文档介绍：电动汽车无线充电装置的设计
摘要
磁耦合谐振式无线能量传输技术能实现中等距离的大功率高效率的能量传输，更加适用于电动汽车的无线充电。线圈作为该技术的核心部件，合理的线圈参数设计能够有效地提高系统的输出功率和传输效率。为此，首先介绍了霍夫电压定律可建立关系式(1)：
IM/
yoM 1 i/i 1
4 1~1/21
Us
0
式中，Zl, Z2分别为发射线圈与接收线圈回路的阻抗，由式(1)可得系统的输出功率p,输入功率PS与传输效率n的计算表达式为式(2):
I EsMRl
■ (ZjZa+^W2)2
〃:乙 (2)
s— ZiZz+arM2

V= Z2(ZlZ2+a)2M2)
当发射线圈和接收线圈同时发生谐振时，系统的功率和效率才最大[6], 此时 Z1=R1, Z2=R2+RLo
EV无线充电原理
基于MCR-WPT的EV无线充电的结构图图如图3所示。该装置由电网、发射装置、接收装置和负载等组成。在实际应用中，常将发射线圈置于地面下，接收装置安装在汽车底盘下面，当电动汽车停在固定区域内便可对其进行无线充电。
基于MCR-WPT的EV无线充电的原理图如图4所示。充电原理是：从电网传输进来的交流电由整流滤波电路滤去干扰信号后变成直流电，再经过振荡器变换成需要的高频交流电，接着经过功率放大器和阻抗匹配网络将能量传递给发射线圈；接收线圈通过耦合谐振作用从发射线圈吸收能量，在接收端产生高频交流电，经过整流滤波电路变换成直流电，而后经过电池充电装置进行电流电压变换进而给车载电池系统充电。由图4可知：EV无线充电技术的核心部件为收发线圈，收发线圈参数设计的合理与否对提高系统的功率和效率具有重要意义。
数字控制'll路
发射装置
整流滤波电路
数了•控制电路
接收装置
车载电池系统丁
合振用
耦谐作
图4 基于M CR-WPT的EV无线充电原理
EV无线充电系统线圈设计
目前，在MCR-WPT系统中，常用的线圈结构类型有：平面螺旋型和圆柱螺旋管型。其中，平面螺旋线圈的耦合系数与品质因数都较高，更加适合无线电能传输[7],而且平面螺旋线圈安置在底盘下面更加方便，所以本次研究中采用平面螺旋线圈。平面螺旋线圈的结构如图5所示。
一 Dg
图5平面螺旋线圈结构
图中Dmax为线圈最大外径，Dmin为线圈最小内径，N为线圈匝数，S 为线圈匝间距，W为导线直径。平面螺旋线圈的性能参数计算公式为式(3) [8]:
L胡抨 In 二、6 _ + )
(3)
"=32。如(计)
V 2a a
0=4
、R
式中，L是平面螺旋线圈的电感，R为线圈的等效电阻，R0为等效欧姆电阻，Ra 为等效辐射电阻，Q为线圈的品质因数。。为导线的电导率，U0为真空中的磁导率，ravg是线圈平均半径，B是线圈的填充率，a是导线线径，3为系统角频率。
同轴放置的两线圈间互感的计算方法为式(4) [8]:
(4)
式中NNgg 分别为发射线圈与接收线圈的匝数和平均半径。
EV充电功率不仅受到电池容量的限制，还受到充电设施功率等级的限制[9]。美国汽车工程协会(Society of Automotive Engineers, SAE)根据 EV 充电系统对充电功率的要求，制定了相应的标准。如SAE J1772-2001将充电设施分为 AC120V/12A、AC240V/32A, DC600V/400A 三个等级[10]。本文针对 AC120V/12A这一功率等级对系统设计。
MCR-WPT系统的工作频率为广50 MHz [11],受到工业科学医学 (Industrial Scientific Medical, ISM)频段的影响,工作频率多为 13. 56 MHz[12]o在f=13. 56 MHz, Us=120 V, D=0. 3 m的条件下，选取铜线作为材料，线圈绕制导线线径根据导线所能承受的最大电流值取4 mm。选取线圈匝数为 1~30,平均半径为0~,，得到线圈参数与系统输出功率、传输效率的关系，分别如图6、图7所示。
图7线圈参数与传输效率关系
由图6可知：在ravg为0~0. 08 m的范围内，输出功率随着线圈匝数的增加先增加后减小；在
ravg为0. 08~0. 4 m的范围内，输出功率随着线圈匝数的增加先减小后增加而后又减小。输出功率随着平均半径的增加表现出先增加后减小的趋势。由图7可知：传输效率随着线圈匝数、平均半径的增加均是先增加后
减小。即在一定范围内存在最佳匝数和平均半径分别使系统输出功率和传输效率达到最大。由于线圈匝数和平均