電動汽車無線充電機(jī)充電的磁耦合結(jié)構(gòu)綜述
2017-5-30 10:42:51??????點擊：
福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院的研究人員鄭心城、陳為，在2017年第4期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，近年來電動汽車的無線充電機(jī)充電技術(shù)引起業(yè)界的廣泛關(guān)注。電動汽車無線充電機(jī)充電技術(shù)的重點和難點在于磁耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計，關(guān)鍵參數(shù)在于耦合系數(shù)，以及線圈偏移后的性能。
本文首先簡要分析了三種最基本的磁耦合結(jié)構(gòu)的特點，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的磁耦合結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。在文章最后，提出了關(guān)于磁耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計上的考慮因素以及發(fā)展趨勢。
石油是人類生存必不可少的資源，但是石油屬于不可再生能源。面對石油消耗終端不斷增大（龐大的汽車數(shù)量）和不斷減少的石油儲量，電動汽車有替代傳統(tǒng)汽車的趨勢。推廣電動汽車的障礙在于電動汽車的充電機(jī)充電問題。
目前，電動汽車的充電機(jī)充電方式有三種：有線充電機(jī)充電、無線充電機(jī)充電和更換電池方案。有線充電機(jī)充電的技術(shù)成熟，成本低，但是面臨著雨雪天氣有觸電的危險；更換電池的方案看似完美，但是不同汽車產(chǎn)商之間的電池差異明顯，不具有普遍性；而無線充電機(jī)充電是近年來興起的充電機(jī)充電方式，雖然技術(shù)不夠成熟，成本高，但是，它具有便捷、安全的優(yōu)勢，引起社會的廣泛關(guān)注。
無線電能傳輸?shù)难芯靠梢宰匪莸?9世紀(jì)末，尼古拉·特斯拉就夢想著實現(xiàn)隔空傳能，但是由于技術(shù)原因未能實現(xiàn)。無線電能傳輸經(jīng)過一百多年緩慢發(fā)展，直到2007年麻省理工大學(xué)的物理教授Marin Soljacic帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊在《Science》發(fā)表了諧振式無線電能傳輸技術(shù)的論文[1]后，引起學(xué)術(shù)界的轟動，帶來無線電能傳輸?shù)难芯繜岢?。隨之，各大企業(yè)也紛紛展開無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用開發(fā)，典型的比如Witricity、Evatran、Qualcomm等。
磁耦合結(jié)構(gòu)的性能是影響無線電能傳輸?shù)闹匾蛩?，目前磁耦合結(jié)構(gòu)的種類繁多，但磁耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計基本上是圍繞著提高耦合系數(shù)為中心。
1 最基本的磁耦合結(jié)構(gòu)
僅從線圈的繞制方式可以將磁耦合結(jié)構(gòu)分為最基本的3種。分別是環(huán)形線圈，螺線管線圈和8字形線圈，其中8字形線圈也稱為DD線圈。這三種線圈各有各的特點。
環(huán)形線圈是最早采用的磁耦合結(jié)構(gòu)，其繞制方便，分析簡單。雖然環(huán)形線圈的耦合較差，但是鐵損和銅損也很小。以長方形環(huán)形線圈為例，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖 1 長方形環(huán)形線圈
螺線管線圈屬于典型的“銅包鐵”結(jié)構(gòu)，其磁力線集中，耦合系數(shù)高。但是，高耦合系數(shù)帶來的代價是較大的銅損和鐵損。無線充電機(jī)充電中典型的螺線管線圈如圖2所示。
圖 2 螺線管線圈
8字形線圈是與環(huán)形線圈相似，由兩個環(huán)形線圈反向串聯(lián)而成，產(chǎn)生方向相反的磁場。8字形線圈的耦合系數(shù)和損耗介于環(huán)形線圈和螺線管線圈之間。結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 8字形線圈
目前，所采用的磁耦合結(jié)構(gòu)大多數(shù)是通過這三種基本線圈結(jié)構(gòu)的組合、變形以及改進(jìn)，實現(xiàn)高耦合系數(shù)和良好的抗偏移性能。
