图1 双边LCC谐振拓扑互感模型电路
Fig.1 Mutual inductance model of wireless charging system
摘要 电动汽车无线充电系统在尺寸大小与位置偏移等因素的影响下，会导致系统传输能力下降。为了在空间约束条件下提升系统的输出功率、传输效率及抗偏移能力，针对位置偏移与底盘高度不同的实际情况，在经典D4线圈的基础上分别设计了收发端非对称D4和收发端非对称D4Q双层线圈磁耦合结构，以提高耦合系数和抗偏移能力。在不同方向的偏移和旋转的情况进行仿真测试，表明收发端非对称D4Q双层线圈在出现横向偏移300 mm、纵向偏移400 mm、传输距离230 mm和旋转偏移45°以内具备无线电能传输能力。通过搭建实验平台对偏移进行测试与验证，结果表明，所提出的收发端非对称D4Q磁耦合结构的最大输出功率相对于收发端对称D4磁耦合结构增加约60.34%，最大传输效率增大11%。
关键词：电动汽车 无线充电 补偿电路拓扑 磁耦合结构 平台搭建
传统电动汽车的有线充电方案在实际应用过程中存在许多问题，如由于充电枪笨重而使得用户操作便捷性降低，充电枪的接触口频繁插拔引起的磨损导致维护成本高，输电线缆限制使用的灵活性，雨雪天气还会存在漏电安全隐患[1]。无线电能传输技术实现了充电设备与汽车之间的电气隔离，提高了用户操作的便捷性，免去了接口磨损问题能够显著降低系统维护成本，摆脱线缆的限制提高了应用的灵活性，而且不易受天气以及周边环境影响提高了系统的安全性[2]。磁耦合结构是电动汽车无线充电系统实现能量无线传输的重要部分，其性能优劣直接影响系统的输出功率和传输效率，同时也会影响系统的重量、占用空间及成本等[3]。
国内外多个高校与科研院所针对磁耦合结构展开了许多研究，从磁耦合结构的参数、结构等方面进行分析设计[4]。美国橡树岭国家实验室团队设计了一套圆形线圈式磁耦合结构[5]，圆形线圈的磁耦合结构设计方法简单，同时能够达到大功率输出的要求。新西兰奥克兰大学研究团队是在圆形线圈式磁耦合结构的基础上提出了双线圈的DD线圈，DD线圈磁耦合结构的抗偏移能力相比于单圆形线圈得到了增强[6]。之后为了提高磁耦合结构在水平方向上的抗偏移能力，该团队提出了双D正交型（DDQ）线圈磁耦合结构[7]，该结构有效提升了抗偏移能 力[8]。为了提升磁耦合结构的多方向抗偏移能力，天津工业大学团队提出了一种阵列式（D4）发射线圈的优化设计方案，实现了随机位置无线获取电能补给[9]。东南大学针对D4磁耦合结构的系统最大效率和最大功率的影响因素展开研究，研究结果表明，通过增加线圈匝数或者采用半径与其他线圈不同的接收线圈规格可以提高无线电能传输系统传输效 率[10]。文献[11]汇总了耦合机构设计存在的关键问题。文献[12]应用提出的谐振条件与目标负载的设计方法实现更高的传输效率。文献[13]成功构建了5 kW动态无线供电系统模拟平台。文献[14]建立电动汽车动态无线充电模型，模拟电动汽车充电负荷和拥塞成本的时空分布。上述研究中均未考虑电动汽车实际空间约束下的线圈尺寸限制问题，然而尺寸大小对磁耦合结构的耦合系数有直接影响，相同的耦合结构其尺寸越小则耦合系数越小，电能传输性能也随之下降。
由于实际应用中存在可利用空间约束导致耦合系数下降的情况，面对经典的D4线圈在一定尺寸的限制下抗偏移能力较弱且耦合系数较低的问题，本文在以收发端对称D4线圈结构的基础上，针对电动汽车的实际位置受到驾驶员主观操作影响以及底盘高度受到车辆载重影响的问题，考虑到地面端可利用空间更大，设计收发端对称D4Q磁耦合结构与收发端非对称D4Q磁耦合结构，进一步提高耦合系数与抗偏移能力。
首先明确磁耦合结构基础模型，以便明确磁耦合结构设计指标要求。磁耦合谐振式系统可以等效为互感电路模型。常见的补偿电路拓扑有低阶和高阶两类补偿电路拓扑。其中，低阶基本补偿电路拓扑：串串（SS）型、串并（SP）型、并串（PS）型、并并（PP）型[15]；高阶补偿电路拓扑：双LCC型[16]、LCC-S[17]型、双LCL型[18]。采用双LCC谐振拓扑结构对系统进行建模分析，互感模型电路如图1所示。
图1 双边LCC谐振拓扑互感模型电路
Fig.1 Mutual inductance model of wireless charging system
图1中，UAB表示输入电压；UOC为磁耦合结构等效到负载端的端口电压；LP、LS分别表示磁耦合结构的发射端线圈与接收端线圈的等效自感；Cf1、C1和Cf2、C2分别表示发射端补偿电容和接收端补偿电容；、LP、Lf1和Lf2、LS分别表示流经发射端回路与接收端回路的补偿电感；RL表示负载电阻。设
（1）
式中，
为输入电流角频率；
为磁耦合结构中收发线圈的互感值；
为接收端线圈负载的电流。基于式（1）即可算得变压器一次侧输入阻抗
、二次侧阻抗ZS和映射阻抗Zr，如式（2）所示。
（2）
