電動汽車無線充電機充電的磁耦合結構綜述
2017-5-30 10:42:51??????點擊：
福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員鄭心城、陳為，在2017年第4期《電氣技術》雜志上撰文指出，近年來電動汽車的無線充電機充電技術引起業界的廣泛關注。電動汽車無線充電機充電技術的重點和難點在于磁耦合結構的設計，關鍵參數在于耦合系數，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構的特點，在此基礎上詳細介紹了國內外研究機構的磁耦合結構改進方案。在文章最后，提出了關于磁耦合結構設計上的考慮因素以及發展趨勢。
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（龐大的汽車數量）和不斷減少的石油儲量，電動汽車有替代傳統汽車的趨勢。推廣電動汽車的障礙在于電動汽車的充電機充電問題。
目前，電動汽車的充電機充電方式有三種：有線充電機充電、無線充電機充電和更換電池方案。有線充電機充電的技術成熟，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，但是不同汽車產商之間的電池差異明顯，不具有普遍性；而無線充電機充電是近年來興起的充電機充電方式，雖然技術不夠成熟，成本高，但是，它具有便捷、安全的優勢，引起社會的廣泛關注。
無線電能傳輸的研究可以追溯到19世紀末，尼古拉·特斯拉就夢想著實現隔空傳能，但是由于技術原因未能實現。無線電能傳輸經過一百多年緩慢發展，直到2007年麻省理工大學的物理教授Marin Soljacic帶領的研究團隊在《Science》發表了諧振式無線電能傳輸技術的論文[1]后，引起學術界的轟動，帶來無線電能傳輸的研究熱潮。隨之，各大企業也紛紛展開無線電能傳輸的應用開發，典型的比如Witricity、Evatran、Qualcomm等。
磁耦合結構的性能是影響無線電能傳輸的重要因素，目前磁耦合結構的種類繁多，但磁耦合結構的設計基本上是圍繞著提高耦合系數為中心。
1 最基本的磁耦合結構
僅從線圈的繞制方式可以將磁耦合結構分為最基本的3種。分別是環形線圈，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。
環形線圈是最早采用的磁耦合結構，其繞制方便，分析簡單。雖然環形線圈的耦合較差，但是鐵損和銅損也很小。以長方形環形線圈為例，結構示意圖如圖1所示。
圖 1 長方形環形線圈
螺線管線圈屬于典型的“銅包鐵”結構，其磁力線集中，耦合系數高。但是，高耦合系數帶來的代價是較大的銅損和鐵損。無線充電機充電中典型的螺線管線圈如圖2所示。
圖 2 螺線管線圈
8字形線圈是與環形線圈相似，由兩個環形線圈反向串聯而成，產生方向相反的磁場。8字形線圈的耦合系數和損耗介于環形線圈和螺線管線圈之間。結構如圖3所示。
圖3 8字形線圈
目前，所采用的磁耦合結構大多數是通過這三種基本線圈結構的組合、變形以及改進，實現高耦合系數和良好的抗偏移性能。
2 國外研究現狀
雖然麻省理工大學把無線電能傳輸帶入大眾的視野，然而，在無線電能傳輸的應用上，奧克蘭大學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]等結構進行優化。
雖然CP線圈和DD線圈作為接收側在理想情況下能夠實現高效的傳輸，然而，實際中存在泊車位置偏移造成收發線圈錯位，為了實現同樣的功率傳輸除了采用足夠大的發射線圈外就是增加逆變器的輸入電壓，這些都是十分不經濟的做法。而E型磁芯作為接收側可以繞制多個繞組，雖然能夠提高線圈偏移后的性能，但是結構過于笨重，不易于扁平化設計，因此并不適合于電動汽車使用。
為了解決這一問題，奧克蘭大學提出了DDQ線圈結構[6 7]，即在DD線圈的基礎上增加一個Q線圈。DD線圈和Q線圈正交，產生的磁場互不影響，兩線圈分別輸出，輸出電壓經過整流后再并聯。DDQ線圈結構和相應的充電機電路拓撲如圖4所示。
圖4 DDQ磁耦合結構和相應的充電機電路拓撲
