非接触感应式功率传输系统线圈的优化设计

张浚坤,吴 旋,马学军,2*,胡国珍,2

(1武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070；2湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003)



非接触感应式功率传输系统线圈的优化设计

张浚坤1,吴 旋1,马学军1,2*,胡国珍1,2

(1武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070；2湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003)

目前，常见的轨道式感应耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)系统采用原边具有LCL恒流特性、副边LC并联电容补偿拓扑的结构。针对常见的ICPT系统结构进行建模，通过模型导出线圈设计时的重要参数；采用Maxwell 3D有限元软件对线圈进行仿真并通过实验验证其优化设计方案。实验表明，线圈在1 000 W设计方案下能稳定运行，可较好应用于轨道式ICPT系统。

ICPT；线圈设计；磁耦合；拓扑

0 引言

感应耦合系统充电技术因具有占地少、无需携带大容量电池、全程自动化、无需人工干预、电池组随用随补、无接触火花、适用于潮湿等特殊环境的优点，成为当下研究热点。感应式耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)系统，是以电能谐振变换理论和工程电磁场理论为基础，相应的拓扑分析和线圈优化为系统的核心和关键。

目前，有多条文献分析了ICPT系统拓扑补偿的方式。文献[1]详细地分析了典型的串并联拓扑结构的优缺点，提出了多谐振补偿拓扑的效果明显优于单谐振补偿拓扑的观点。奥克兰大学B.T.Boys教授带领的团队在文献[2]中提出，在轨道式ICPT系统中，耦合系数在衡量耦合线圈性能时不再适用，应使用互感磁通与副边线圈自感磁通的比值衡量线圈的性能。文献[3]较早提出了将LCL拓扑结构应用于ICPT系统中。文献[4]在对圆形线圈进行大量研究和仿真的基础上，给出了各种不同情况下线圈最优化设计的数据，为线圈的最优化设计提供了具体的仿真依据。文献[5]比较了在ANSYS仿真条件下，线圈在气隙、磁芯形状和材料等不同情况下的性能。文献[6-7]在电磁场理论和工程磁路方面对变压器及磁性元件进行了详细的分析。文献[8-9]在线圈优化方面进行了详尽的分析。但结合具体拓扑结构进行线圈参数设计的文献较少。

本文通过分析ICPT系统广泛应用的拓扑结构来优化耦合线圈的设计，利用Maxwell 3D有限元软件对具体参数进行仿真分析，得出优化的线圈仿真方案。

1 拓扑结构原理

大多数ICPT系统采用原边线圈恒流的LCL或类似的结构拓扑。该类拓扑具有良好的滤波特性且轨道交变磁场恒定。

LCL拓扑电路模型如图1所示。在LCL拓扑结构中，电感Lp和电容Cp在系统开关频率处发生谐振。在直流母线电压Edc保持不变的情况下，LCL拓扑具有滤波和保持电流Ip恒定不变的性能[1,4,7]。

选取应用较为广泛的一次侧串联、二次侧并联(PSSP)的谐振补偿网络进行分析。

ICPT系统PSSP补偿拓扑电路模型如图2所示。为简化计算，忽略线阻Rr、Rs以及高频电流产生的肌肤效应和邻近效应，并将副边谐振后级电路统一用Zout等效。原边导轨线阻Rp因导轨长、流过导轨的电流大而不能忽略。

选取逆变桥侧方波基波进行分析，取基波频率为f0。根据拓扑原理及谐振补偿原理，在PSSP谐振补偿情况下，满足公式(1)时有输入阻抗Zin=0，且符合ICPT系统的各种谐振条件。

(1)

根据阻抗分析法及电路参数条件可得出PSSP拓扑的输入阻抗Zin、输出功率Pout和输出效率η。

(2)

考虑线圈阻抗Rs会极大增加公式复杂程度，但由于副边并联谐振品质因数较高，流过线圈的电流大而不能忽略。

现对取电盘线阻损耗进行分析,在拓扑结构确定的情况下，导轨原边电流Ip:

