第３１卷第２期 邯郸职业技术学院学报 ２０１８年０６月 谐振无线充电系统共振线圈设计与分析 王铁成温云芳赵永磊 （唐山工业职业技术学院，河北唐山０６３２００） 摘要：对谐振式无线充电系统的谐振线圈进行了设计和分析。首先，对谐振式无线充电系统的 基本特性进行了数学模型分析，包括等效电路分析和系统频率特性分析。其次，进行了谐振线圈 的设计，并用电磁仿真软件对设计的谐振线圈的特性阻抗、ｓ参数反射波、Ｓ参数传输波、传输效 率等参数进行了仿真分析，对设计参数的可行性进行了评价。 关键词：无线充电系统；谐振；共振线圈设计 中图分类号：ＴＭ９１０．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—５４６２（２０１８）０２—００６１．０６ 一、刖罱 环境问题是当今世界一个重要话题，为此，人们提出了各种绿色能源技术来应对石油危机，解决大气 污染问题。例如，电动汽车的发展就是解决上述问题的办法之一。但是，为了让电动汽车更加普及，首先 要解决几个重要的问题，比如动力电池的容量、重量和寿命问题、充电时间、里程以及充电设备的便利性 等［】】。上述问题与电动汽车行驶里程、充电时间和充电方便性密切相关。因此，电动汽车无线充电技术是 解决上述问题的一种可行的方法。 与有线式充电相比，发展无线充电具有以下优势 ： （一）安全。非接触式电能传输，能完全屏蔽电能传输装置，使触电和接触电磁波的风险最小化。 （二）不受气候影响。由于没有金属结构暴露，即使在下雨或潮湿的情况下，用户无需下车操作任何 充电设备，只需将车辆停在充电位置，大大减少了触电的风险。 （三）占用空间小。接触充电需要设置固定充电桩，需要占用一定的地面空间；无线充电系统可以将 设备埋在地下，不占用地面空间。 （四）机动性好。无线充电方式不仅适用于静态充电，也适用于车辆行驶过程中的充电，这样，不仅 不受停车充电时间长短的限制，而且可以增加车辆的行驶里程。 基于上述诸多优点，无线充电已成为电动汽车充电方式的又一项选择。目前，已有相当多的国际知名 汽车制造商和系统制造商投资于相关技术研发和专利布局。可见，无线充电在电动汽车中的应用已经成为 一个发展趋势。 目前，无线电能传输技术大致可分为以下四类：谐振式、感应式、微波传输和激光传输ｐ］。目前，无 线感应输电技术的发展比较成熟，在比较短的传输距离条件下，传输效率非常高，但随着传输距离增大， 传输效率急剧下降，并且，线圈对准问题也是该技术的一个主要弊端。微波传输技术目前效率很低，并且 通过辐射的方式传输，对生物来说是相当信险的。目前激光传输技术属于基础技术研究和发展阶段，距实 际应用还有一定的距离。最近，美国ＷｉＴｒｉｃｉｔｙ公司 提出了一种高效的中距离谐振无线电能传输技术，具 收稿日期：２０１８－０５－２８ 基金项目：２０１７河北省唐山市科技研发平台重点培养计划项目：唐山市电动汽车电池与动力系统工程技术研究中心， 主持人：温云芳；２０１７河北省唐山市曹妃甸区科技计划项目：一种非接触电能传输技术及装置的研究（课 题编号：２０１７０７），主持人：温云芳｛２０１８年唐山市科技计划项目：一种梯级利用废旧动力电池管理技术的 研究（项目编号：１７１１０２４０ａ），项目负责人：赵永磊。 作者简介：王铁成，男，河北唐山人，唐山工业职业技术学院教师、工程师。 ·６ｌ· ｖｏ１．３１ ＮＯ．２ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｎｄａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｊｕｎ．２０１８ 有效率高、传输距离长、抗线圈偏移能力强等优点，适用于电动汽车的无线充电应用。 