无线充电系统耦合器自感与互感的非线性研究.docx

无线充电系统耦合器自感与互感的非线性研究 李万路 汪泉弟 李景红 王赢聪摘 要：當前在电动汽车无线充电系统的耦合器中，铁氧体板被广泛使用. 本文借助数值计算方法深入研究带有铁氧体板的耦合器的自感与互感的非线性，并考虑铁氧体板的厚度、线圈与铁氧体板的间距、铁氧体板的尺寸以及传输距离等4个关键参数对非线性的影响. 研究发现：自感与互感的非线性受铁氧体板厚度的影响最大，受线圈与铁氧体板的间距以及铁氧体板的尺寸的影响较小，而受传输距离的影响很小. 此外，自感与互感非线性对应的饱和电流与铁氧体板的厚度和线圈与铁氧体板的间距正相关，与铁氧体板的尺寸成负相关，而互感的饱和电流随传输距离的增大而小幅增大. 继而给出了对应最小饱和电流的4种参数组合，并得到了最小饱和电流为160 A，即当线圈电流小于160 A时，耦合器的自感与互感为线性，耦合器可看作线性设备. 最后，利用实验验证了仿真结果的正确性，并利用耦合器在电流不大时的线性特性对耦合器周围的磁场进行了分析.关键词：无线充电系统;自感与互感;非线性;多参数分析;饱和电流：TM12 文献标志码：AStudy on Nonlinearity of Self-inductance and MutualInductance for Couplers of Wireless Charging SystemsLI Wanlu1，2?，WANG Quandi1，2，LI Jinghong3，WANG Yingcong4（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security andNew Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China;2. School of Electrical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China;3. State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450000，China;4. State Grid Jinhua Power Supply Company，Jinhua 321000，China）Abstract：Currently， the ferrite plates are widely utilized in couplers of wireless power transfer systems in electric vehicles. In this paper， the nonlinearity of the self-inductance and mutual inductance for the couplers with ferrite plates is intensively studied by numerical calculation method，and four key parameters including the thickness of the ferrite plates，the spacing between the coils and the ferrite plates， the size of ferrite plates and transfer distance are considered. It is found that the nonlinearity of self-inductance and mutual inductance is greatly affected by the thickness of the ferrite plates，followed by the spacing between the coils and the ferrite plates and the size of the ferrite plates，and little affected by the transfer distance. In addition， the saturation current corresponding to the nonlinearity of the self-inductance and mutual inductance is positively correlated with the thickness of the ferrite plates and the spacing between the coils and the ferrite plates，and negatively correlated with the size of the ferrite plates. The saturation current corresponding to the nonlinearity of the mutual inductance increases slightly with the increase of transfer distance. Then， the combination of the four parameters corresponding to the minimum saturation current is provided， and