互感电路模型中每一个参数都具体对应一个实际的物理量，模型参数的物理意义明确且容易测量。当电动汽车无线电能传输系统的补偿电路拓扑结构确定后，与相应的补偿电路拓扑相结合以便于整个电动汽车无线充电系统的分析。因此本文将基于互感模型理论对电动汽车无线电能传输系统展开分析。互感表达式为
（3）
式中，
为磁耦合结构中收发线圈的耦合系数。
根据无线充电系统互感等效模型可知，磁耦合结构的输出功率可以由式（4）近似计算。
（4）
式中，w0为谐振角频率。
当磁耦合结构自感一定时，耦合系数越大则互感值越大，理论输出功率越大。因此，在仿真设计过程中主要以耦合系数作为参考指标，在有限的空间约束下提升耦合系数。此外，应当考虑实际应用中车辆位置偏移的情况，电动汽车偏移方向与停车位示意图如图2所示。为了提升磁耦合结构的抗偏移能力，磁耦合机构的设计不仅要提高耦合系数，还需要磁场分布更加均匀。本文针对空间约束问题，提出改进的磁耦合结构，提升耦合系数的同时增大抗偏移距离。
图2 电动汽车偏移方向与停车位示意图
Fig.2 Schematic diagram of offset direction of electric vehicle and parking space
为了在有限的空间范围内提升磁耦合结构的抗偏移能力，结合实际应用中地面端可利用空间更大的特点，在D4线圈式磁耦合结构的研究基础上，改进磁耦合结构的设计方案。
为了便于仿真计算不同结构参数的影响，多数研究中认为发射端线圈与接收端线圈大小一致且以车载端来考虑设计。实际为了充分利用地面空间，提高抗偏移能力，本节将发射端线圈尺寸限制为650 mm×500 mm，接收端线圈尺寸限制为400 mm× 380 mm，构造仿真模型如图3所示。图3中，橙色部分为地面端发射线圈，绿色部分为车载端接收线圈。
图3 非对称磁耦合结构线圈绕制仿真结构
Fig.3 Simulation structure diagram of coil winding with asymmetric magnetic coupling structure
线圈绕制方向示意图如图4所示。D4线圈磁耦合结构磁通传递示意图如图5所示。由图4和图5可以看出，D4线圈磁耦合结构的磁场分布更集中于磁耦合结构中间，恰好对于耦合系数影响最大的区域是在磁耦合结构的中心区域。
图4 线圈绕制方向示意图
Fig.4 Winding direction diagram
图5 D4线圈磁耦合结构磁通传递示意图
Fig.5 Magnetic flux transfer diagram of D4 coil magnetic coupling structure
D4线圈的绕制方式使得线圈之间的耦合区域磁场强度分布更加均匀，同时可以提高抗偏移能力，适用于电动汽车无线充电应用场景。
前期采用D4线圈的设计方法，由于采用的绕制方法使得相邻单元线圈之间导线中的电流方向一致，在中间缝隙处的磁场方向如图6所示，该图表明相邻交界处的磁场方向相反相互抵消，磁场减弱，以牺牲磁耦合结构的耦合系数为代价来提升了其抗偏移能力。
图6 相邻单元线圈之间磁场方向示意图
Fig.6 Direction diagram of magnetic field between adjacent unit coils
为了弥补D4线圈的磁耦合结构中间缝隙处磁耦合减弱导致的耦合系数降低的缺点，本节在原有非对称设计的D4线圈磁耦合结构的基础上，分别在磁耦合结构的发射端与接收端分别叠加一个单线圈组合成D4Q复合线圈式磁耦合结构。单线圈的长宽分别与非对称式设计的D4线圈式磁耦合结构发射端与接收端一致，其他结构参数均保持一致，构造非对称式D4Q复合线圈式磁耦合结构线圈绕制仿真模型如图7所示。图中两个橙色结构分别为发射线圈和接收线圈叠加的单线圈Q，两个绿色结构分别为之前的非对称D4线圈式磁耦合结构的地面发射端和车载接收端。
由于非对称的收发端磁耦合结构设计在平面上仍然是轴对称的设计，因此为了降低仿真的时间成
图7 非对称式D4Q复合线圈式磁耦合结构线圈绕制仿真结构
Fig.7 Winding simulation structure of asymmetric D4Q composite coil with magnetic coupling structure
本，在横向偏移与纵向偏移测试仅针对正半轴进行仿真测试，即可反映出负半轴同等偏移距离下的参数变化情况，旋转偏移仅针对顺时针旋转角度进行仿真测试，即可反映出逆时针旋转相同角度下的参数变化情况。对磁耦合结构进行偏移仿真，横向与纵向偏移距离由0～600 mm，步长取10 mm。垂直距离由120～230 mm，步长取10 mm。在平面上的旋转角度由0°～45°，步长取5°。耦合系数与磁耦合结构横向偏移距离、纵向偏移距离、传输垂直距离、旋转角度偏移关系分别如图8～图11所示。
图8 耦合系数与横向偏移距离关系
Fig.8 Relation between coupling coefficient and lateral migration distance