传输效率是无线充电技术发展的核心问题。为此，本文设计并分析了谐振式无线充电系统的谐振线圈， 为提高无线充电系统的传输效率提供了帮助。 二 谐振式无线充电系统 （一）无线电能传输工作原理 通常的无线电能传输系统结构如图１所示，该系统由发送和接收两个子系统构成，系统部件主要包括 ＡＣ／ＤＣ变换器，ＤＣ／ＡＣ变换器，发送／接收线圈、整流器、ＤＣ／ＤＣ变换器、控制器和通信模块。 一般情况下，发射线圈和接收线圈设计成一致的。整个无线电能传输系统的工作过程如下： 首先，通过ＡＣ／ＤＣ变换器将交流电源转换为直流电，然后再通过ＤＣ／ＡＣ转换器转换成满足需要的 电压、电流和频率的交流电。 其中最重要的是ＤＣ／ＡＣ变换器的输出频率，该频率必须与发送／接收线圈的谐振频率相匹配，才能 获得高的传输效率。 当ＤＣ／ＡＣ转换器的输出频率与发射线圈的谐振频率一致时，线圈产生谐振磁场，此时，如果接收线 圈放置于该谐振磁场中，则接收线圈上产生感应电压和电流，这样电能便实现了无线传输。 大多数情况下，无线充电的负载需要的都是直流电，因此接收线圈需要通过整流器将感应产生的交流 电转换为直流电，并且根据需要，将电压通过ＤＣ／ＤＣ变换器进行调整。 此外，整体控制策略的实现，变换器与整流器的协调工作，通信模块之间的通信都由控制器来完成。 图１无线电能传输系统 （二）等效电路分析 无线充电系统的等效电路如图２所示。由ＬＣ谐振产生谐振耦合，电能通过电磁耦合进行传输。因此， 谐振耦合和电磁耦合可以分别用互感和互容代表。 ｚ代表系统的特性阻抗，Ｚｌｏａｄ为负载阻抗。Ｒ表示线圈电阻，Ｌ与Ｃ分别是线圈的自感值与电容值， Ｌｍ Ａ Ｒ Ｒ 图２无线电能传输系统等效电路 ·６２· 第３ｌ卷第２期 邯郸职业技术学院学报 ２０１８年０６月 两线圈的耦合以互感表示。 系统谐振频率可通过图２所示等效电路图计算，在满足谐振情况下， 等效电路电抗为零，则可表示为： 上 ｃｏＬｍ。 ２ （￡一Ｌｍ）一 １ ＝０ （１） 系统谐振频率可由式（１）求得，分别为： 一 一１ ｋ ｖ／—（Ｌ＋Ｌ—ｍ）Ｃ（２） （３） 嚣 赢＝ 其中，∞。为系统的工作频率，也是ＤＣ／ＡＣ变换器的输出频率。耦合系数ｋ可由式（２）与式（３）求得： Ｌ＝ （４） 传输效率可根据等效电路计算得出。电能反射率与电能传输率可分别由式（５）与式（６）表示为： １ｌ＝ １×１００％ ２ ＝ １×１００％ （５） （６） 其中，Ｓｌｌ与￥２１为反射波与传送波。由于线圈阻抗Ｒ相对小，故可忽略不计，因此ｓｚ－可表示为： Ｚ Ｚｏ０９ Ｓ２ｌ＝ 。一… （ 一 １） ＋２ｊＺｏ（ 一 １＋ 其中，ｚ。表示系统的特性阻抗，其值为５０。 （三）频率特性分析 图３为不同传输距离下频率与效率的关系。量测条件如下：线圈直径为３００ｍｍ，工作频率为１６ＭＨｚ， 传输距离的变化范围为１００ｍｍ￣２５０ｍｍ 。 由图３（ａ）可知，系统会有两个最佳传输效率点，该两点对应的频率即为系统的谐振频率，也就是式（２） 与式（３）所表示的频率。 传输距离越短，传输效率越差，其原因是两线圈因传输距离短而达到强耦合于工作频率，这种条件下 １０Ｏ ８Ｏ ６０ ４０ ２０ ０ １ｏｏ ８０ ６０ ４０ ２０ Ｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［ＭＨｚ］ （ａ）ｇａｐ＝１００ｒｎｍ １００ ８Ｏ ６０ １００ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［ＭＨｚ］ （ｂ）ｇａｐ＝１５０ｒａｍ ８Ｏ ６０ ４０ ２Ｏ ０ ４０ ２Ｏ Ｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［ＭＨｚ］ （ｃ）ｇａｐ＝２００ｍｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［ＭＨｚ］ （ｄ）ｇａｐ ２５０ｍｍ 图３不同传输距离下频率与效率关系示意图 ·６３· Ｖｏ１．