具有全向抗偏移能力及恒流输出的电动汽车无线充电系统

胡鹏，王宁，杨庆胜，宁艳，曹佳佳; HU Peng; WANG Ning; YANG Qingsheng; NING Yan; CAO Jiajia

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胡鹏
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王宁
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杨庆胜
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宁艳
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曹佳佳

江苏方天电力技术有限公司，南京 211102

中图分类号： TM724

最近更新：2025-01-06

DOI：10.11835/j.issn.1000.582X.2024.12.009

摘要

电动汽车无线电能传输（electric vehicle wireless power transfer, EV-WPT）技术具有巨大的应用前景。但是车辆停靠过程中，由于各种因素导致耦合机构未对准或者发生角度偏移，从而降低系统的充电功率、效率甚至充电失败等。为解决上述问题，设计出一种新型的耦合机构，实现耦合机构全向的抗偏移能力；用杂间距的设计方式增强能量线圈之间的互感的同时，减小发射线圈的自感，减少了线圈绕制的用线量。另外利用双D型线圈与Q型线圈的解耦特性，将接收线圈与接收端补偿线圈做磁集成处理，节省了空间以及磁芯的用量；最后，搭建输出功率达1.4 kW的仿真模型，验证系统良好的抗偏移能力和恒流输出效果。

关键词

EV-WPT; 全向抗偏移; 双边LCC谐振网络

随着时代的发展，汽车已经深入现代生活，且数量逐年增加，这对石油资源的消耗是巨大的，也会引起一系列气候环境问题，如：全球变暖、空气雾霾等。因此，国务院发布了《关于进一步释放消费潜力促进消费持续恢复的意见》^[

1]，提倡绿色出行，推动公共服务汽车电动化。同时，为了推动电动汽车行业的发展，中国启动了“863”计划及节能与电动汽车等重大项目。在“十二五”以及“十三五”期间，中国围绕电动汽车产业发展以及技术创新这2个方面，坚持三纵三横的技术体系，让电动汽车的产业链更加完善，促进电动汽车朝产业化方向发展。到2020年底，中国电动汽车的保有量已经达到400×10⁴辆，发展态势十分迅猛^{[参考文献 2

百度学术}2]。不过传统有线充电方式安全性不是很高，而且充电限制也比较大，这对电动汽车的全面发展有限制。

无线电能传输(wireless power transfer, WPT)技术因其高可靠性、高安全性、便捷和灵活的特性，可进行广泛应用的非接触充电。WPT技术中的能量传输需要利用电磁耦合或者电场耦合，其突出特点就是不再需要金属导线来连接电源与待充电对象，具有灵活方便、电气隔离、环境适应能力强等突出优点。根据传输介质分类，可分为磁耦合、电场耦合、微波传能、激光传能等方式。经过大量的理论研究和技术实践，该技术已成功应用在电动汽车、电子产品、家用电器、生物医学、矿井及水下等领域。

在电动汽车无线电能传输系统中，车辆不能精确停靠在规定充电位置，导致系统传输功率不足、效率较低甚至充电失败，阻碍电动汽车无线充电技术的发展。目前，国内外针对电动汽车无线充电系统的抗偏移问题已经取得一些研究成果。例如，庄廷伟等^[

3]针对耦合机构偏移后引起系统输出不稳以及充电效率低的问题，提出基于DDQ/DD耦合机构(原边DDQ、副边DD耦合机构)和双路LCC/S补偿拓扑(原边DD和Q线圈均采用LCC补偿，副边DD线圈采用S补偿)的强抗偏移无线充电系统。同时，为减小补偿元件应力，提高系统抗偏移性能，还提出基于电压波动率最小原则的DDQ/DD耦合机构和补偿参数联合优化设计方法。实现系统输出电压稳定，提升系统传输效率。但该方法在耦合机构的绕制上较为负载，同时系统采用了2种逆变器，拓扑网络器件较多，增加了系统成本。另外，肖蕙蕙等^{[参考文献 4