由图11可以发现，收发端非对称D4Q磁耦合结构在垂直距离150 mm且正对时，耦合系数可达0.12，略大于对称矩形线圈的耦合系数，相比于收发端对称D4与收发端非对称D4磁耦合结构大0.06。
图9 耦合系数与纵向偏移距离关系
Fig.9 Relation between coupling coefficient and longitudinal migration distance
图10 耦合系数与传输垂直距离距离关系
Fig.10 Distance relationship between coupling coefficient and transmission vertical
图11 耦合系数与旋转角度偏移关系
Fig.11 Relation between coupling coefficient and rotation angle migration
在出现横向偏移时，收发端非对称D4磁耦合结构的耦合零点的偏移距离为170 mm，比收发端对称D4磁耦合结构远20 mm，收发端非对称D4Q磁耦合结构的耦合零点距离可达到310 mm。在出现纵向偏移时，收发端非对称D4Q磁耦合结构的耦合零点同样是最远的，能够达到400 mm，偏移比其他两种磁耦合结构增加超过了100%。
当垂直距离发生变化时，四种磁耦合结构的变化趋势都是随着距离的增大，先快速下降后趋于稳定。收发端非对称D4Q磁耦合结构的磁耦合系数始终大于另外三种。在出现旋转偏移时，两种D4磁耦合结构的旋转角度达到45°左右时耦合系数均为0，而收发端非对称D4Q磁耦合结构的耦合系数能保持在0.09以上。
相比于非对称D4Q结构，对称矩形线圈的传输效率和耦合系数始终高于另外两种结构，但是矩形线圈的抗偏移效果较差，在横向和纵向偏移实验过程中，衰减较快。偏移仿真验证了所提出的收发端非对称D4Q磁耦合结构的高耦合系数与强抗偏移能力。
针对不同磁耦合结构搭建了实验平台，对不同的偏移情况进行输出功率和传输效率的测试实验，验证仿真测试的可信度。
本文搭建了无线充电实验系统平台，该系统平台在85 kHz工作频率下适配不同功率等级的无线电能传输，同时具备过载、过温、短路、过电流、欠电压、过电压等情况下的保护功能。整个系统主要由总控制箱、发射端控制器、磁耦合结构、接收控制器、电子负载仪以及通信控制模块组成，其中磁耦合结构为了保证电磁安全性增加了铁氧体屏蔽与铝板屏蔽，补偿电路拓扑采用双LCC补偿电路拓扑，系统平台架构如图12所示。
图12 实验平台架构
Fig.12 System platform architecture diagram
在应用场景中，电动汽车位置受到主观操作影响，存在电动汽车位置偏移问题，因此在负载电阻10 W、垂直传输距离150 mm时，针对不同磁耦合结构发生不同偏移的情况进行测试。母线输入电压与电流由上位机读取，输出至负载端的电压电流由电子负载仪读取，经计算可得出功率和传输效率。
首先对横向偏移进行测试，磁耦合结构接收端线圈由正对移动至偏移200 mm，步长取25 mm，系统输出功率和传输效率的变化曲线如图13和图14所示。
图13 输出功率与横向偏移距离关系
Fig.13 Relation between output power and lateral offset distance
图14 传输效率与横向偏移距离关系
Fig.14 Relation between transmission efficiency and lateral migration distance
由图13中可以看出，随着横向偏移不断增大，输出功率都呈现出下降趋势。收发端非对称D4Q磁耦合结构的输出功率从3.72 kW逐渐下降到1.57 kW，而收、发端非对称D4磁耦合结构与收发端对称磁耦合结构的最大输出功率不到3 kW，并且在产生200 mm的横向偏移时，输出功率仅有1.2 kW。四种磁耦合结构的传输效率在125 mm内波动均不大，在横向偏移150 mm处收发端对称D4磁耦合结构的传输效率出现陡降，是由于接近最大偏移距离的缘故。本文所提出的收发端非对称D4Q磁耦合结构的传输效率波动最小，由正对时的90.39%下降到85.2%。
接着对纵向偏移展开测试，磁耦合结构接收端线圈由正对移动至偏移200 mm，步长取25 mm，输出功率和传输效率随纵向偏移距离的变化曲线如图15和图16所示。从图中可以发现，在纵向偏移由0增大到200 mm的过程中，输出功率同样也在持续下降。收发端非对称D4Q磁耦合结构的输出功率从3.72 kW逐渐下降到2.52 kW，在相同纵向偏移距离下其输出功率一直大于另外两种磁耦合结构。收发端对称D4磁耦合结构的传输效率仅能维持在75%以上，收发端非对称D4磁耦合结构的传输效率介于三者之间，而收发端非对称D4Q磁耦合结构的传输效率稳定在90%左右。
图15 输出功率与纵向偏移距离关系
Fig.15 Relation between output power and longitudinal offset distance