３ ｌ Ｎｏ＿２ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｎｄａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｊ Ｌ１１１－２０１ ８ 传输效率反而不佳。但是，随着传输距离增加，该两个谐振频率会逐渐靠近，传输效率也逐渐增力【１，直 『ｌｉＪ频率聚合成同一频率值，如 ３（ｃ）所示，此时的距离为线圈耦合的临界值，也是传输效率最佳点。当传 输距离冉增加时，叩： 峰值随距离增加而减少，即传输效率随距离增加而减少，直至两线圈完全解耦。 ４为ｆｌ坷线圈祸合系数与传输距离的关系，当传输距离增加，耦合系数逐渐减小，直至为零，此时两 线圈 完全解耦。 ｇａｐ【ｌ１】ｍＪ 图４耦合系统与传输距离的关系 三、谐振线圈模拟分析 本文所述的谐振线圈设计与其参数值如图５所示，谐振线圈构型为螺旋型，且为开路型式，所 开 路 式ｌｊ１］线 的端点并没有ｌ卡｝ｊ互连接，而是空接，如图５所示。线圈所使用的导线线径为３．２１１１１１１．线 越 人，电阻越小，传输效率越高。线圈半径为１５０ｍｍ，线圈共振频率约为１３．５６ＭＨｚ。本系统１怍频率确定为 １ ３．５６ＭＨｚ，其值与线圈的谐振频率相等。 ｎ 图５谐振线圈 利川电磁模拟软件对图５所示的线圈进行电磁场模拟分析。 主要参数设置如表１所示： 表１线崮：￡要参数设置 项口 参数 线斟形式 线径（Ｒｃ） 半径 谐振频率 传输距离Ｄ ６为线圈频牢与阻抗的关系图，如图所示，当频率为１３．５６ＭＨｚ时，线圈的实部阻抗为４３．４Ｑ，虚 阻抗为一３．９Ｑ，实部阻抗与系统特性阻抗５０Ｑ接近， 虚部阻抗趋近于０，故线圈阻抗４３．４－ｊ３．９Ｑ 系统特 ｌ＃ｌ－ｌ￣ｌｌ抗５０Ｑ非常栩近，可以预测该系统传输效率较高。 ·６４· 第３１卷第２期 ｌ＿ｄ盈。一Ｑｕｑ暑鳖眦Ｉ 邯郸职业技术学院学报 ２０１８年０６月 Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｖｓ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＧＨｚ） 图６共振线圈频率与阻抗关系图 图７、图８为共振线圈的反射波ｓ 与传送波Ｓ ，由图７可知，当传输距离在１５０ｍｍ以下时，由于系统 存在两个共振频率点，因此系统处于强耦合状态。由传送波的最佳点计算系统传输效率，得知线圈间的传 输效率最佳值为９４％，图８所示。 四、结论 本文针对谐振式无线充电系统的谐振线圈进行了设计与分析，通过数学模型分析了谐振无线充电系统 的基本特性，并且分析了系统传输距离与频率特性的关系。研究表明，在强耦合条件下，系统会有两个谐 振频率，随距离增加此两谐振频率会逐渐靠近，最后聚合成单一频率。最后，通过电磁模拟软件对所设计 的谐振线圈进行了模拟分析，检验了所设计谐振线圈的阻抗值、反射波、传输波与传输效率等参数，验证 了设计参数的可行性。 Ｉ ｓＩｌＩｖ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ０ 。 ＼ ／ ，一 ． 一ｌＯ 、 ／ ｜一ｌ ／ —ｌ５ 号－２０ ｌ ／ －２５ ＼／ 、 －３Ｏ ＼／ ”。 －３５ —４０ ｌ２ ｌ２．５ １３ １３．５ ｌ４ ｌ４．５ １５ ｌ５．５ ｌ６ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（Ｍｎｚ） 图７共振线圈反射率 ·６５· Ｖｏｌ－３１ ＮＯ．２ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｎｄａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＭＨｚ） 图８共振线圈传送率 注释 ［１］王铁成，赵永磊．扩展卡尔曼滤波器在电动汽车锂离子电池ＳＯＣ估计中的应用研究…．顺德职业技术学院学报， ２０１７．１５（０２）：１ｌ～ｌ４ ［２］Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｈａｒｇｉｎｇ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅ ｃｌｅｓ（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｉｇｈｔｓ），Ｆｒｏｓｔ＆Ｓｕｌｌｉｖａｎ，Ｊａｎｕａｒｙ ２０１２ ［３］Ｔ．Ｉｍｕｒａ，ｔｔ．Ｏｋａｂｅ ａｎｄ Ｙ．Ｉ Ｉｏｒｉ，“Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｏｐｅｎ ａｎｄ ｓｈｏｒｔ ｅｎｄ ｈｅｌｉｃａｌ ａｎｔｅｎｎａｓ ｗｉｔｈ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｕｓｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ”，３５ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ＩＥＥＥ，Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，Ｎｏｖ．３—５，ＰＰ．３８４８—３８５３，２００９ ［４］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗｉｔｒｉｃｉｔｙ．ｃｏｒｎ／ ［５］Ｔ．１ｍｕｒａ，Ｈ．Ｏｋａｂｅ ａｎｄ，Ｙ．Ｈｏｒｉ，“Ｂａｓｉｃ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｈｅｌｉｃａｌ Ａｎｔｅｎｎａｓ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃｏｕｐｌｉｎｇｓ”，Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＰＰ．９３６－９４０，２００９ ｆ责任编校：张彩红】 （上接第６０页） 版）［Ｍ】．北京：高等教育出版社，２００４ ２０１１，（６） ［１０］王博文．诗意的飞翔［Ｄ】．西安：陕西师范大学，２０１２ ［１１］徐旭．唐诗宋词中的飞鸟意象解读［Ｊ】＇学语文，２０１３， （５） ［４］上疆邮民编．蔡义江解．宋词三百首全解［Ｍ］．上海：复 旦大学出版社，２００７ ［５】杨滨．飞鸟与诗学［Ｄ】．上海：上海师范大学，２００９ ［１２】刘 斌．沦“飞鸟喻”文化意蕴的历史变迁［Ｊ］．廊坊师 范学院学报（社会科学版），２０１ ｌ，（５） ［１３］张伟．浅议中国早期古诗中的“飞鸟”意象［Ｊ］．辽宁广 播电视大学学报，２００２，（４） 【责任编校：孙爱民】 ［６】周珥．唐诗飞岛意象的研究【Ｄ】．广州：暨南大学，２０１５ ［７】邹学慧．宋词鸟意象文化意蕴［Ｊ］．文艺评论，２０１ １，（８） 【８】邹学慧．宋词鸟意象艺术探析…．苏州大学学报（哲学社 会科学版），２０１１，（２） ［９］马兰．古典诗词中鸟意象的文化解读［Ｊ］．文学教育（上）， ·６６·