电动汽车无线充电系统耦合分析
电动汽车无线充电的磁耦合结构综述
电动汽车无线充电的磁耦合结构综述郑心城;陈为【摘要】近年来电动汽车的无线充电技术引起业界的广泛关注.电动汽车无线充电技术的重点和难点在于磁耦合结构的设计,关键参数在于耦合系数,以及线圈偏移后的性能.本文首先简要分析了3种最基本的磁耦合结构的特点,在此基础上详细介绍了国内外研究机构的磁耦合结构改进方案.最后,提出了关于磁耦合结构设计上的考虑因素以及发展趋势.【期刊名称】《电气技术》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】7页(P9-15)【关键词】电动汽车;无线充电;磁耦合结构【作者】郑心城;陈为【作者单位】福州大学电气工程与自动化学院,福州 350108;福州大学电气工程与自动化学院,福州 350108【正文语种】中文石油是人类生存必不可少的资源，但是石油属于不可再生能源。
面对石油消耗终端不断增大（庞大的汽车数量）和不断减少的石油储量，电动汽车有替代传统汽车的趋势。
推广电动汽车的障碍在于电动汽车的充电问题。
目前，电动汽车的充电方式有3种：有线充电、无线充电和更换电池方案。
有线充电的技术成熟，成本低，但是面临着雨雪天气有触电的危险；更换电池的方案看似完美，但是不同汽车产商之间的电池差异明显，不具有普遍性；而无线充电是近年来兴起的充电方式，虽然技术不够成熟，成本高，但它具有便捷、安全的优势，因此引起社会的广泛关注。
无线电能传输的研究可以追溯到19世纪末，尼古拉·特斯拉就梦想着实现隔空传能，但是由于技术原因未能实现。
无线电能传输经过100多年缓慢发展，直到2007年麻省理工大学的物理教授Marin Soljacic带领的研究团队在《Science》发表了谐振式无线电能传输技术的论文[1]后，引起学术界的轰动，带来无线电能传输的研究热潮。
随之，各大企业也纷纷展开无线电能传输的应用开发，典型的比如Witricity、Evatran、Qualcomm等。
磁耦合结构的性能是影响无线电能传输的重要因素，目前磁耦合结构的种类繁多，但磁耦合结构的设计基本上是围绕着提高耦合系数为中心。
无线充电技术在电动汽车中的应用探索
无线充电技术在电动汽车中的应用探索随着清洁能源和环保意识的增强，电动汽车已逐渐成为现代社会的一种重要交通工具。
为了解决电动汽车充电过程中的一些不便之处，无线充电技术应运而生，并被广泛应用于电动汽车领域。
本文将对无线充电技术在电动汽车中的应用进行探索和分析。
一、无线充电技术的原理无线充电技术基于电磁感应原理，通过发射器和接收器之间的电磁感应耦合，将电能从发射器传输到接收器中，实现对电动汽车电池的充电。
相比传统的有线充电方式，无线充电技术无需连接充电插头，能够实现更加便捷的充电体验。
二、无线充电技术在电动汽车中的应用优势1. 便捷性：无线充电技术使充电过程更加方便快捷，无需人工插拔充电插头，只需将电动汽车停放在指定位置，即可实现自动充电。
2. 安全性：无线充电技术采用封闭式充电系统，避免了电动汽车充电时与外界环境接触的风险，减少了电击和火灾等意外事故的发生。
3. 高效性：无线充电技术能够提供较高的充电效率，有效地减少充电过程中的能量损失，提高了充电速度和能源利用率。
4. 环保性：无线充电技术不需要使用充电插头，减少了电线和插座的材料消耗，降低了废弃电线对环境的污染。
三、无线充电技术在电动汽车中的应用现状目前，无线充电技术在电动汽车领域已经取得了一些应用进展。
例如，特斯拉在其电动汽车中应用了无线充电技术，通过在车底安装接收器，实现了与地面发射器之间的无线充电。
此外，一些汽车制造商和科技公司也开始进行无线充电技术的研发，并逐步在其电动汽车产品中应用。
然而，无线充电技术在电动汽车中的大规模应用仍面临一些挑战。
首先，充电效率和充电速度需要进一步提高，以满足电动汽车用户对快速充电的需求。
其次，充电设施的建设仍然需要大量的投资，包括充电发射器的安装和维护，这对于电动汽车的普及产生了一定的制约。
最后，制定统一的无线充电标准和规范也是一个亟待解决的问题，以便不同品牌的电动汽车都能够兼容使用无线充电设施。
四、无线充电技术在电动汽车中的发展趋势尽管目前无线充电技术在电动汽车领域的应用还不够成熟，但其发展潜力巨大。
磁耦合谐振式的电动汽车无线充电系统研究
磁耦合谐振式的电动汽车无线充电系统研究李小磊;秦会斌【摘要】磁耦合谐振式无线充电技术(Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transfer Technology)凭借着传输距离较远、功率大、穿透性强的优势得到了越来越多的关注,成为大功率无线充电领域研究的热点.针对电动汽车无线充电,文章中利用磁耦合谐振式无线充电技术,研制了一台在30 cm的传输距离下,输出功率达到1 kW以上,传输效率达到82.1％以上,磁耦合谐振频率为30kHz的无线充电实验装置,并进行了错位实验,最终运行效果理想.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2018(035)009【总页数】4页(P1-3,7)【关键词】电动汽车;无线充电;磁耦合谐振;抗错位线圈结构【作者】李小磊;秦会斌【作者单位】杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310000;杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310000【正文语种】中文0 引言近年来，无线充电技术一直是相关研究人员关注的热点课题，随着研究的深入，无线充电技术已经在医疗器械、家用电器、电动汽车以及高铁列车等领域得到了应用与发展，并取得了初步的成果。
现如今，新能源汽车（EV）以其高效、节能、零排放等优点得到了政府的大力支持和企业的高度重视，EV也将成为未来汽车行业发展的趋势。
目前给电动汽车充电的方式主要有两种：即有线充电和无线充电。
传统的有线充电方式灵活性较差，对充电接口容易产生磨损，会导致电火花的产生，安全性低。
无线充电技术的使用可以有效地避免以上缺点，使得电动汽车的充电方式有了新的选择。
本文在比较了不同种无线充电方式的基础上，设计了一套基于磁耦合谐振式的电动汽车无线充电方案，磁耦合谐振频率为30 kHz，并实现了30 cm传输距离的1 kW以上的电能传输，且计算系统传输效率达82%以上。
1 无线充电方式比较无线充电技术（Wireless charging technology）源于无线电能传输技术，是指利用电磁感应原理，在充电器和用电装置之间通过磁场进行能量传输，无需用到电导线，根据传输原理主要分为三种：电磁感应耦合式无线充电技术、磁耦合谐振式无线充电技术和微波辐射式无线充电技术。
电动汽车无线充电技术
电动汽车无线充电技术汇报人：2023-11-25CATALOGUE目录•电动汽车无线充电技术概述•电动汽车无线充电技术优势与挑战•电动汽车无线充电技术应用场景•电动汽车无线充电技术实现方案•电动汽车无线充电技术发展前景与趋势•电动汽车无线充电技术案例分析电动汽车无线充电技术概述定义工作原理定义与工作原理初步探索阶段技术发展阶段商业化阶段030201技术发展历程电磁感应式磁场共振式电场耦合式无线充电技术分类电动汽车无线充电技术优势与挑战便捷性无线充电技术可以避免因接触不良或错误连接导致的电气火灾等安全隐患，提高了充电的安全性。
安全性节能环保充电距离和位置无线充电技术需要将电动汽车停放在指定的位置和距离下才能进行充电，对于驾驶者来说需要更高的精度和适应性。
充电效率无线充电技术的充电效率相对有线充电较低，需要更长的时间才能充满电量。
成本无线充电技术的设备成本和维护成本相对较高，需要更多的应用场景和用户来分摊成本。
灵活的充电位置和距离降低成本提高充电效率解决方案与未来发展电动汽车无线充电技术应用场景适用于家庭室内，为电动汽车提供即停即充的充电服务。
家庭应用无线充电垫家庭无线充电桩公共停车场商场、餐厅公共设施应用无线充电公交车无线充电出租车移动服务应用电动汽车无线充电技术实现方案优点缺点1 2 3技术原理优点缺点技术原理利用太阳能电池板将太阳能转化为电能，再通过无线充电技术将电能传输至车辆电池。
优点绿色环保，适用于户外场景，可与其他充电方式结合使用。
缺点受天气影响较大，能量转换效率有待提高。
基于太阳能的无线充电技术电动汽车无线充电技术发展前景与趋势实现智能充电通过物联网技术，可以实现电动汽车与充电桩之间的智能交互，自动识别车辆型号、充电需求等信息，提高充电效率。
远程监控与管理利用物联网技术，实现对充电桩的远程监控与管理，及时发现并解决设备故障，提高设备利用率。
与物联网技术的结合多样化的充电方式无线充电与有线充电兼容移动设备无线充电提高充电效率与安全性提高充电效率无线充电技术的充电效率已经得到大幅提升，未来仍有潜力继续提高，以满足电动汽车快速充电的需求。
电动汽车无线充电用磁耦合机构研究进展.