2 國外研究現(xiàn)狀
雖然麻省理工大學(xué)把無線電能傳輸帶入大眾的視野，然而，在無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用上，奧克蘭大學(xué)的研究是最具代表性的。在無線電能傳輸研究的早期，奧克蘭大學(xué)對CP(circle pad)線圈[2 3]、DD線圈 (8字形線圈) [4]以及E型磁芯接收線圈[5]等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
雖然CP線圈和DD線圈作為接收側(cè)在理想情況下能夠?qū)崿F(xiàn)高效的傳輸，然而，實際中存在泊車位置偏移造成收發(fā)線圈錯位，為了實現(xiàn)同樣的功率傳輸除了采用足夠大的發(fā)射線圈外就是增加逆變器的輸入電壓，這些都是十分不經(jīng)濟(jì)的做法。而E型磁芯作為接收側(cè)可以繞制多個繞組，雖然能夠提高線圈偏移后的性能，但是結(jié)構(gòu)過于笨重，不易于扁平化設(shè)計，因此并不適合于電動汽車使用。
為了解決這一問題，奧克蘭大學(xué)提出了DDQ線圈結(jié)構(gòu)[6 7]，即在DD線圈的基礎(chǔ)上增加一個Q線圈。DD線圈和Q線圈正交，產(chǎn)生的磁場互不影響，兩線圈分別輸出，輸出電壓經(jīng)過整流后再并聯(lián)。DDQ線圈結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的充電機(jī)電路拓?fù)淙鐖D4所示。
圖4 DDQ磁耦合結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的充電機(jī)電路拓?fù)?/span>
以發(fā)射線圈是DD線圈為例，如圖5所示。在接收線圈位置不發(fā)生偏移的時候，由DD線圈接收發(fā)射線圈磁場，隨著接收線圈偏移量的增加DD線圈的感應(yīng)電壓在減小，Q線圈的感應(yīng)電壓在增大。將DD線圈和Q線圈的輸出疊加，在線圈偏移時能夠盡可能減小輸出功率降低。
圖5 DDQ線圈接收磁場和位置偏移的關(guān)系
雖然DDQ結(jié)構(gòu)具有良好的抗偏移效果，但是DDQ結(jié)構(gòu)的用銅量較大。因此，在DD線圈的基礎(chǔ)上，奧克蘭大學(xué)又提出了BP線圈結(jié)構(gòu)[8 9]。BP線圈是由兩個環(huán)形線圈交錯反向串聯(lián)而成，兩個環(huán)形線圈之間的互感為0，互不影響。兩個環(huán)形線圈的輸出通過整流后并聯(lián)。線圈結(jié)構(gòu)如圖6所示。BP線圈相比DDQ線圈的耦合要略差，輸出的功率也較低。但是能夠節(jié)省25.17%的用銅量。
圖 6 BP磁耦合線圈結(jié)構(gòu)
在奧克蘭大學(xué)后續(xù)研究中，學(xué)者們更多關(guān)注泄露磁場的抑制方面[10 11]。以發(fā)射側(cè)為DD線圈，接收側(cè)為BP線圈為例，改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖7所示。將線圈外側(cè)的導(dǎo)線分層緊密繞制，磁芯尺寸大于線圈尺寸，為漏磁通提供低磁阻回路。當(dāng)接收線圈水平偏移200mm時，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，在1/2傳輸高度下，距線圈800mm處的漏磁場能夠減小46%。
圖 7 減小泄露磁場方法
文獻(xiàn)[12]中，奧克蘭大學(xué)采用改進(jìn)的螺線管線圈，結(jié)構(gòu)如圖8所示。將繞組分成兩個部分并聯(lián)，分別繞制在磁芯的兩端，不僅提高磁場的作用范圍，并且能夠減少銅的用量。增加兩個磁極部分的磁芯用量，提高磁場耦合的面積，能夠降低磁阻，進(jìn)一步提高耦合系數(shù)。
圖 8 奧克蘭大學(xué)改進(jìn)螺線管線圈結(jié)構(gòu)
即使螺線管線圈的耦合系數(shù)高，但是，螺線管線圈應(yīng)用在無線電能傳輸中幾乎都要有金屬屏蔽層，而金屬屏蔽層的損耗會大大影響傳輸效率。為解決這一問題，奧克蘭大學(xué)提出了圖9所示的結(jié)構(gòu)[13]。
采用工字型磁芯，在三個磁柱上繞上三個線圈。三個線圈的磁場疊加后，在一側(cè)磁場加強(qiáng)，另一側(cè)削弱。省去了金屬屏蔽層。借鑒DDQ結(jié)構(gòu)，在圖9的基礎(chǔ)上，增加一個Q線圈，組成兩套接收線圈，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和接收側(cè)充電機(jī)電路如圖10(b)所示。
圖 9 無金屬屏蔽層改進(jìn)螺線管線圈