以發射線圈是DD線圈為例，如圖5所示。在接收線圈位置不發生偏移的時候，由DD線圈接收發射線圈磁場，隨著接收線圈偏移量的增加DD線圈的感應電壓在減小，Q線圈的感應電壓在增大。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系
雖然DDQ結構具有良好的抗偏移效果，但是DDQ結構的用銅量較大。因此，在DD線圈的基礎上，奧克蘭大學又提出了BP線圈結構[8 9]。BP線圈是由兩個環形線圈交錯反向串聯而成，兩個環形線圈之間的互感為0，互不影響。兩個環形線圈的輸出通過整流后并聯。線圈結構如圖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。但是能夠節省25.17%的用銅量。
圖 6 BP磁耦合線圈結構
在奧克蘭大學后續研究中，學者們更多關注泄露磁場的抑制方面[10 11]。以發射側為DD線圈，接收側為BP線圈為例，改進結構如圖7所示。將線圈外側的導線分層緊密繞制，磁芯尺寸大于線圈尺寸，為漏磁通提供低磁阻回路。當接收線圈水平偏移200mm時，與傳統結構相比，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[12]中，奧克蘭大學采用改進的螺線管線圈，結構如圖8所示。將繞組分成兩個部分并聯，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，進一步提高耦合系數。
圖 8 奧克蘭大學改進螺線管線圈結構
即使螺線管線圈的耦合系數高，但是，螺線管線圈應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，奧克蘭大學提出了圖9所示的結構[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，在一側磁場加強，另一側削弱。省去了金屬屏蔽層。借鑒DDQ結構，在圖9的基礎上，增加一個Q線圈，組成兩套接收線圈，相應的結構和接收側充電機電路如圖10(b)所示。
圖 9 無金屬屏蔽層改進螺線管線圈
圖 10 奧克蘭大學4線圈結構
將圖9結構在垂直方向壓縮變成扁平結構，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。輸出經過并聯后向負載RL供電。與DDQ結構相似，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。
韓國高等科技學院(KAIST)的研究主要集中在在線充電機充電上，但是在傳統的電動汽車靜態充電機充電也有不少成果。文獻[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，發射側的磁極表面足夠大，保證在接收線圈偏移的時候，收發線圈的磁極仍然正對著。
樣機能夠實現在傳輸距離15cm，x方向偏移40cm，y方向偏移20cm，最大輸出功率達到15kW。該結構雖然有較強的抗偏移性能，但是，結構笨重。
圖 11 KAIST提出U-U型的磁耦合結構
從減小頻率分叉現象入手，KAIST提出了三線圈結構[15]，即在發射線圈同一平面上加上一個中繼線圈，如圖12所示。發射和接收線圈的調諧頻率為85kHz，中繼線圈的調諧頻率為110kHz，充電機電路的開關頻率為100kHz。在傳輸距離200mm的條件下，輸出功率6.6kW，效率高達95.57%。
圖 12 KAIST提出的三線圈充電機充電結構
文獻[16]也提出了與KAIST三線圈結構相似方案。該結構是在文獻[3]和[4]中的CP線圈基礎上在發射側平面加上一個中繼線圈，結構如圖13所示。線圈全部采用串聯諧振的方式，在傳輸距離100mm下，輸出功率1kW，傳輸效率達91.3%。
圖 13 奧克蘭大學采用的三線圈充電機充電結構
電動汽車無線充電機充電具有大電流，高頻率的特點，而磁耦合結構屬于松耦合變壓器，因此，抑制漏磁場也是業界關注的問題之一。KAIST在抑制漏磁場方面采用了產生反向磁場線圈來減小漏磁場[17]。結構如圖14所示。
圖 14 KAIST減小漏磁場方案
圖14中增加的2匝反向繞制線圈產生的磁場與主磁場方向相反，使磁通束縛在一個小的區域內，但是這兩匝反向繞組又不會明顯抵消主磁通。實驗結果表明，12kW的樣機在距離線圈中心1m處的磁場強度低于44mG。能夠滿足ICNIRP的漏磁場規范。