第 4 卷第1期2015年1月集成技术收稿日期:2014-10-29 修回日期:2014-11-17作者简介:王丽芳(通讯作者,研究员,博士生导师,研究方向为电动汽车能量管理及其充电技术,E-mail :wlf@ ;朱庆伟,博士研究生,研究方向为电动汽车动态无线充电技术;李均锋,博士研究生,研究方向为电动汽车无线充电技术;郭彦杰,博士,助理研究员,研究方向为电动汽车无线充电技术及电磁兼容技术。
电动汽车无线充电用磁耦合机构研究进展王丽芳1 朱庆伟1,2 李均峰1,2 郭彦杰11(中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室中国科学院电工研究所北京1001902(中国科学院大学北京 100049摘要发展电动汽车是节能、环保和低碳经济的需求,而无线充电技术以其安全、便捷和低维护的优点,越来越受到学术界和工业界关注,是未来电动汽车供电技术的发展趋势。
磁耦合机构是无线充电系统中实现电能无线传输最为关键的部件。
文章介绍了近几年来国际上电动汽车无线充电系统开发及其磁耦合机构研发的最新研究进展,包括电动汽车无线充电实用化和产业化的最新进展,最后讨论和总结了磁耦合机构研究的难点和发展趋势。
关键词电动汽车;无线充电;磁耦合机构;线圈;磁性材料中图分类号 TM 910.6 U 469.72 文献标志码 AState-of-Art of the Magnetic Coupler in an Electric Vehicle OrientedWireless Charging SystemWANG Lifang 1 ZHU Qingwei 1,2 LI Junfeng 1,2 GUO Yanjie 11( Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drives , Institute of Electrical Engineering , Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100190, China2( University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049, ChinaAbstract On demand of a sustainable, green, and low-carbon economy development, there is a worldwide stimulationon the progress of Electric Vehicle (EV industry. The wireless charging technique, embodying advantages of convenience, safety and low-maintenance, has been gaining interests from both the academia and industrial community. It is promising to be the future trend for the EV charging technology. And the magnetic coupler which enables wireless charging is the most essential part in a wireless charging system. In this paper, the latest research progress in the development of EV oriented wireless charging system, especially the magnetic coupler, which is the most important unit, was reviewed internationally. Besides, the pioneering deployments and commercializing trial of the wireless charging system using EV was highlighted as well. At last, challenges to be addressed and perfections to be made in the near future on the magnetic coupler were summarized.Keywords electric vehicle; wireless charging; magnetic coupler; coil; magnetic pad1 引言在环保和能源短缺的双重压力下,各国政府和各大汽车厂商都在积极推进电动汽车产业的发展。
基于LCC补偿的无线充电系统的分析与控制
基于 LCC补偿的无线充电系统的分析与控制摘要：电动汽车充电技术发展是提升电动汽车行业发展核心竞争力的重点内容，分为有线充电和无线充电两种形式，目前市面上常见的电动汽车充电形式为直接充电，相对来讲，直接充电虽然原理简单，但是也存在刻板、不灵活等的问题，而无线充电技术虽然目前仍缺乏成熟产品，实际应用非常少，但是灵活性更高，安全性更高，因此无线充电系统研究受到重视。
补偿电路作为主流无线充电系统的核心，与系统充电性能和电能传输效率紧密相关，本文以基于LCC补偿的无线充电系统的分析与控制为主要内容进行探讨分析，结合常见的几种电动汽车无线充电系统为后续发展提供参考。
关键词：电动汽车；无线充电；补偿电路拓扑引言近些年随着社会发展进程的不断推进和居民生活水平的提高，我国人均汽车保有量逐步提升，类型愈发多样，为居民出行提供便利，汽车行业发展形势一片大好，但是现阶段汽车产业发展面临重大机遇的同时也迎来了挑战，传统的燃油车以石油资源为动力基础，然而目前全球石油资源都处于紧缺状态下，资源节约是现代化发展的核心，因此以电力能源和清洁为核心的新能源汽车发展受到汽车行业的高度重视，近年来新能源汽车市场份额不断扩大，电动汽车走入人们视野，但是部分有购买欲望的客户仍然会考虑到电动汽车续航里程短，充电困难等等问题，因此实际发展仍存在一定限制。
目前新能源汽车常见的充电方式一般是直接充电，作为传统的接触式充电全国各地遍布并不均匀，另外，电动汽车充电必须配备充电线，无论是从安全性还是便捷性上看都存在明显缺陷，后续维修养护比较困难，因此越来越多的专家学者和从业人员投入新能源汽车无线充电系统研究，本文以基于LCC补偿的无线充电系统的分析与控制为核心进行探讨，为后续发展提供参考。
1国内外研究现状19世纪中期出现了第一辆以铅酸电池为动力源的新能源汽车，此后随着内燃机技术的不断发展成熟，纯电动汽车退出历史舞台，上世纪60年代石油危机的出现帮助纯电动汽车和新能源汽车迈入人们视野，车辆充电技术受到高度关注，国内外多个专家学者投入研究当中。
无线充电电磁耦合原理
无线充电电磁耦合原理
无线充电是一种便利的充电方式，它可以消除充电线和插头的麻烦。
无线充电的原理是电磁耦合，电磁耦合是指在两个相邻的线圈之间传递能量的过程。
在无线充电中，发送端的线圈产生一个高频电磁场，接收端的线圈则通过电磁感应将能量转换为电能，从而实现充电。
因此，无线充电需要两个线圈，一个发送端和一个接收端。
发送端的线圈被称为发射线圈，它由一个交流电源驱动，产生一个高频电磁场。
接收端的线圈被称为接收线圈，它通过电磁感应将高频电磁场转换为电能，从而充电。
在无线充电中，电磁耦合是传递能量的关键。
当两个线圈接近时，它们会相互影响，从而形成电磁耦合。
电磁耦合系数取决于线圈之间的距离和线圈的几何形状。
为了实现高效的无线充电，必须优化电磁耦合效率。
一般来说，当两个线圈彼此接近时，电磁耦合效率较高。
因此，在设计无线充电系统时，应该尽量减小线圈之间的距离，并选择合适的线圈几何形状。
总之，无线充电是一种新兴的充电方式，它通过电磁耦合传递能量，避免了充电线和插头的麻烦。
通过优化电磁耦合效率，可以实现高效的无线充电。
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车载无线充电原理
车载无线充电原理
车载无线充电是一种通过电磁感应实现将电能传输到车辆电池的技术。
它基于电磁耦合原理，通过特殊的电磁感应装置，在电动车和充电座之间建立起一个无线电磁场。
无线充电座上的线圈会产生一个交流电场，而电动车上的线圈则接收该电场并将其转化为直流电能，用于充电。
在这种无线充电系统中，车载充电座的线圈搭载在地面上，通常安装在停车场地面或者道路的某些部分。
当电动车停在充电座上时，车辆下方的感应线圈会与座上的充电线圈进行牵引力连接，并实现电磁耦合。
通过对线圈上的电流进行调节，可以生成一个特定频率和大小的交流电场。
电动车上的电池也配备有与充电座线圈相同的感应线圈。
当车辆停放在充电座上时，电动车内的感应线圈也会与充电座线圈进行电磁耦合。
接着，充电座上的电流开始在线圈之间交换，产生一个电磁场。