圖 10 奧克蘭大學(xué)4線圈結(jié)構(gòu)
將圖9結(jié)構(gòu)在垂直方向壓縮變成扁平結(jié)構(gòu)，采用I型磁芯。線圈L1和L2繞制在I型磁芯的兩端，線圈L3繞制在磁芯中間，L1，L2和L3串聯(lián)成一個線圈，線圈L4繞制在L1，L2和L3之間。L4與L1，L2和L3正交，兩套接收線圈的磁場互不影響。輸出經(jīng)過并聯(lián)后向負(fù)載RL供電。與DDQ結(jié)構(gòu)相似，L3接收水平方向磁場；L1，L2和L4接收垂直方向磁場，在線圈偏移后，能夠大大降低位置的敏感性。
韓國高等科技學(xué)院(KAIST)的研究主要集中在在線充電機(jī)充電上，但是在傳統(tǒng)的電動汽車靜態(tài)充電機(jī)充電也有不少成果。文獻(xiàn)[14]中采用了兩個U形磁芯，線圈繞8字形的方案，如圖11所示。其中，發(fā)射側(cè)的磁極表面足夠大，保證在接收線圈偏移的時候，收發(fā)線圈的磁極仍然正對著。
樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)在傳輸距離15cm，x方向偏移40cm，y方向偏移20cm，最大輸出功率達(dá)到15kW。該結(jié)構(gòu)雖然有較強(qiáng)的抗偏移性能，但是，結(jié)構(gòu)笨重。
圖 11 KAIST提出U-U型的磁耦合結(jié)構(gòu)
從減小頻率分叉現(xiàn)象入手，KAIST提出了三線圈結(jié)構(gòu)[15]，即在發(fā)射線圈同一平面上加上一個中繼線圈，如圖12所示。發(fā)射和接收線圈的調(diào)諧頻率為85kHz，中繼線圈的調(diào)諧頻率為110kHz，充電機(jī)電路的開關(guān)頻率為100kHz。在傳輸距離200mm的條件下，輸出功率6.6kW，效率高達(dá)95.57%。
圖 12 KAIST提出的三線圈充電機(jī)充電結(jié)構(gòu)
文獻(xiàn)[16]也提出了與KAIST三線圈結(jié)構(gòu)相似方案。該結(jié)構(gòu)是在文獻(xiàn)[3]和[4]中的CP線圈基礎(chǔ)上在發(fā)射側(cè)平面加上一個中繼線圈，結(jié)構(gòu)如圖13所示。線圈全部采用串聯(lián)諧振的方式，在傳輸距離100mm下，輸出功率1kW，傳輸效率達(dá)91.3%。
圖 13 奧克蘭大學(xué)采用的三線圈充電機(jī)充電結(jié)構(gòu)
電動汽車無線充電機(jī)充電具有大電流，高頻率的特點，而磁耦合結(jié)構(gòu)屬于松耦合變壓器，因此，抑制漏磁場也是業(yè)界關(guān)注的問題之一。KAIST在抑制漏磁場方面采用了產(chǎn)生反向磁場線圈來減小漏磁場[17]。結(jié)構(gòu)如圖14所示。
圖 14 KAIST減小漏磁場方案
圖14中增加的2匝反向繞制線圈產(chǎn)生的磁場與主磁場方向相反，使磁通束縛在一個小的區(qū)域內(nèi)，但是這兩匝反向繞組又不會明顯抵消主磁通。實驗結(jié)果表明，12kW的樣機(jī)在距離線圈中心1m處的磁場強(qiáng)度低于44mG。能夠滿足ICNIRP的漏磁場規(guī)范。
文獻(xiàn)[18]是針對在線充電機(jī)充電的磁耦合結(jié)構(gòu)，但是，該磁耦合結(jié)構(gòu)對靜態(tài)充電機(jī)充電仍然具有指導(dǎo)意義。采用兩相輸入，電流Id和Iq相位相差90°，繞線方式如圖15所示。其中兩個磁極的間距是接收線圈的尺寸x方向長度的1/4。在接收線圈運(yùn)動中，僅電流Id作用下的輸出電壓Vd(紅色實線)和僅電流Iq作用下的輸出電壓Vq(藍(lán)色虛線)如圖15所示。
采用該結(jié)構(gòu)，輸出電壓為Vd+Vq。即，在汽車運(yùn)動過程中能夠?qū)崿F(xiàn)較為均勻的電壓輸出。將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用在靜態(tài)充電機(jī)充電中，同樣可以解決泊車偏移帶來輸出功率大幅度下降的問題。
圖 15 在線充電機(jī)充電兩相輸入磁耦合結(jié)構(gòu)
除了高校的研究外，不少企業(yè)在電動汽車無線充電機(jī)充電領(lǐng)域，也有很大的投入。比較有代表性的是豐田汽車公司。從提高線圈偏移后的性能出發(fā)，豐田汽車公司提出了一種大小線圈串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造出一個均勻磁場[19]，對線圈的偏移也具有很好的效果。結(jié)構(gòu)如圖16所示。
圖 16 豐田汽車公司提出的空心線圈結(jié)構(gòu)