百度学术}4]提出一种基于双层正交DD（DQDD）线圈的高抗偏移偏转WPT系统，给出了DQDD线圈空间位置和导磁机构特征参数与耦合系数之间的作用规律，分析水平偏移、垂向偏移和垂向偏转3种情况下线圈互感的变化规律；同时构建基于双路逆变器-双路整流器的LCC-S谐振电路结构，提升了系统多方向的抗偏移能力。但该方法需要2组正交耦合机构，绕制较为复杂，系统需要2组逆变电路及谐振网络，在输出功率不足1 kW情况下，需要器件较多，增加了系统成本。闭环控制方面，李小飞等^{[参考文献 5

百度学术}5]通过在WPT系统后级加入Buck变换器实现恒压输出，这种方式会增加系统功率变换级数，导致额外损耗，降低系统效率。文献[6⁃7]通过移相控制提高WPT系统的抗偏移性能，但该方法中，副边反馈信号需实时传输至原边，对无线通信要求高。谐振网络方面，任洁等^{[参考文献 8

百度学术}8]将传统LCL拓扑中用于补偿的电感替换为1对耦合线圈，形成一种双耦合LCL拓扑IPT系统。

从国内外研究现状来看，大部分学者是通过耦合机构、谐振拓扑以及控制策略几个方面展开研究，虽然能够实现一定的抗偏移，但会增加系统成本，控制难度等。因此，提出一种新型耦合机构形成发射线圈一定区域内的均匀磁场，实现系统全向抗偏移。

1 EV-WPT系统输出特性分析

如图1所示，电动汽车无线充电系统原理图，原边电路由4个MOSFET（Q₁~Q₄）组成的逆变电路、原边谐振电路 $L_{f_{1}}$ 、 $C_{f_{1}}$ 和C_p以及原边线圈组成，原边发射线圈自感为L_p，内阻为R_p。副边LCC谐振电路由L_s, $L_{f_{2}}$ ,C_s和 $C_{f_{2}}$ 组成，副边轨道线圈自感为L_s，内阻为R_s。发射线圈与接收线圈之间互感为M₁，与接收端补偿线圈互感为M₂。全桥整流滤波电路(D₁~D₄)将接收线圈感应到的交流电变为直流电输出，R_L为系统输出等效负载。

图1 电动汽车无线充电系统原理图

Fig. 1 Electric vehicle wireless charging system schematic diagram

系统等效模型如图2 所示，结合耦合机构设计，发射线圈、接收线圈和接收端补偿线圈均存在耦合。利用基尔霍夫电压定律（kirchhoff’s voltage law, KVL），根据整流器的输入和输出电压之间的关系，忽略线圈的寄生阻力，推导出以下方程

图2 双边LCC系统等效模型

Fig. 2 Equivalent model of two-sided LCC system

\{\begin{array}{l} {\dot{U}}_{i n} = (j X_{L_{f_{1}}} - j X_{C_{f_{1}}}) {\dot{I}}_{i n} + j X_{C_{f_{1}}} {\dot{I}}_{p}, \\ 0 = (j X_{L p} - j X_{C p} - j X_{C_{f_{1}}}) {\dot{I}}_{p} + j X_{C_{f_{1}}} {\dot{I}}_{i n} - j X_{M_{1}} {\dot{I}}_{s} - j X_{M_{2}} {\dot{I}}_{f_{2}}, \\ 0 = - j X_{M_{1}} {\dot{I}}_{p} + (j X_{L_{s}} - j X_{C_{s}} + j X_{C_{f_{2}}}) {\dot{I}}_{s} + j X_{C_{f_{2}}} {\dot{I}}_{f_{2}}, \\ 0 = (j X_{L_{f_{2}}} + j X_{C_{f_{2}}} + R_{e q}) {\dot{I}}_{f_{2}} - j X_{M_{2}} {\dot{I}}_{p} + j X_{C_{f_{2}}} {\dot{I}}_{s}, \\ I_{L} = \frac{2 \sqrt[]{2}}{p} I_{f_{2}}, \end{array}

(1)