(3)

由式(3)可知，导轨原边电流Ip在输入电压和LCL谐振电感不变的情况下保持不变。

副边线圈的等效电路模型如图3所示。

由于原边自感电抗XLs≫Rs，计算原边线圈电流时可先将Rs忽略。根据电路原理，可得流过Rs的电流Is：

(4)

根据式(2)～(4)及其分析可知，在计算输出电压值Uout时可忽略Rs的影响；公式(5)为效率值η加入线阻Rs的损耗进行修正的表达式。

(5)

由式(5)知，PSSP拓扑效率η值在导轨内阻Rp、线圈内阻Rs、互感系数M越小，角速度ω越大时效率越高。当以上参数确定时，对公式(5)以Ls2/Zout为自变量求导，得到如公式(6)所示的定值点。

公式(5)中其余参数可近似看作定值。

满足公式(6)即可求得效率η的最佳值点。

(6)

2 耦合线圈参数优化设计

2.1 线圈参数分析

针对LCL型ICPT系统的PSSP补偿结构进行线圈设计，主要考虑以下设计指标：

1)输出功率Pout：在工业应用场合，输出功率决定了系统的带载能力。在系统设计时应首先考虑。

2)系统效率η：在ICPT系统设计时，传输效率决定了系统的能耗及发热情况。

3)线圈几何尺寸：在工程具体应用中，线圈的几何尺寸受应用场合的限制较大，同时取电盘在满足要求的情况下应尽量轻量化和小型化。

4)电磁干扰(EMI)和电磁辐射(EMF)：线圈在工作过程中会产生较强的电场和磁场，对设备和人体都会产生很大的危害。设计时应该考虑EMI和EMF的影响。

基于以上设计指标，通常对线圈耦合系数k、线圈原边自感Lp、线圈副边自感Ls、互感系数M、安装几何面积A、导轨内阻Rp、线圈内阻Rs、安装体积V、安装质量m、导磁条安装和磁场分布情况等参数进行分析。

2.2 线圈参数优化分析

(7)

在电力变压器设计中，常采用耦合系数k衡量变压器传输功率的效率。在ICPT系统中，由于线圈的漏感已由电容进行补偿。在理想的补偿状态下，线圈漏感不会对系统整体效率造成影响。鉴于互感系数M、线圈自感Lp和Ls的数值只与线圈设计的几何结构、空间位置、相关参数等有关，其取值与电路参数无关。针对本文列出的常见拓扑结构有:耦合系数k与输入阻抗Zin、输出功率Pout和输出效率η再无直接联系。故在耦合线圈优化设计时，可不考虑耦合系数k的影响。

由拓扑结构结合线圈性能分析可知：在线圈设计时，要保证导轨内阻Rp、线圈内阻Rs尽可能小；互感系数M、角速度ω尽可能大。调节Ls2/Zout的值可使系统获得最佳效率点。此时输出功率Pout由等效输入电压Uin进行调节。

2.3 系统参数优化实例

现对一具体系统进行设计，该系统参数拟定为：Lf 1=Lf 2=42 μH，Cf=1 μF，Lp=5 μH，Cp=8 μF，f=25 kHz，Rp=0.1 Ω，Rs=0.05 Ω，Pout=1 000 W。

由式(6)知最大效率点可由负载Zout进行调节。取互感系数M最大值5.9 μH时有最佳效率，对应的Ls=174 μH。将以上数据代入公式(2)、公式(6)中，可求得：Zout=1 140 Ω，Uin=182 V，Pout=1 009 W，Pin=1 086.5 W，η=86.75%。

3 线圈模型优化仿真

3.1 线圈仿真模型

针对本文的拓扑结构，以平面螺线型圆盘为例进行分析。线圈模型示意图如图4所示，线圈具体参数有：线圈直径D=500 mm，线圈绕线间距r，圆心空心部分直径d，导轨间距L和线圈匝数n。现探究线圈输出功率与最佳效率点的关系。

