、系統頻率穩定性和分叉現象，確定設計過程中的約束及判斷條件。以電動汽車無線充電磁耦合機構設計為例，提出了一種DLDD形式磁耦合機構，滿足其傳輸距離遠及充電區域大的需求，同時也證明了磁耦合機構設計流程的合理性。

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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

國家自然科學基金(51207173、51277192、51377183)和輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室訪問學者項目(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，研究方向為無線電能傳輸及電力電子變換技術。(通信作者)

胡 超 男，1989年生，博士研究生，研究方向為IPT系統磁耦合機構設計及優化。