这个电磁场会在电动车中感应到，并启动能将接收到的交流电场转化为直流电能的充电系统。
充电系统有一个整流器，用于将交流电场转换为直流电。
这个直流电能会经过电动车内的电池管理系统进行监测和控制，根据电池的状态和需求，将电能存储在电池中。
一旦电池电量达到设定的充电状态，充电系统会自动停止充电。
这种无线充电系统的设计还包括了一些保护措施，例如过电流和过热保护，以确保充电过程的安全性和有效性。
总之，车载无线充电技术基于电磁感应原理，利用充电座和电
动车之间的电磁耦合实现电能的传输。
这一技术使得电动车无需通过传统的插座进行充电，提高了车辆的使用便捷性和充电的效率。
基于有限元方法的电动汽车无线充电耦合机构的磁屏蔽设计与分析
基于有限元方法的电动汽车无线充电耦合机构的磁屏蔽设计与分析张献;章鹏程;杨庆新;苑朝阳;苏杭【摘要】为降低电动汽车无线充电耦合机构工作时对非工作区域内电磁环境的影响,并提高耦合效率,对电动汽车无线充电过程中空间电磁能量约束问题设计了一套带有屏蔽的能量耦合机构,建立了其有限元模型,有限元计算和实验结果验证了该方法的可行性.实验结果表明,耦合机构外加铁氧体屏蔽后,传能区域内的磁场被约束在发射耦合机构与接收耦合机构之间,空间磁场均匀性增强,屏蔽层之外的磁场强度远小于未加屏蔽的耦合机构,降低了辐射损耗,同时加入屏蔽结构耦合机构的电感量增大,谐振频率降低.其在远距离、水平偏移等耦合性差的工作环境下能有效提高系统传输功率,且能减少电动汽车无线充电对外界的电磁干扰,增强无线充电系统工作的稳定性.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2016(031)001【总页数】9页(P71-79)【关键词】电动汽车;无线供电;有限元;磁屏蔽;电磁干扰【作者】张献;章鹏程;杨庆新;苑朝阳;苏杭【作者单位】天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津300387;天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津300387;天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津300387;天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津300387;天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津300387【正文语种】中文【中图分类】TM72;TM15随着环境问题的恶化和石油资源的日益减少，电动汽车因具有绿色环保及无排放等特点得到了快速发展，并作为现代交通工具的代表受到全世界国家的关注［1，2］。
目前电动汽车的主流充电方式采用插入式充电器［3］，这种充电方式的缺点明显，比如充电器与汽车接触不良时可能会产生火花、容易磨损、不便维护、不够灵活，甚至在一些高寒地区，充电连接线的柔韧性会因低温而大大降低，由此引起的线路磨损与老化降低了充电线路的使用寿命。
电动汽车磁耦合无线充电关键技术及应用
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电动汽车无线充电耦合系数
电动汽车无线充电耦合系数
电动汽车无线充电的耦合系数是指能量传输系统中的电感耦合系数。
在无线充电系统中，能量是通过电磁感应原理传输的。
耦合系数表示了两个线圈之间的电磁耦合程度，也就是能量从发射线圈传输到接收线圈的效率。
耦合系数越高，能量传输的效率就越高，充电速度也就越快。
从物理角度来看，耦合系数取决于线圈之间的距离、线圈的相对位置以及线圈的几何形状。
理想情况下，线圈之间的位置对齐并且距离适当，耦合系数可以接近1，能量传输效率很高。
然而，现实中存在诸多因素会影响耦合系数，比如线圈之间的误差、外部干扰等，这些因素都会降低耦合系数，从而影响无线充电的效率。
在电动汽车无线充电技术中，提高耦合系数是提高充电效率的关键。
工程师们通过优化线圈设计、控制线圈之间的距离和位置，以及采用适当的电子控制技术来提高耦合系数，从而实现快速、高效的无线充电。
总的来说，电动汽车无线充电的耦合系数是影响充电效率的重
要因素，工程师们通过不断的技术创新和优化设计，致力于提高耦合系数，从而推动无线充电技术的发展和应用。
基于磁耦合共振的无线充电系统研究
研究方法
本次演示的研究方法包括理论分析、数值计算和实验验证。首先，我们将建 立磁耦合谐振的数学模型，通过数值计算研究其传输效率和设备成本等因素的影 响。其次，我们将设计一个基于磁耦合谐振的电动汽车无线充电系统实验平台， 进行实验验证和分析。
研究结果
通过理论分析和数值计算，我们发现磁耦合谐振在电动汽车无线充电系统中 具有以下优势：
充电效率较低。而磁共振式充电是通过谐振来实现能量的传递，具有传输距 离远、充电效率高等优点，因此更适合于自主无线充电机器人的应用。
磁耦合谐振原理与设计
磁耦合谐振充电的基本原理是：在发射端和接收端设置相同频率的谐振器， 通过磁场的作用使两个谐振器产生共振，从而实现能量的传递。在设计中，需要 以下两个方面：
基于磁耦合共振的无线充电系 统研究
01 引言
目录
02 一、工作原理
03 二、系统构成
04 三、系统发展与优化
05 四、应用前景
06 参考内容
引言
随着科技的不断发展，无线充电技术已经成为我们日常生活中不可或缺的一 部分。传统的有线充电方式虽然已经能够满足大部分设备的需求，但其带来的种 种不便也日益凸显。在这种情况下，基于磁耦合共振的无线充电系统因其高效、 便捷和环保的特
此外，磁耦合谐振在电动汽车无线充电系统中的应用还具有便于维护、节能 环保等优点。然而，磁耦合谐振也存在一些局限性，如对位置和姿态的敏感性、 传输距离的限制等。
结论与展望
本次演示研究了基于磁耦合谐振的电动汽车无线充电系统，得出以下结论： 磁耦合谐振作为一种高效的传输技术，在电动汽车无线充电系统中具有很高的应 用价值，可以解决传统充电方式存在的问题。通过理论分析和数值计算，我们发 现磁耦合谐振在
传输效率、设备成本、安全性能等方面具有明显优势。磁耦合谐振也存在对 位置和姿态的敏感性和传输距离的限制等局限性，需要进一步研究和改进。
电动汽车无线充电原理
电动汽车无线充电原理介绍电动汽车无线充电是一项创新技术，它消除了传统充电方式中需将车辆与充电设施物理连接的限制。
通过无线充电技术，电动汽车可以在停车场等指定区域内实现自动充电，提高了充电的便利性和安全性。
本文将深入探讨电动汽车无线充电的原理及其应用。
原理电动汽车无线充电的原理是基于电磁感应和电磁场的相互作用。
充电系统由两个主要组件组成：充电垫和车辆底座。
充电垫充电垫由一个或多个线圈组成，它们被连接到电源上。
当电源激活时，充电垫通过产生一个交变电磁场来传输能量。
这个交变电磁场会相互作用于车辆底座上的线圈。
车辆底座车辆底座上也安装了一个或多个线圈，它们被称为接收线圈。
当车辆停放在充电垫上时，接收线圈会感应到充电垫上的交变电磁场。
通过感应，能量可以从充电垫传输到车辆底座上。
电能转换当充电垫和底座之间建立了电磁耦合，能量就会从充电垫传输到底座。
底座上的接收线圈将感应到的电磁场转换为电能，并传输到电动汽车的电池系统中进行储存。
无线充电技术的应用电动汽车无线充电技术在各领域的应用正在逐渐增加。
下面将介绍几个重要的应用场景。
公共充电设施无线充电技术可以用于建设公共充电设施，如停车场和充电站。
这些设施可以方便地为电动汽车提供充电服务，无需人工干预。
无线充电设施的使用也可以减少充电设备的损坏和滥用。
居民区和商业建筑在居民区和商业建筑中安装无线充电设施，可以让住户和商家更加方便地充电。
无线充电停车位的设置可以促进电动汽车的普及，为住户和商家提供更多的可持续能源选择。
道路和高速公路无线充电技术还可以应用于道路和高速公路上，通过埋设充电垫，实现车辆在行驶过程中的充电。
这种技术可以大大提高电动汽车的续航里程，减少长途旅行的充电压力。
移动充电服务无线充电技术还可以用于移动充电服务，通过携带充电垫和车辆底座，为无法到达充电设施的车辆提供充电服务。
这种移动充电服务可以应用于交通拥堵区域、紧急情况下的充电需求等场景。
无线充电系统的优势相比传统有线充电方式，电动汽车无线充电系统具有以下几个优势。
关于电动汽车高效率无线充电技术的研究
关于电动汽车高效率无线充电技术的研究摘要:电动汽车采取电能作为主要的能源供应方式可以有效地减少对石油资源的消耗,减少生态环境污染等问题,保护生态环境。
传统的电动汽车无线充电技术面临着续航里程较短、使用麻烦等一系列问题,目前大多通过电缆线和充电桩或直接换电池等方法充电,从而导致插头在长期应用中产生损坏,在雨天充电甚至会引发安全故障。
本文将对电动汽车无线充电技术展开了深入研究,针对现有无线充电技术理论、原理进行分析,并提出高效率无线充电技术方案,以非接触的方式,在汽车行驶中实时提供能量,确保电动车的整体续航时间得到全面延长,满足车辆行驶的实际需要。