其中：

\{\begin{array}{l} X_{L_{f_{1}}} = ω L_{f_{1}} & X_{C_{f_{1}}} = 1 / ω C_{f_{1}} & X_{L p} = ω L_{P} \\ X_{C p} = 1 / ω C_{P} & X_{L_{s}} = ω L_{s} & X_{C_{s}} = 1 / ω C_{s} \\ X_{M_{1}} = ω M_{1} & X_{M_{2}} = ω M_{2} & X_{L_{f_{2}}} = ω L_{L_{f_{2}}} \\ X_{C_{f_{2}}} = 1 / ω C_{C_{f_{2}}} & R_{e q} = 8 R_{L} {(π^{2})}^{- 1} \end{array}

(2)

系统工作在谐振状态时，

\{\begin{array}{l} j ω L_{f_{1}} + \frac{1}{j ω C_{f_{1}}} = 0, \\ j ω L_{p} + \frac{1}{j ω C_{f_{1}}} + \frac{1}{j ω C_{p}} = 0, \\ j ω L_{s} + \frac{1}{j ω C_{s}} + \frac{1}{j ω C_{f_{2}}} = 0, \\ \frac{1}{j ω C_{f_{2}}} + j ω L_{f_{2}} = 0, \end{array}

(3)

将式(2)(3)代入式(1)可得

I_{p} = \frac{2 \sqrt[]{2}}{π} \frac{U_{d c}}{ω L_{f_{1}}} s i n \frac{δ}{2}

，

(4)

I_{L} = \frac{8}{π^{2}} \frac{M_{1} U_{d c}}{ω L_{f_{1}} L_{f_{2}}} s i n \frac{δ}{2}

(5)

由式(5)可以看出，系统输出电流与负载解耦，可以实现恒流输出，同时发射线圈和接收端补偿线圈的互感不影响系统的恒流输出特性。

2 全向抗偏移耦合机构设计

在磁耦合无线充电系统中，耦合机构是至关重要环节，能产生能量传输的耦合磁场，发射线圈通过交变电流产生交变磁场，这些磁场是看不见的，但是规律地穿过发射线圈形成回路，而接收线圈通过这些交变磁场进行耦合产生交变电流，为接收端的控制器及负载供电。随着无线电能传输技术的发展，耦合机构的类型也各种各样，针对不同应用场景需要设计不同的结构。较为常见的是平面型线圈，如方形线圈、圆形线圈、双D型线圈等。这些线圈的磁场方向会有所不同，就平面方形线圈与圆形线圈而言，产生的磁场是垂直于平面向上或向下的，与其耦合的线圈也必须是垂直穿过所在平面的线圈，所以一般的平面线圈都是成对出现。考虑该系统用于电动汽车领域，且无线充电系统的耦合机构安装在车辆底部，对其进行扁平化设计。同时由于车辆停靠过程中会引起各方向偏移，需对耦合机构的任意方向（360°）进行抗偏移设计。

笔者设计出一种新型耦合机构，在传统平面圆形线圈基础上，内部增加线圈匝数，外圆与内圆电流方向一致，其模型及磁场分布如图3所示。

图3 发射线圈模型及磁场分布

Fig. 3 Transmitting coil model and magnetic field distribution

在匝数、尺寸以及线径相同的情况下，新型耦合机构与传统耦合机构对比结果如图4 所示。综合分析，选择d_{1_2}=2 cm开展后续研究。除绕制方式不同，其他参数一致的情况下，对比新型线圈与传统线圈的自感等参数变化结果如图5所示。

图4 发射线圈自感及耦合机构与偏移距离关系

Fig. 4 The relationship between the self-inductance of the transmitting coil, the coupling mechanism and the offset distance

图5 新型线圈与传统线圈的自感等参数变化

Fig. 5 Changes in parameters such as self-inductance of new coils and traditional coils

由上图可以看出，在同等条件下，线圈自感较于传统形式会减小，但是线圈之间的互感却明显增加，同时新型线圈的用线量也会减小很多。在前文的系统分析中，可以看出发射线圈与接收端补偿线圈之间的互感不会影响LCC-LCC系统的恒流输出特性，本文考虑将接收线圈与接收端补偿线圈做磁集成处理。利用双D型线圈与Q型线圈解耦这一特性，设计如图6 所示的接收端模型。接收端线圈采用平面圆形线圈，而接收端补偿线圈采用2个绕制方向相反匝数不等的双Q型线圈。