图16 传输效率与纵向偏移距离关系
Fig.16 Relation between transmission efficiency and longitudinal migration distance
根据实验测试结果可以验证所提出的收发端非对称D4Q磁耦合结构在输出功率和传输效率的最大值以及波动性方面都优于收发端对称D4磁耦合结构、收发端非对称D4磁耦合结构和收发端对称矩形磁耦合机构。最大输出功率相对于收发端对称D4磁耦合结构增加约60.34%，传输效率增大11%左右。
本文首先针对单线圈式磁耦合结构展开研究，在面对尺寸约束的限制条件的下，以单线圈为子单元设计D4线圈结构。随后，结合实际应用场景充分利用地面端空间，设计收发端非对称的D4线圈结构并进行仿真测试，耦合系数提升20%且横向与纵向的偏移距离分别增加20 mm与30 mm。然后，为了进一步提升耦合系数，采用收发端非对称D4Q双层线圈式磁耦合结构，使得耦合系数提升100%。利用Ansys Maxwell分别对不同的磁耦合结构进行仿真分析与测试，仿真结果表明收发端非对称D4Q磁耦合结构能够在垂直传输距离230 mm内，发生横向偏移距离300 mm以内、纵向偏移距离400 mm以内、旋转角度45°以内的情况下仍能保持无线电能传输能力。最后搭建实验平台验证了所提出的收发端非对称D4Q磁耦合结构的最大输出功率增加60.34%，最大传输效率增加了11%。
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Abstract Electric vehicle wireless charging systems in size and position offset can lead to the degradation of the system transmission capability. The system’s output power, transmission efficiency, and anti-migration ability under space-constraint conditions should be improved while considering the safety of electromagnetic radiation. This paper proposes a double-layer magnetic coupling structure of asymmetric D4 and D4Q coils to improve the coupling coefficient and anti-migration ability.
Firstly, the basic magnetic coupling structure model of electric vehicles is defined, and the mutual inductance model of bilateral LCC resonance topology is established. Regarding the space constraint problem, the asymmetric D4 coil is designed to improve the anti-deviation ability. In order to make up for the decrease in coupling coefficient caused by the weakening of magnetic coupling at the middle gap of the magnetic coupling structure, the asymmetric D4 coil magnetic coupling structure is designed based on the D4 coil. Maxwell equations simulate different coil offsets, and the relationship between coupling coefficient and lateral offset, longitudinal offset distance, transmission vertical distance, and rotation Angle offset is analyzed.