Abstract: Electric vehicles take electric energy as the main energy supply mode, which can effectively reduce the consumption ofoil resources, reduce the pollution of ecological environment and protect the ecological environment. The traditional electric vehicle wireless charging technology has many problems, such as short mileage, inconvenient operation and so on. It is mainly charged by means of cable and charging pile or direct replacement of battery, resulting in the wear of plug in long-term use, and even safety failure in rainy days. This paper studies the wireless charging technology of electric vehicles, analyzes the theory and principle of existing wireless charging technology, and puts forward a high-efficiency wireless charging technology scheme to provide real-time energy during vehicle driving in a non-contact way, so as to ensure that the overall endurance time of electric vehicles is fully extended and meet the actual needs of vehicle driving.关键词:电动汽车;高效率;无线充电技术引言我国人均资源分配较少,大量的石油能源进口会阻碍社会发展,因此需要对新能源车给予足够的重视,提高新能源汽车技术,减轻对进口能源的依赖。
无线充电电磁耦合原理
无线充电电磁耦合原理
无线充电技术采用的电磁耦合原理是指在发射端的电磁场与接收端的电磁场之间形成了一种耦合关系，通过这种耦合关系，能够将电能从发射端传输到接收端中。
这种耦合关系是由发射端的线圈和接收端的线圈之间的电磁感应产生的。
在无线充电的过程中，发射端的电源会产生高频电流，通过线圈产生一个交变磁场，磁场内的磁力线会穿过接收端的线圈，并在其内部形成一个感应电动势。
这个电动势会驱动一个交变电流在接收端的电路中流动，并通过电路中的电容器和电阻器进行整流和调整，最终将电能转换成为直流电能供给电池进行充电。
无线充电技术的优点在于可以去除传统充电方式中的电线和插头，同时也可以让充电器更加便携和易于使用。
然而，这一技术的缺点在于效率较低，传输距离较短，同时也需要专门的无线充电设备才能进行充电。
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电动汽车无线充电原理及应用分析
电动汽车无线充电原理及应用分析【摘要】随着经济的快速发展，节能、低碳和环保经济成了社会发展的需要，电动汽车受到了广泛的关注，而无线充电技术是未来电动汽车供电技术的发展趋势。
本文介绍了三种常用的无线充电技术：电磁感应、微波、磁耦合共振，并分析了三种无线充电的工作原理、存在的问题及实用化前景。
【关键词】电动汽车;无线充电;电磁感应;微波;磁耦合共振一、引言自电动汽车产生以来，为了让车主感觉更加方便、安全，高新技术和便捷服务已经被广泛应用，很多知名的汽车制造商和能源企业建造了跟传统加油站类似的充电桩和换电站。
在日本、美国、德国，包括中国在内等地区都开始配置充电设备的充电桩和换电设备的换电站。
无论是充电桩还是换电站都属于接触式充电范畴，它们都需要充电插头和电线来进行电能的传递。
但无线充电则不需要这些连接装置，它是利用交变电磁场和无线电波来传递电能，因此不需人来插拔插头，同时节省电线材料，无触电危险，在恶劣天气环境下使用性强，很便于在停车场和车库大面积推广。
因此，电动汽车无线充电受到很多汽车制造商的青睐，相关技术的研究和应用在世界发达国家已经开始开展。
二、无线充电技术无线充电技术应用在电动汽车上主要有三种：电磁感应法、微波法、磁耦合共振法。
其中电磁感应法利用线圈间产生的电磁感应现象进行电能传输;微波法利用天线发射和接收微波进行电能传输;磁耦合共振法利用共振电路之间的共振现象进行电能传输，下面分别进行分析介绍。
（一）电磁感应法此原理与电力系统中常用的电力变压器原理类同。
在变压器的一次线圈通入交变电流，二次线圈会由于电磁感应原理感应出电动势，如果二次线圈电路闭合，即可有感应电流出现，电流方向的确定遵从楞次定律，其大小可由麦克斯韦电磁理论解出。
相对于无线输电而言，变压器的一次线圈相当于电能发射线圈，二次线圈相当于电能接收线圈，这样就可以把电能从发射线圈无线传输到接收线圈。
工作原理如图1所示。
该电能传输系统是将发射电能的一次线圈埋藏在地下，接收电能的二次线圈安装于车底部，两线圈之间空隙的大小会影响充电系统的效率。
电场耦合无线充电原理
电场耦合无线充电原理随着科技的不断发展，无线充电技术逐渐成为人们关注的热门话题。
而电场耦合无线充电作为无线充电技术的一种重要实现方式，具有其独特的工作原理和应用优势。
本文将介绍电场耦合无线充电的原理及其相关知识。
一、电场耦合无线充电的基本原理电场耦合无线充电是利用电磁场的能量传输特性，将电能从发射端传输到接收端的无线充电技术。
其基本原理是基于电磁场的感应耦合，通过在发射端产生交变电流，从而形成交变磁场，接收端的线圈受到磁场的影响，产生感应电流，进而将电能传输给接收设备。
具体来说，电场耦合无线充电系统通常由发射端和接收端两部分组成。
发射端包含一个发射线圈，通过交变电流激励线圈产生交变磁场。
接收端包含一个接收线圈，其位置相对于发射线圈是确定的。
当接收线圈处于发射线圈的磁场范围内时，接收线圈就会受到磁场的影响，产生感应电流。
通过调节发射端的电流频率和功率，可以实现对接收端的无线充电。
二、电场耦合无线充电的优势及应用电场耦合无线充电具有以下几个优势：1. 灵活性：电场耦合无线充电系统可以在一定距离范围内进行充电，不需要接触式充电，使得充电更加灵活便捷。
2. 安全性：相比较传统的有线充电方式，电场耦合无线充电减少了电线的使用，能够有效降低电击和火灾的风险，提高了充电的安全性。
3. 可靠性：电场耦合无线充电系统采用感应耦合的方式进行能量传输，不受距离和位置的限制，能够稳定地进行无线充电。
电场耦合无线充电技术在生活和工业领域有着广泛的应用。
在生活领域，电场耦合无线充电可以应用于智能手机、平板电脑等消费电子产品的充电。
用户只需将设备放置在充电器的范围内，即可实现无线充电，不再需要插拔充电线，提高了用户的使用体验。
在工业领域，电场耦合无线充电可以应用于机器人、电动汽车等设备的充电。
机器人可以通过无线充电技术实现自动对接充电，提高了工作效率和智能化水平。
电动汽车也可以通过无线充电技术进行充电，减少了传统充电桩的使用，提高了充电的便利性和效率。
无线充电系统耦合器自感与互感的非线性研究
无线充电系统耦合器自感与互感的非线性研究作者：李万路汪泉弟李景红王赢聪来源：《湖南大学学报·自然科学版》2020年第10期摘要：当前在电动汽车无线充电系统的耦合器中，铁氧体板被广泛使用. 本文借助数值计算方法深入研究带有铁氧体板的耦合器的自感与互感的非线性，并考虑铁氧体板的厚度、线圈与铁氧体板的间距、铁氧体板的尺寸以及传输距离等4个关键参数对非线性的影响. 研究发现：自感与互感的非线性受铁氧体板厚度的影响最大，受线圈与铁氧体板的间距以及铁氧体板的尺寸的影响较小，而受传输距离的影响很小. 此外，自感与互感非线性对应的饱和电流与铁氧体板的厚度和线圈与铁氧体板的间距正相关，与铁氧体板的尺寸成负相关，而互感的饱和电流随传输距离的增大而小幅增大. 继而给出了对应最小饱和电流的4种参数组合，并得到了最小饱和电流为160 A，即当线圈电流小于160 A时，耦合器的自感与互感为线性，耦合器可看作线性设备. 最后，利用实验验证了仿真结果的正确性，并利用耦合器在电流不大时的线性特性对耦合器周围的磁场进行了分析.