图6 接收端耦合机构模型

Fig. 6 Coupling mechanism model of receiving end

综上所述，本文设计一种变匝间距且集成补偿线圈的耦合机构，各项参数如表1所示，其模型如图7所示。表1中，d为耦合机构线径，d_{p_1}为发射线外圆直径，d_{p_2}为发射线内圆直径，N_{p_1}为发射线圈外圆匝数，N_{p_2}为发射线圈内圆匝数，d_s为接收线圈直径， $d_{f_{2}}$ 为接收端补偿线圈直径，N_s为接收线圈匝数， $N_{f_{2}_1}$ 为补偿线圈外圆匝数， $N_{f_{2}_2}$ 为补偿线圈内圆匝数，通过仿真得到结果如图8。

图7 新型耦合机构模型

Fig. 7 New coupling mechanism model表1　线圈参数 Table 1　Coil parameters

图8 新型线圈与传统线圈的自感等参数变化

Fig. 8 Changes in parameters such as self-inductance of new coils and traditional coils

表1 线圈参数

Table 1 Coil parameters

参数	数值	参数	数值
d/mm	3.4	d_s/cm	20
d_{p_1}/cm	30.0	$d_{f_{2}} / c m$	14
d_{p_2}/cm	22.0	N_s	6
N_{p_1}	5.0	$N_{f_{2}_1}$	3
N_{p_2}	5.0	$N_{f_{2}_2}$	7

其中， $M_{L_{p}_L_{s}}$ 为发射线圈与接收线圈之间互感， $M_{L_{p}_L_{f_{2}}}$ 为发射线圈与接收线圈之间互感， $M_{L_{s}_L_{f_{2}}}$ 为发射线圈与接收线圈之间互感。由上图可以看出，接收线圈与补偿线圈互感相对于能量线圈之间的互感小很多，对系统影响忽略不计。

3 系统仿真

发射端回路由1个逆变器和LCC谐振网络组成。接收端电路则由接收端谐振网络和不可控整流电路组成。系统直流输入通过逆变器输出高频交流电并向发射端谐振网络注入能量，能量大小可通过移相控制环节进行控制，经过耦合机构向接收端传输能量，通过整流滤波电路向负载输出直流电。系统参数值如表2所示。为验证电动汽车无线充电系统恒压、恒流切换的可行性，特在MATLAB/Simulink中搭建1套输出为55V/27 A的电路模型，如图9所示。

表2 系统参数

Table 2 The system parameter

参数	数值	参数	数值
U_dc/V	400.00	f /kHz	100.0
L_p/μH	49.00	L_s/μH	17.0
$L_{f_{1}}$ /μH	25.00	$L_{f_{2}} / μ H$	7.3
$C_{f_{1}}$ /nF	126.13	C_s/nF	215.0
C_p/nF	68.00	$C_{f_{2}} / n F$	410.0

图9 电动汽车无线充电系统仿真模型

Fig. 9 Simulation model of electric vehicle wireless charging system

选用谐振频率f=100 kHz，输入电压U_dc=400 V，耦合机构和谐振网络参数与表2保持一致，得到逆变器与系统输出端电压，电流波形如图10所示。

图10 逆变输出电压电流波形

Fig. 10 Inverter output voltage and current waveform

可以清晰看出，逆变器谐振网络呈弱感性可以实现ZVS。系统输出电流波形如图11 所示，输出电流在负载切换过程中基本恒定，实现了良好的恒流输出。

图11 负载切换时逆变器与系统输出电压电流波形

Fig. 11 Output voltage and current waveforms of inverter and system during load switching

4 结论

本文设计出一种新型的耦合机构，使原边线圈在一定区域内形成均匀磁场，使耦合机构实现全向的抗偏移，并用杂间距的设计方式增大能量线圈之间互感的同时，减小发射线圈自感和线圈绕制的用线量。同时利用双D型线圈与Q型线圈的解耦特性，将接收线圈与接收端补偿线圈做磁集成处理，节省空间以及磁芯的用量。最后搭建输出功率达1.4 kW的仿真模型，验证系统的恒流输出效果。

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