电动汽车无线充电系统耦合分析

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.