关键词：无线充电系统;自感与互感;非线性;多参数分析;饱和电流中图分类号：TM12 文献标志码：AStudy on Nonlinearity of Self-inductance and MutualInductance for Couplers of Wireless Charging SystemsLI Wanlu1，2†，WANG Quandi1，2，LI Jinghong3，WANG Yingcong4 （1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security andNew Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China;2. School of Electrical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China;3. State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450000，China;4. State Grid Jinhua Power Supply Company，Jinhua 321000，China）Abstract：Currently， the ferrite plates are widely utilized in couplers of wireless power transfer systems in electric vehicles. In this paper， the nonlinearity of the self-inductance and mutual inductance for the couplers with ferrite plates is intensively studied by numerical calculation method，and four key parameters including the thickness of the ferrite plates，the spacing between the coils and the ferrite plates， the size of ferrite plates and transfer distance are considered. It is found that the nonlinearity of self-inductance and mutual inductance is greatly affected by the thickness of the ferrite plates，followed by the spacing between the coils and the ferrite plates and the size of the ferrite plates，and little affected by the transfer distance. In addition， the saturation current corresponding to the nonlinearity of the self-inductance and mutual inductance is positively correlated with the thickness of the ferrite plates and the spacing between the coils and the ferrite plates，and negatively correlated with the size of the ferrite plates. The saturation current corresponding to the nonlinearity of the mutual inductance increases slightly with the increase of transfer distance. Then， the combination of the four parameters corresponding to the minimum saturation current is provided， and the minimum saturation current is 160 A. That is， when the coil current is less than 160 A，the self- inductance and mutual inductance of the coupler are linear， and the coupler can be treated as a linear device. Finally，the correctness of the simulation is verified by experiment. The linear characteristics of the coupler are used to analyze the magnetic field around the coupler when the current is not large.Key words： wireless power transfer;self-inductance and mutual inductance;nonlinearity;multi-parameter analysis;saturation current目前，无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT ）技术由于充电安全、方便，被越来越多地运用到电动汽车充电领域[1-2]. 如韩国高等科学技术学院的科研团队实现了动态实时WPT，该系统运行时，流过发射线圈的电流高达200 A，传输功率可达100 kW，传输效率可达80%[3]. 重庆大学孙跃教授团队与南方电网集团合作搭建了电能传输距离40 cm、横向偏移可达20 cm、最大输出功率30 kW和行进供电效率75%～90%的WPT系统[4]. 中兴新能源与长城汽车合作在2015底研制出了用于电动汽车的无线充电设备，能够提供3.3 ～60 kW的功率[5]. 国家电网也在积极与一些高校以及研究所开展这方面的研究[6]. 电网给电动汽车充电的示意图如图1（a）所示，包括整流滤波电路、高频逆变电路、借助电磁感应和电路谐振的耦合器以及最终以电动汽车电池为负载的整流滤波电路. 电动汽车的耦合器由发射器（Tx）和接收器（Rx）组成，而Tx和Rx则由线圈和铁氧体板构成，线圈之间的距离为d，线圈与相应侧铁氧体板的间距为h，铁氧体板一般采用方形结构，边长为l，厚度为s，耦合器的剖面结构图如图1（b）所示.线圈两侧添加铁氧体板不仅能使系统的耦合作用大大增强，同时也起到了电磁屏蔽的作用[7-8]. 但铁氧体板由于存在非线性，它的引入可能使得原本线性较好的系统耦合器的分析更为复杂. 因此，对系统耦合器的非线性研究显得格外必要. 然而，目前針对WPT系统非线性研究主要集中于发射端的逆变电路以及负载端的整流电路[9-10]，针对WPT系统电感的非线性研究极少. 文献[11]对电感采用分段线性处理后给出了系统的动态特性，但研究中却并未给出电感具体的非线性特性. 文献[12]探究了铁氧体板的厚度对自感的影响，但未考虑铁氧体板与线圈间距等其他多个关键参数的影响，此外，也并未考虑互感的非线性.本文针对带有常用的盘式线圈的耦合器的自感与互感的非线性特性进行了深入研究，采用有限元数值计算方法，考虑了铁氧体板的厚度、铁氧体板与线圈的间距、铁氧体板的尺寸以及传输距离等4个关键因素的影响. 之后借助实验对仿真结果进行了验证. 最后利用耦合器的非线性分析了电动汽车WPT系统周围的磁场分布.1 铁氧体的磁特性与非线性计算方法1.1 铁氧体的磁特性一个小型的WPT系统耦合器如图2所示，具有高品质因数的盘式线圈由0.1 mm × 200股铜线制作的利兹线绕制而成.表1给出了耦合器的具体参数. 耦合器两侧是型号为PC95的锰锌铁氧体板，该铁氧体由铁、锰、锌的氧化物及其盐类构成，具有高的起始磁导率，其频率特性和温度特性如图3所示.从图3（a）可以看出，在110 kHz以下铁氧体的磁导率几乎不随频率变化，而电动汽车WPT系统最有可能的候选工作频率为85 kHz[13]，因此可以认为电动汽车采用的铁氧体磁导率与频率无关. 对于不同的温度铁氧体表现出不同的饱和程度，温度越高越容易饱和，如图3（b）所示. 铁氧体的B-H曲线均可以分为线性区与非线性区，即在磁场强度小于饱和磁场强度Hb的线性区时，磁导率保持恒定，此时磁感应强度B随着磁场强度的增大而线性增大;当磁场强度超过Hb进入饱和区时，磁导率随着磁场强度的增大而逐渐减小. 图3（c）列出了在室温（25 ℃）下的PC95型铁氧体的线性区和非线性区，以及饱和磁感应强度Bs，下面对室温（25 ℃）下的PC95铁氧体材料做进一步讨论. PC95铁氧体的初始相对磁导率为3 300[14]，在磁场强度为1 194 A/m时，对应的Bs为530 mT，剩磁为85 mT. 忽略其磁滞效应，由图3（c）的B-H曲线可以看出，在线性区磁感应强度随着磁场强度的增加而线性增加;在饱和区，磁感应强度不再随着磁场强度的增加而线性增加. B-H关系可由式（1）表示：B = μ0 μrC H，H≤Hbμ0 μr （H）H，H>Hb （1）式中：μ0为空气中的磁导率;μrC为固定的相对磁导率; μr（H）表示材料的相对磁导率是磁场强度的函数，不再是固定值.