Four different magnetic coupling structures, namely asymmetric D4 magnetic coupling structure at the receiving and sending end, symmetrical D4 coil magnetic coupling structure at the receiving and sending end, asymmetric D4Q magnetic coupling structure at the receiving and sending end, and rectangular symmetric magnetic coupling structure at the receiving and sending end, are simulated and tested in different directions of migration, rotation, and multiple migrations. The test shows that the asymmetric D4Q double-layer coil can transmit radio energy within a 300 mm transverse offset, 400 mm longitudinal offset, 230 mm transmission distance, and 45° rotational offset. According to different magnetic coupling structures, a wireless charging experimental system platform is built. Transverse and longitudinal migration tests are carried out under a load resistance of 10 W and vertical transmission distance of 150 mm. The experimental results verify the superiority of the proposed asymmetric D4Q magnetic coupling structure.
The following conclusions can be drawn from the simulation analysis: (1) The asymmetric D4Q double- layer coil at the receiving and sending end can transmit radio energy within the transverse offset of 300 mm, the longitudinal offset of 400 mm, the transmission distance of 230 mm and the rotational offset of 45°. (2) The asymmetric D4Q magnetic coupling structure at the receiving and sending end is superior to the other three magnetic coupling mechanisms in maximum output power and transmission efficiency. (3) Compared with the symmetric D4 magnetic coupling structure at the receiving and sending end, the maximum output power of the asymmetric D4Q magnetic coupling structure at the receiving and sending end is increased by about 37.7%, and the maximum transmission efficiency is increased by 11%.
keywords：Electric cars, wireless charging, compensation circuit topology, magnetically coupled structure, platform building
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230569
中图分类号：TM131.4+1; U469.72
国家重点研发计划资助项目（2021YFB1600200）。
收稿日期 2023-04-26
改稿日期 2023-05-25
徐先峰 男，1982年生，副教授，博士生导师，研究方向为信号处理、深度学习理论及应用、智能电网技术等。E-mail: xxf_chd@163.com（通信作者）
吴慧玲 女，1999年生，硕士研究生，研究方向为电动汽车无线充电。E-mail: 2692367231@qq.com
（编辑 郭丽军）