3.2 线圈仿真

3.2.1 线圈绕线间距r仿真

基于以上模型，保持线圈直径D和线圈匝数n不变，调整线圈绕线的间距r和导轨间距L。仿真选取具有代表性的50组数据绘成如图5所示的散点图。

仿真结果表明，在线圈外径及匝数确定的情况下，互感系数M值越大则要求线圈间距越小越好，且在导轨间距L=320 mm处时存在M值最大为4.69 μH。

3.2.2 线圈匝数仿真

在耦合线圈直径相等的情况下，由线圈间距及导轨间距推论可知：补偿拓扑时线圈间隙最小且匝数最多时可取得最大互感值M。

保持线圈直径D=500 mm和线圈绕线间距r=9 mm不变，线圈匝数在15～27匝之间变化。此时线圈导轨间距L取160～400 mm之间的值。比较互感系数M的值，线圈匝数仿真结果如图6所示。

由图6可知，线圈匝数27匝、导轨间距L=320 mm时存在最大值M=4.8 μH。

由以上分析可知在平面式耦合线圈设计中，线圈匝数增加可增大互感值M。

3.3 导磁条仿真

适当放置导磁条可减少边缘磁通、优化磁路、增大互感系数。考虑到取电盘质量的影响及转弯处对磁路的影响，取电盘模型及磁场分布如图7所示。

由仿真结果可知，在L=300 mm时取电盘互感有最大值M=5.9 μH，此时Ls=174 μH。

4 实验结果验证

实验中使用的实验台架及绕制的取电盘如图8所示。实验台架具体参数：Lf 1=Lf 2=42 μH，Cf=1 μF，Lp=5 μH，Cp=8 μF，Ls=153 μH，Cs=0.26 μF，f=25 kHz，Zout=1 084 Ω，Edc=350 V，Rp=0.083 Ω，Rs=0.042 Ω。

实验中，副边感应电压有效值Uout=1 056 V,母线电压Edc=350V，母线电流平均值Iavr=3.96 A。实际功率Pout=1 013 W，输出效率η=0.73。考虑到线路及开关器件的损耗、线圈制作工艺的水平，实验结果表明该线圈设计优化方式有效，适合于ICPT系统的具体应用。

5 结论

讨论了副边并联拓扑对ICPT系统输出功率及效率的影响，具体分析了其拓扑结构对ICPT系统线圈设计的影响。根据Maxwell有限元分析得出平面螺线型取电盘在并联拓扑下的最优化设计，并通过具体实验验证了副边并联拓扑结构的仿真结果。实验表明，PSSP拓扑结合文中优化设计分析达到了ICPT系统1 000 W功率等级的应用,实际运行情况良好。

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(责任编辑 吴鸿霞)

Optimized Design of Coils for Non-contact & Inductively Coupled Power Transfer

ZhangJunkun1,WuXuan1,MaXuejun1,2*,HuGuozhen1,2

(1School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan Hubei 430070;2School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

At present,the common rail type inductively coupled power transfer system(ICPT)adopts the structure of LCL constant flow characteristic of the original side and the compensation topology of the side LC shunt capacitor.The common ICPT system structure is modeled,and the important parameters of coil design are derived through the model.The Maxwell 3D finite element software is used to simulate the coil,and the optimal design scheme is verified by experiments.The experimental results show that the coil can be stably operated under the 1 000 W design scheme and can be applied to the orbiting ICPT system.

ICPT;coil design;magnetic coupling;topology

2017-04-11

湖北省教育厅科学技术研究重点项目(项目编号：D20144404);湖北省中青年创新团队项目(项目编号：T201223)。

张浚坤，硕士。

*通讯作者：马学军，教授，博士，研究方向：大功率变换器/逆变器拓扑结构及其控制技术、工业过程计算机控制技术等。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.03.003

TM552

A

2095-4565(2017)03-0010-04