磁场强度可以表示为：Hn = Txn In ex + Tyn In ey + Tzn In ez，n = 1，2 （2）式中：n = 1，2分别表示Tx和Rx;参数T除了包含线圈几何特性外，还包含了铁氧体板的几何尺寸，其具体的表达式很难利用解析方法得到;Tx、Ty、Tz分别表示直角坐标3个分量对应的T参数. 由于铁氧体的非线性磁特性，Tx和Rx产生的总磁场不能采用叠加原理求解，因此后面的非线性求解采用数值计算方法.Tx和Rx的自感与互感按定义式计算，即：Ln = = （3）Mn，j = = （4）式中：n（或j）=1，2分别表示Tx和Rx，且n≠j;N为线圈的匝数.由式（1）～式（4）可以看出，由于铁氧体的非线性磁特性，当线圈电流较小时，耦合器的自感与互感是固定值，但当电流大于一定值后，自感与互感不再是线性，其值随着线圈电流的变化而变化，即有：Key words： wireless power transfer;self-inductance and mutual inductance;nonlinearity;multi-parameter analysis;saturation current目前，无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT ）技术由于充电安全、方便，被越来越多地运用到电动汽车充电领域[1-2]. 如韩国高等科学技术学院的科研团队实现了动态实时WPT，该系统运行时，流过发射线圈的电流高达200 A，传输功率可达100 kW，传输效率可达80%[3]. 重庆大学孙跃教授团队与南方电网集团合作搭建了电能传输距离40 cm、横向偏移可达20 cm、最大输出功率30 kW和行进供电效率75%～90%的WPT系统[4]. 中兴新能源与长城汽车合作在2015底研制出了用于电动汽车的无线充电设备，能够提供3.3 ～60 kW的功率[5]. 国家电网也在积极与一些高校以及研究所开展这方面的研究[6]. 电网给电动汽车充电的示意图如图1（a）所示，包括整流滤波电路、高频逆变电路、借助电磁感应和电路谐振的耦合器以及最终以电动汽车电池为负载的整流滤波电路. 电动汽车的耦合器由发射器（Tx）和接收器（Rx）组成，而Tx和Rx则由线圈和铁氧体板构成，线圈之间的距离为d，线圈与相应侧铁氧体板的间距为h，铁氧体板一般采用方形结构，边长为l，厚度为s，耦合器的剖面结构图如图1（b）所示.线圈两侧添加铁氧体板不仅能使系统的耦合作用大大增强，同时也起到了电磁屏蔽的作用[7-8]. 但铁氧体板由于存在非线性，它的引入可能使得原本线性较好的系统耦合器的分析更为复杂. 因此，对系统耦合器的非线性研究显得格外必要. 然而，目前针对WPT系统非线性研究主要集中于发射端的逆变电路以及负载端的整流电路[9-10]，针对WPT系统电感的非线性研究极少. 文献[11]对电感采用分段线性处理后给出了系统的动态特性，但研究中却并未给出电感具体的非线性特性. 文献[12]探究了铁氧体板的厚度对自感的影响，但未考虑铁氧体板与线圈间距等其他多个关键参数的影响，此外，也并未考虑互感的非线性.本文针对带有常用的盘式线圈的耦合器的自感与互感的非线性特性进行了深入研究，采用有限元数值计算方法，考虑了铁氧体板的厚度、铁氧体板与线圈的间距、铁氧体板的尺寸以及传输距离等4个关键因素的影响. 之后借助实验对仿真结果进行了验证. 最后利用耦合器的非线性分析了电动汽车WPT系统周围的磁场分布.1 铁氧体的磁特性与非线性计算方法1.1 铁氧体的磁特性一个小型的WPT系统耦合器如图2所示，具有高品质因数的盘式线圈由0.1 mm × 200股铜线制作的利兹线绕制而成.表1给出了耦合器的具体参数. 耦合器两侧是型号为PC95的锰锌铁氧体板，该铁氧体由铁、锰、锌的氧化物及其盐类构成，具有高的起始磁导率，其频率特性和温度特性如图3所示.从图3（a）可以看出，在110 kHz以下铁氧体的磁导率几乎不随频率变化，而电动汽车WPT系统最有可能的候选工作频率为85 kHz[13]，因此可以认为电动汽车采用的铁氧体磁导率与频率无关. 对于不同的温度铁氧体表现出不同的饱和程度，温度越高越容易饱和，如图3（b）所示. 铁氧体的B-H曲线均可以分为线性区与非线性区，即在磁场强度小于饱和磁场强度Hb的线性区时，磁导率保持恒定，此时磁感应强度B随着磁场强度的增大而线性增大;当磁场强度超过Hb进入饱和区时，磁导率随着磁场强度的增大而逐渐减小. 图3（c）列出了在室温（25 ℃）下的PC95型铁氧体的线性区和非线性区，以及饱和磁感应强度Bs，下面对室温（25 ℃）下的PC95铁氧体材料做进一步讨论. PC95铁氧体的初始相对磁导率为3 300[14]，在磁场强度为1 194 A/m时，对应的Bs为530 mT，剩磁为85 mT. 忽略其磁滞效应，由图3（c）的B-H曲线可以看出，在線性区磁感应强度随着磁场强度的增加而线性增加;在饱和区，磁感应强度不再随着磁场强度的增加而线性增加. B-H关系可由式（1）表示：B = μ0 μrC H，H≤Hbμ0 μr （H）H，H>Hb （1）式中：μ0为空气中的磁导率;μrC为固定的相对磁导率; μr（H）表示材料的相对磁导率是磁场强度的函数，不再是固定值.磁场强度可以表示为：Hn = Txn In ex + Tyn In ey + Tzn In ez，n = 1，2 （2）式中：n = 1，2分别表示Tx和Rx;参数T除了包含线圈几何特性外，还包含了铁氧体板的几何尺寸，其具体的表达式很难利用解析方法得到;Tx、Ty、Tz分别表示直角坐标3个分量对应的T参数. 由于铁氧体的非线性磁特性，Tx和Rx产生的总磁场不能采用叠加原理求解，因此后面的非线性求解采用数值计算方法.Tx和Rx的自感与互感按定义式计算，即：Ln = = （3）Mn，j = = （4）式中：n（或j）=1，2分别表示Tx和Rx，且n≠j;N为线圈的匝数.由式（1）～式（4）可以看出，由于铁氧体的非线性磁特性，当线圈电流较小时，耦合器的自感与互感是固定值，但当电流大于一定值后，自感与互感不再是线性，其值随着线圈电流的变化而变化，即有：Key words： wireless power transfer;self-inductance and mutual inductance;nonlinearity;multi-parameter analysis;saturation current目前，无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT ）技术由于充电安全、方便，被越来越多地运用到电动汽车充电领域[1-2]. 如韩国高等科学技术学院的科研团队实现了动态实时WPT，该系统运行时，流过发射线圈的电流高达200 A，传输功率可达100 kW，传输效率可达80%[3]. 重庆大学孙跃教授团队与南方电网集团合作搭建了电能传输距离40 cm、横向偏移可达20 cm、最大输出功率30 kW和行进供电效率75%～90%的WPT系统[4]. 中兴新能源与长城汽车合作在2015底研制出了用于电动汽车的无线充电设备，能够提供3.3 ～60 kW的功率[5]. 国家电网也在积极与一些高校以及研究所开展这方面的研究[6]. 电网给电动汽车充电的示意图如图1（a）所示，包括整流滤波电路、高频逆变电路、借助电磁感应和电路谐振的耦合器以及最终以电动汽车电池为负载的整流滤波电路. 电动汽车的耦合器由发射器（Tx）和接收器（Rx）组成，而Tx和Rx则由线圈和铁氧体板构成，线圈之间的距离为d，线圈与相应侧铁氧体板的间距为h，铁氧体板一般采用方形结构，边长为l，厚度为s，耦合器的剖面结构图如图1（b）所示.线圈两侧添加铁氧体板不仅能使系统的耦合作用大大增强，同时也起到了电磁屏蔽的作用[7-8]. 但铁氧体板由于存在非线性，它的引入可能使得原本线性较好的系统耦合器的分析更为复杂. 因此，对系统耦合器的非线性研究显得格外必要. 然而，目前针对WPT系统非线性研究主要集中于发射端的逆变电路以及负载端的整流电路[9-10]，针对WPT系统电感的非线性研究极少. 文献[11]对电感采用分段线性处理后给出了系统的动态特性，但研究中却并未给出电感具体的非线性特性. 文献[12]探究了铁氧体板的厚度对自感的影响，但未考虑铁氧体板与线圈间距等其他多个关键参数的影响，此外，也并未考虑互感的非线性.本文针对带有常用的盘式线圈的耦合器的自感与互感的非线性特性进行了深入研究，采用有限元数值计算方法，考虑了铁氧体板的厚度、铁氧体板与线圈的间距、铁氧体板的尺寸以及传输距离等4个关键因素的影响. 之后借助实验对仿真结果进行了验证. 最后利用耦合器的非线性分析了电动汽车WPT系统周围的磁场分布.1 鐵氧体的磁特性与非线性计算方法1.1 铁氧体的磁特性一个小型的WPT系统耦合器如图2所示，具有高品质因数的盘式线圈由0.1 mm × 200股铜线制作的利兹线绕制而成.表1给出了耦合器的具体参数. 耦合器两侧是型号为PC95的锰锌铁氧体板，该铁氧体由铁、锰、锌的氧化物及其盐类构成，具有高的起始磁导率，其频率特性和温度特性如图3所示.