文獻[18]是針對在線充電機充電的磁耦合結構，但是，該磁耦合結構對靜態充電機充電仍然具有指導意義。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(藍色虛線)如圖15所示。
采用該結構，輸出電壓為Vd+Vq。即，在汽車運動過程中能夠實現較為均勻的電壓輸出。將該結構應用在靜態充電機充電中，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 在線充電機充電兩相輸入磁耦合結構
除了高校的研究外，不少企業在電動汽車無線充電機充電領域，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，豐田汽車公司提出了一種大小線圈串聯的結構，構造出一個均勻磁場[19]，對線圈的偏移也具有很好的效果。結構如圖16所示。
圖 16 豐田汽車公司提出的空心線圈結構
發射側和接收側都采用2個線圈，其中一個是阻抗匹配線圈，另一個是發射線圈/接收線圈。收發線圈產生的磁場在中間位置抵消，邊緣位置疊加。構造出的磁場相對均勻。
除了豐田汽車公司的磁耦合結構外，美國Evatran公司對螺線管線圈結構改進[20]。將磁極表面做成“凹凸狀”，在不增加磁芯用量下減小磁阻，使收發線圈更好地耦合。結構如圖17所示。
圖 17 Evatran公司改進磁耦合結構
3 國內研究現狀
國內的無線電能傳輸起步較晚，但是也取得一些成就。重慶大學是國內最早進入無線電能傳輸領域的研究機構。重慶大學將4個D線圈串聯，稱為DLDD結構[21 22]，為了減輕重量，將磁芯改為雙“田”字結構，線圈繞制方式、結構以及17cm傳輸高度下產生的磁場分布如圖18所示。該結構具有很好的抗偏移能力，當線圈尺寸為60cm*60cm，水平偏移量20cm時，傳輸效率仍有82.3%。
圖 18 重慶大學的DLDD磁耦合結構結構以及產生的磁場分布
南京航空航天大學和中興新能源汽車合作，先后提出了帶擴展臂磁芯結構[23 24]和繞組混合繞法結構[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)的基礎上，磁芯中柱再增加一個螺線管繞組，增加收發線圈的耦合。圖19(b)的結構應用在中興新能源汽車上，充電機充電效率超過90%。
圖 19 南京航空航天大學提出的磁耦合結構
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，如果能夠將各個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。在此基礎上，文獻[27]提出了三維磁場接收線圈的模型。發射側采用電動汽車導體交錯排列方式，產生均勻磁場。接收側磁芯類似于十字架結構，在x,y,z三個軸上分別繞上線圈。各個方向線圈的感應電壓整流后在串/并聯。發射側和發射線圈產生的磁場以及接收側的結構如圖20(a)和20(b)所示。
圖 20 福州大學提出的磁耦合結構
4 結論
從上文國內外的研究情況可知，影響磁耦合結構的參數很多，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構的參數特征。
電動汽車無線充電機充電相比傳統的插電式充電機充電具有便捷、安全、免維護等優點，有著巨大的潛力。磁耦合結構是影響傳輸效率及輸出功率的重要因素，而且合理的結構能夠大大減小漏磁場的泄露。相比國外研究機構，國內的研究略顯單薄。目前磁耦合方案的設計主要是提高耦合系數，然而，影響傳輸效率的因素除了線圈的耦合系數，還與線圈Q值密切相關。
因此，磁耦合結構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，減小繞組損耗；采用合理的屏蔽減小磁場泄露；力圖減小磁芯和導線用量，減輕重量，降低成本。
表1 部分磁耦合機構的對比
備注：在文獻[6-9]中，采用接收側的開路電壓、短路電流和有載品質因數的乘積來表示輸出功率(VocIsc*Q)。采用中繼線圈(三線圈結構)其目的是為了提高耦合，減小頻率分叉現象，對線圈偏移后的輸出性能不是該結構設計的出發點。
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