發(fā)射側(cè)和接收側(cè)都采用2個線圈，其中一個是阻抗匹配線圈，另一個是發(fā)射線圈/接收線圈。收發(fā)線圈產(chǎn)生的磁場在中間位置抵消，邊緣位置疊加。構(gòu)造出的磁場相對均勻。
除了豐田汽車公司的磁耦合結(jié)構(gòu)外，美國Evatran公司對螺線管線圈結(jié)構(gòu)改進(jìn)[20]。將磁極表面做成“凹凸?fàn)睢保诓辉黾哟判居昧肯聹p小磁阻，使收發(fā)線圈更好地耦合。結(jié)構(gòu)如圖17所示。
圖 17 Evatran公司改進(jìn)磁耦合結(jié)構(gòu)
3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)的無線電能傳輸起步較晚，但是也取得一些成就。重慶大學(xué)是國內(nèi)最早進(jìn)入無線電能傳輸領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)。重慶大學(xué)將4個D線圈串聯(lián)，稱為DLDD結(jié)構(gòu)[21 22]，為了減輕重量，將磁芯改為雙“田”字結(jié)構(gòu)，線圈繞制方式、結(jié)構(gòu)以及17cm傳輸高度下產(chǎn)生的磁場分布如圖18所示。該結(jié)構(gòu)具有很好的抗偏移能力，當(dāng)線圈尺寸為60cm*60cm，水平偏移量20cm時，傳輸效率仍有82.3%。
圖 18 重慶大學(xué)的DLDD磁耦合結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生的磁場分布
南京航空航天大學(xué)和中興新能源汽車合作，先后提出了帶擴(kuò)展臂磁芯結(jié)構(gòu)[23 24]和繞組混合繞法結(jié)構(gòu)[25 26]，分別如圖19(a)和19(b)所示。圖19(a)中采用兩個大面積的磁芯作為磁極，減小磁阻，線圈采用8字形繞法。圖19(b)是在圖19(a)的基礎(chǔ)上，磁芯中柱再增加一個螺線管繞組，增加收發(fā)線圈的耦合。圖19(b)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用在中興新能源汽車上，充電機(jī)充電效率超過90%。
圖 19 南京航空航天大學(xué)提出的磁耦合結(jié)構(gòu)
從磁場的分布來分析，在空間上，場的分布基本上都具有三維特征，如果能夠?qū)⒏鱾€方向的磁場全部耦合到接收線圈，那么，輸出功率一定是最大的。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[27]提出了三維磁場接收線圈的模型。發(fā)射側(cè)采用電動汽車導(dǎo)體交錯排列方式，產(chǎn)生均勻磁場。接收側(cè)磁芯類似于十字架結(jié)構(gòu)，在x,y,z三個軸上分別繞上線圈。各個方向線圈的感應(yīng)電壓整流后在串/并聯(lián)。發(fā)射側(cè)和發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場以及接收側(cè)的結(jié)構(gòu)如圖20(a)和20(b)所示。
圖 20 福州大學(xué)提出的磁耦合結(jié)構(gòu)
4 結(jié)論
從上文國內(nèi)外的研究情況可知，影響磁耦合結(jié)構(gòu)的參數(shù)很多，包括：傳輸距離、體積、繞線方式屏蔽措施等多個方面。表1列出了上文中提到的部分磁耦合結(jié)構(gòu)的參數(shù)特征。
電動汽車無線充電機(jī)充電相比傳統(tǒng)的插電式充電機(jī)充電具有便捷、安全、免維護(hù)等優(yōu)點，有著巨大的潛力。磁耦合結(jié)構(gòu)是影響傳輸效率及輸出功率的重要因素，而且合理的結(jié)構(gòu)能夠大大減小漏磁場的泄露。相比國外研究機(jī)構(gòu)，國內(nèi)的研究略顯單薄。目前磁耦合方案的設(shè)計主要是提高耦合系數(shù)，然而，影響傳輸效率的因素除了線圈的耦合系數(shù)，還與線圈Q值密切相關(guān)。
因此，磁耦合結(jié)構(gòu)的研究還可以從以下幾個方面入手：采用合理的繞線和線規(guī)，減小繞組損耗；采用合理的屏蔽減小磁場泄露；力圖減小磁芯和導(dǎo)線用量，減輕重量，降低成本。
表1 部分磁耦合機(jī)構(gòu)的對比
備注：在文獻(xiàn)[6-9]中，采用接收側(cè)的開路電壓、短路電流和有載品質(zhì)因數(shù)的乘積來表示輸出功率(VocIsc*Q)。采用中繼線圈(三線圈結(jié)構(gòu))其目的是為了提高耦合，減小頻率分叉現(xiàn)象，對線圈偏移后的輸出性能不是該結(jié)構(gòu)設(shè)計的出發(fā)點。
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