从图3（a）可以看出，在110 kHz以下铁氧体的磁导率几乎不随频率变化，而电动汽车WPT系统最有可能的候选工作频率为85 kHz[13]，因此可以认为电动汽车采用的铁氧体磁导率与频率无关. 对于不同的温度铁氧体表现出不同的饱和程度，温度越高越容易饱和，如图3（b）所示. 铁氧体的B-H曲线均可以分为线性区与非线性区，即在磁场强度小于饱和磁场强度Hb的线性区时，磁导率保持恒定，此时磁感应强度B随着磁场强度的增大而线性增大;当磁场强度超过Hb进入饱和区时，磁导率随着磁场强度的增大而逐渐减小. 图3（c）列出了在室温（25 ℃）下的PC95型铁氧体的线性区和非线性区，以及饱和磁感应强度Bs，下面对室温（25 ℃）下的PC95铁氧体材料做进一步讨论. PC95铁氧体的初始相对磁导率为3 300[14]，在磁场强度为1 194 A/m时，对应的Bs为530 mT，剩磁为85 mT. 忽略其磁滞效应，由图3（c）的B-H曲线可以看出，在线性区磁感应强度随着磁场强度的增加而线性增加;在饱和区，磁感应强度不再随着磁场强度的增加而线性增加. B-H关系可由式（1）表示：B = μ0 μrC H，H≤Hbμ0 μr （H）H，H>Hb （1）式中：μ0为空气中的磁导率;μrC为固定的相对磁导率; μr（H）表示材料的相对磁导率是磁场强度的函数，不再是固定值.磁场强度可以表示为：Hn = Txn In ex + Tyn In ey + Tzn In ez，n = 1，2 （2）式中：n = 1，2分别表示Tx和Rx;参数T除了包含线圈几何特性外，还包含了铁氧体板的几何尺寸，其具体的表达式很难利用解析方法得到;Tx、Ty、Tz分别表示直角坐标3个分量对应的T参数. 由于铁氧体的非线性磁特性，Tx和Rx产生的总磁场不能采用叠加原理求解，因此后面的非线性求解采用数值计算方法.Tx和Rx的自感与互感按定义式计算，即：Ln = = （3）Mn，j = = （4）式中：n（或j）=1，2分别表示Tx和Rx，且n≠j;N为线圈的匝数.由式（1）～式（4）可以看出，由于铁氧体的非线性磁特性，当线圈电流较小时，耦合器的自感与互感是固定值，但当电流大于一定值后，自感与互感不再是线性，其值随着线圈电流的变化而变化，即有：Key words： wireless power transfer;self-inductance and mutual inductance;nonlinearity;multi-parameter analysis;saturation current目前，无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT ）技术由于充电安全、方便，被越来越多地运用到电动汽车充电领域[1-2]. 如韩国高等科学技术学院的科研团队实现了动态实时WPT，该系统运行时，流过发射线圈的电流高达200 A，传输功率可达100 kW，传输效率可达80%[3]. 重庆大学孙跃教授团队与南方电网集团合作搭建了电能传输距离40 cm、横向偏移可达20 cm、最大输出功率30 kW和行进供电效率75%～90%的WPT系统[4]. 中兴新能源与长城汽车合作在2015底研制出了用于电动汽车的无线充电设备，能够提供3.3 ～60 kW的功率[5]. 国家电网也在积极与一些高校以及研究所开展这方面的研究[6]. 电网给电动汽车充电的示意图如图1（a）所示，包括整流滤波电路、高频逆变电路、借助电磁感应和电路谐振的耦合器以及最终以电动汽车电池为负载的整流滤波电路. 电动汽车的耦合器由发射器（Tx）和接收器（Rx）组成，而Tx和Rx则由线圈和铁氧体板构成，线圈之间的距离为d，线圈与相应侧铁氧体板的间距为h，铁氧体板一般采用方形结构，边长为l，厚度为s，耦合器的剖面结构图如图1（b）所示.线圈两侧添加铁氧体板不仅能使系统的耦合作用大大增强，同时也起到了电磁屏蔽的作用[7-8]. 但铁氧体板由于存在非线性，它的引入可能使得原本线性较好的系统耦合器的分析更为复杂. 因此，对系统耦合器的非线性研究显得格外必要. 然而，目前针对WPT系统非线性研究主要集中于发射端的逆变电路以及负载端的整流电路[9-10]，针对WPT系统电感的非线性研究极少. 文献[11]对电感采用分段线性处理后给出了系统的动态特性，但研究中却并未给出电感具体的非线性特性. 文献[12]探究了铁氧体板的厚度对自感的影响，但未考虑铁氧体板与线圈间距等其他多个关键参数的影响，此外，也并未考虑互感的非线性.本文针对带有常用的盘式线圈的耦合器的自感与互感的非线性特性进行了深入研究，采用有限元数值计算方法，考虑了铁氧体板的厚度、铁氧体板与线圈的间距、铁氧体板的尺寸以及传输距离等4个关键因素的影响. 之后借助实验对仿真结果进行了验证. 最后利用耦合器的非线性分析了电动汽车WPT系统周围的磁场分布.1 铁氧体的磁特性与非线性计算方法1.1 铁氧体的磁特性一个小型的WPT系统耦合器如图2所示，具有高品质因数的盘式线圈由0.1 mm × 200股铜线制作的利兹线绕制而成.表1给出了耦合器的具体参数. 耦合器两侧是型号为PC95的锰锌铁氧体板，该铁氧体由铁、锰、锌的氧化物及其盐类构成，具有高的起始磁导率，其频率特性和温度特性如图3所示.从图3（a）可以看出，在110 kHz以下铁氧体的磁导率几乎不随频率变化，而电动汽车WPT系统最有可能的候选工作频率为85 kHz[13]，因此可以认为电动汽车采用的铁氧体磁导率与频率无关. 对于不同的温度铁氧体表现出不同的饱和程度，温度越高越容易饱和，如图3（b）所示. 铁氧体的B-H曲线均可以分为线性区与非线性区，即在磁场强度小于饱和磁场强度Hb的线性区时，磁导率保持恒定，此时磁感应强度B随着磁场强度的增大而线性增大;当磁场强度超过Hb进入饱和区时，磁导率随着磁场强度的增大而逐渐减小. 图3（c）列出了在室温（25 ℃）下的PC95型铁氧体的线性区和非线性区，以及饱和磁感应强度Bs，下面对室温（25 ℃）下的PC95铁氧体材料做进一步讨论. PC95铁氧体的初始相对磁导率为3 300[14]，在磁场强度为1 194 A/m时，对应的Bs为530 mT，剩磁为85 mT. 忽略其磁滞效应，由图3（c）的B-H曲线可以看出，在线性区磁感应强度随着磁场强度的增加而线性增加;在饱和区，磁感应强度不再随着磁场强度的增加而线性增加. B-H关系可由式（1）表示：B = μ0 μrC H，H≤Hbμ0 μr （H）H，H>Hb （1）式中：μ0为空气中的磁导率;μrC为固定的相对磁导率; μr（H）表示材料的相对磁导率是磁场强度的函数，不再是固定值.磁场强度可以表示为：Hn = Txn In ex + Tyn In ey + Tzn In ez，n = 1，2 （2）式中：n = 1，2分别表示Tx和Rx;参数T除了包含线圈几何特性外，还包含了铁氧體板的几何尺寸，其具体的表达式很难利用解析方法得到;Tx、Ty、Tz分别表示直角坐标3个分量对应的T参数. 由于铁氧体的非线性磁特性，Tx和Rx产生的总磁场不能采用叠加原理求解，因此后面的非线性求解采用数值计算方法.Tx和Rx的自感与互感按定义式计算，即：Ln = = （3）Mn，j = = （4）式中：n（或j）=1，2分别表示Tx和Rx，且n≠j;N为线圈的匝数.由式（1）～式（4）可以看出，由于铁氧体的非线性磁特性，当线圈电流较小时，耦合器的自感与互感是固定值，但当电流大于一定值后，自感与互感不再是线性，其值随着线圈电流的变化而变化，即有：Key words： wireless power transfer;self-inductance and mutual inductance;nonlinearity;multi-parameter analysis;saturation current目前，无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT ）技术由于充电安全、方便，被越来越多地运用到电动汽车充电领域[1-2]. 如韩国高等科学技术学院的科研团队实现了动态实时WPT，该系统运行时，流过发射线圈的电流高达200 A，传输功率可达100 kW，传输效率可达80%[3]. 重庆大学孙跃教授团队与南方电网集团合作搭建了电能传输距离40 cm、横向偏移可达20 cm、最大输出功率30 kW和行进供电效率75%～90%的WPT系统[4]. 中兴新能源与长城汽车合作在2015底研制出了用于电动汽车的无线充电设备，能够提供3.3 ～60 kW的功率[5]. 国家电网也在积极与一些高校以及研究所开展这方面的研究[6]. 电网给电动汽车充电的示意图如图1（a）所示，包括整流滤波电路、高频逆变电路、借助电磁感应和电路谐振的耦合器以及最终以电动汽车电池为负载的整流滤波电路. 电动汽车的耦合器由发射器（Tx）和接收器（Rx）组成，而Tx和Rx则由线圈和铁氧体板构成，线圈之间的距离为d，线圈与相应侧铁氧体板的间距为h，铁氧体板一般采用方形结构，边长为l，厚度为s，耦合器的剖面结构图如图1（b）所示.线圈两侧添加铁氧体板不仅能使系统的耦合作用大大增强，同时也起到了电磁屏蔽的作用[7-8]. 但铁氧体板由于存在非线性，它的引入可能使得原本线性较好的系统耦合器的分析更为复杂. 因此，对系统耦合器的非线性研究显得格外必要. 然而，目前针对WPT系统非线性研究主要集中于发射端的逆变电路以及负载端的整流电路[9-10]，针对WPT系统电感的非线性研究极少. 文献[11]对电感采用分段线性处理后给出了系统的动态特性，但研究中却并未给出电感具体的非线性特性. 文献[12]探究了铁氧体板的厚度对自感的影响，但未考虑铁氧体板与线圈间距等其他多个关键参数的影响，此外，也并未考虑互感的非线性.本文针对带有常用的盘式线圈的耦合器的自感与互感的非线性特性进行了深入研究，采用有限元数值计算方法，考虑了铁氧体板的厚度、铁氧体板与线圈的间距、铁氧体板的尺寸以及传输距离等4个关键因素的影响. 之后借助实验对仿真结果进行了验证. 最后利用耦合器的非线性分析了电动汽车WPT系统周围的磁场分布.1 铁氧体的磁特性与非线性计算方法1.1 铁氧体的磁特性一个小型的WPT系统耦合器如图2所示，具有高品质因数的盘式线圈由0.1 mm × 200股铜线制作的利兹线绕制而成.表1给出了耦合器的具体参数. 耦合器两侧是型号为PC95的锰锌铁氧体板，该铁氧体由铁、锰、锌的氧化物及其盐类构成，具有高的起始磁导率，其频率特性和温度特性如图3所示.从图3（a）可以看出，在110 kHz以下铁氧体的磁导率几乎不随频率变化，而电动汽车WPT系统最有可能的候选工作频率为85 kHz[13]，因此可以认为电动汽车采用的铁氧体磁导率与频率无关. 对于不同的温度铁氧体表现出不同的饱和程度，温度越高越容易饱和，如图3（b）所示. 铁氧体的B-H曲线均可以分为线性区与非线性区，即在磁场强度小于饱和磁场强。
无线充电线圈耦合系数
无线充电线圈耦合系数无线充电是一种越来越受欢迎的充电方式，它通过无线电波或磁场传输能量，将充电器与移动设备之间的物理连接消除，提供了更加便捷和灵活的充电体验。
而无线充电线圈耦合系数则是评估无线充电系统效率的一个重要参数。
线圈耦合系数是指充电器和移动设备之间的线圈之间的能量传输效率。
它决定了从充电器到移动设备的能量传输效率有多高，即能有多少能量能够真正被移动设备所接收和利用。
线圈耦合系数越高，能量传输效率越高，无线充电系统的充电速度也会更快。
影响线圈耦合系数的因素有很多，其中最重要的是线圈之间的距离和相对位置。
当充电器和移动设备之间的线圈距离很近且对齐时，线圈耦合系数会更高，能量传输效率也会更高。
而当线圈之间的距离增加或者相对位置偏移时，线圈耦合系数会降低，能量传输效率也会降低。
因此，在设计无线充电系统时，需要合理安排充电器和移动设备之间线圈的位置和距离，以提高线圈耦合系数和充电效率。
线圈的设计和制造也对线圈耦合系数有很大影响。
优化线圈的形状、尺寸和材料，可以提高线圈的耦合效率。
例如，采用高导磁率的材料可以增加线圈之间的磁耦合，提高线圈耦合系数。
而线圈的形状和尺寸则需要根据具体的无线充电系统需求进行优化，以使得线圈能够更好地匹配和耦合。
线圈之间的频率也会对线圈耦合系数产生影响。
在无线充电系统中，通常会采用高频率的交流信号来传输能量。
高频率信号具有较短的波长和较高的能量传输效率，但也容易受到传输距离和障碍物的影响。
因此，设计无线充电系统时需要综合考虑频率和线圈耦合系数，以实现最佳的能量传输效率。
除了线圈耦合系数，无线充电系统的效率还受到其他因素的影响。
例如，充电器和移动设备之间的功率匹配、电路设计和控制算法等都会影响能量传输效率。
因此，在设计无线充电系统时，需要综合考虑各种因素，以提高整体的充电效率和用户体验。
无线充电线圈耦合系数是评估无线充电系统效率的一个重要参数。
通过合理安排线圈之间的距离和位置、优化线圈的设计和制造、选择合适的频率以及综合考虑其他因素，可以提高线圈耦合系数和充电效率，为用户提供更加便捷和高效的无线充电体验。
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电动汽车无线充电系统耦合分析
发表时间：2017-09-06T12:08:25.213Z 来源：《电力设备管理》2017年第7期作者：刘幸幸1 季勤2 王鑫鑫2
[导读] 本文以ICPT技术为基础利用ANSYS、MATLAB研究电动汽车无线充电系统中各参数对互感的影响，为电动汽车无线充电系统的设计提供参考。
1东北石油大学电气信息工程学院黑龙江大庆 163318
2中国石油大庆油田有限责任公司第八采油厂电力维修大队检修队黑龙江大庆 163300）
摘要：为了满足基于磁感应耦合电能传输（ICPT）技术的电动汽车无线充电系统高效率、低损耗的设计要求，仿真分析了松耦合变压
器中磁芯属性、磁芯厚度、线圈匝数、线圈外径与互感的关系。
在不降低系统互感的前提下，提出了节省磁芯体积、减少线圈损耗的方法。
利用ANSYS、MATLAB进行仿真分析，结果表明磁芯属性对系统互感的影响有上限，线圈属性对系统互感的影响无上限。
关键词：电动汽车；无线充电；磁感应耦合电能传输；松耦合变压器；互感；
[中图分类号] TM934.43 [文献标志码] A
0引言
电动汽车由于具有节能环保的特点而受到大众青睐，但因续航问题无法大范围推广[1]。
传统插拔式充电受限于安全、便利等因素，无
线充电技术可以很好地解决上述问题[2]。
磁感应耦合电能传输（inductive coupled power transfer，ICPT）技术因其具有高传导率的特点已成为当今电动汽车无线充电领域的主流技术[3]。
互感是系统关键参数，直接反应系统的传输效率且关系到系统器件选择的合理性，因此对互感的研究有利于电动汽车无线充电技术的发展。
本文以ICPT技术为基础利用ANSYS、MATLAB研究电动汽车无线充电系统中各参数对互感的影响，为电动汽车无线充电系统的设计提供参考。
1理论分析
1.1系统简介
基于ICPT技术电动汽车无线充电系统以电磁感应原理为理论基础，运行时将电网中工频电经整流滤波、高频逆变、原边补偿后传输到
松耦合变压器发射端。
松耦合变压器利用交变磁场产生感应电流，经较大气隙将电能耦合到接收端。
接收端将接收到的高频交变电流再经原边补偿、整流滤波、功率调节后为电动汽车车载蓄电池充电。
系统结构框图如图1所示。
采用多层不同材质的磁芯可在不降低互感效果的前提下节约成本。
磁通与是基于磁芯层数、磁芯厚度和磁芯属性的关键参数。
磁芯对系统互感的影响可用互阻抗表示。
图2 松耦合变压器平面结构图
2仿真分析
2.1磁芯相对磁导率及磁芯厚度对互感的影响
设定线圈与线圈的内外径分别为15 、75 ，轴偏移距离0 ，线圈间垂直距离50 ，磁芯距线圈1.5 ，磁芯厚度、相对磁导率为独立变量。
磁芯厚度变化范围为(1-4) ，相对磁导率变化范围为(1-10000)。
在以上条件下，互感与相对磁导率及磁芯厚度的关系如图3所示：图3 互感与相对磁导率及磁芯厚度的关系
仿真结果表明：无磁芯时互感接近5 ；增添相对磁导率较高的磁芯，互感成倍增加；保持磁芯的相对磁导率不变，互感与磁芯厚度成正比。
根据以上分析可知，可通过使用相对磁导率较高的材料来达到节省磁芯体积而不降低传输效率的设计要求。
2.2线圈匝数及线圈外径对互感的影响
设定线圈匝数的变化范围为(2-20)匝，线圈外径分别为50 、75 和100 ，线圈间垂直距离50 ，磁芯厚度4.5 ，相对磁导率10000。
在线圈匝数及线圈外径的影响下，互感变化趋势如图4所示：
图4 互感与线圈匝数及线圈外径的关系
仿真结果表明：互感与线圈匝数及外径成正比关系；由于线圈尺寸通常由实际情况所限制，因此可通过改变线圈匝数来实现特定互感。
根据以上分析可知，可通过提高线圈匝数且保持线圈外径不变，来减少线圈损耗。
3结论
本文对基于ICPT技术电动汽车无线充电系统中的互感、松耦合变压器进行了仿真分析。
研究结果表明：
(1)在系统其他参数保持不变的情况下，磁芯相对磁导率及磁芯厚度对系统互感的影响有上限，当未达到最大系统互感时，在不降低性能的前提下，可通过使用具有较高相对磁导率的磁材料来节省磁芯体积。
(2)在系统其他参数保持不变的情况下，线圈匝数与线圈外径对系统互感的影响无上限。
提高线圈匝数保持线圈外径不变可减少线圈损耗。
由于线圈尺寸通常由实际情况所限制，因此可通过改变线圈匝数来实现特定系统互感。
参考文献
[1]方华亮,彭辉,李大虎,孙建波,候慧.面向电动汽车路面无线充放电的移动微网[J].高电压技术, 2016, 42(7):2119-2126.
[2]宋凯,朱春波,李阳,郭尧,姜金海,张剑韬.用于电动汽车动态供电的初级绕组并联无线电能传输技术[J].中国电机工程学报, 2015, 35(17):4445-4453.
[3]SeungWoo K,Yu Seungmin,Kim S L.The capacity of energy-constrained mobile networks with wireless power transfer[J].IEEE Communications Letters, 2013, 17(3):529-532.。