the minimum saturation current is 160 A. That is， when the coil current is less than 160 A，the self- inductance and mutual inductance of the coupler are linear， and the coupler can be treated as a linear device. Finally，the correctness of the simulation is verified by experiment. The linear characteristics of the coupler are used to analyze the magnetic field around the coupler when the current is not large.Key words： wireless power transfer;self-inductance and mutual inductance;nonlinearity;multi-parameter analysis;saturation current目前，无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT ）技术由于充电安全、方便，被越来越多地运用到电动汽车充电领域[1-2]. 如韩国高等科学技术学院的科研团队实现了动态实时WPT，该系统运行时，流过发射线圈的电流高达200 A，传输功率可达100 kW，传输效率可达80%[3]. 重庆大学孙跃教授团队与南方电网集团合作搭建了电能传输距离40 cm、横向偏移可达20 cm、最大输出功率30 kW和行进供电效率75%～90%的WPT系统[4]. 中兴新能源与长城汽车合作在2015底研制出了用于电动汽车的无线充电设备，能够提供3.3 ～60 kW的功率[5]. 国家电网也在积极与一些高校以及研究所开展这方面的研究[6]. 电网给电动汽车充电的示意图如图1（a）所示，包括整流滤波电路、高频逆变电路、借助电磁感应和电路谐振的耦合器以及最终以电动汽车电池为负载的整流滤波电路. 电动汽车的耦合器由发射器（Tx）和接收器（Rx）组成，而Tx和Rx则由线圈和铁氧体板构成，线圈之间的距离为d，线圈与相应侧铁氧体板的间距为h，铁氧体板一般采用方形结构，边长为l，厚度为s，耦合器的剖面结构图如图1（b）所示.线圈两侧添加铁氧体板不仅能使系统的耦合作用大大增强，同时也起到了电磁屏蔽的作用[7-8]. 但铁氧体板由于存在非线性，它的引入可能使得原本线性较好的系统耦合器的分析更为复杂. 因此，对系统耦合器的非线性研究显得格外必要. 然而，目前针对WPT系统非线性研究主要集中于发射端的逆变电路以及负载端的整流电路[9-10]，针对WPT系统电感的非线性研究极少. 文献[11]对电感采用分段线性处理后给出了系统的动态特性，但研究中却并未给出电感具体的非线性特性. 文献[12]探究了铁氧体板的厚度对自感的影响，但未考虑铁氧体板与线圈间距等其他多个关键参数的影响，此外，也并未考虑互感的非线性.本文针对带有常用的盘式线圈的耦合器的自感与互感的非线性特性进行了深入研究，采用有限元数值计算方法，考虑了铁氧体板的厚度、铁氧体板与线圈的间距、铁氧体板的尺寸以及传输距离等4个关键因素的影响. 之后借助实验对仿真结果进行了验证. 最后利用耦合器的非线性分析了电动汽车WPT系统周围的磁场分布.1 铁氧体的磁特性与非线性计算方法1.1 铁氧体的磁特性一个小型的WPT系统耦合器如图2所示，具有高品质因数的盘式线圈由0.1 mm 200股铜线制作的利兹线绕制而成.表1给出了耦合器的具体参数. 耦合器两侧是型号为PC95的锰锌铁氧体板，该铁氧体由铁、锰、锌的氧化物及其盐类构成，具有高的起始磁导率，其频率特性和温度特性如图3所示.从图3（a）可以看出，在110 kHz以下铁氧体的磁导率几乎不随频率变化，而电动汽车WPT系统最有可能的候选工作频率为85 kHz[13]，因此可以认为电动汽车采用的铁氧体磁导率与频率无关. 对于不同的温度铁氧体表现出不同的饱和程度，温度越高越容易饱和，如图3（b）所示. 铁氧体的B-H曲线均可以分为线性区与非线性区，即在磁场强度小于饱和磁场强度Hb的线性区时，磁导率保持恒定，此时磁感应强度B随着磁场强度的增大而线性增大;当磁场强度超过Hb进入饱和区时，磁导率随着磁场强度的增大而逐渐减小. 图3（c）列出了在室温（25 ℃）下的PC95型铁氧体的线性区和非线性区，以及饱和磁感应强度Bs，下面对室温（25 ℃）下的PC95铁氧体材料做进一步讨论. PC95铁氧体的初始相对磁导率为3 300[14]，在磁场强度为1 194 A/m时，对应的Bs为530 mT，剩磁为85 mT. 忽略其磁滞效应，由图3（c）的B-H曲线可以看出，性区磁感应强度随着磁场强度的增加而线性增加;在饱和区，磁感应强度不再随着磁场强度的增加而线性增加. B-H关系可由式（1）表示：B = μ0 μrC H，H≤Hbμ0 μr （H）H，H>Hb （1）式中：μ0为空气中的磁导率;μrC为固定的相对磁导率; μr（H）表示材料的相对磁导率是磁场强度的函数，不再是固定值.磁场强度可以表示为：Hn = Txn In ex + Tyn In ey + Tzn In ez，n = 1，2 （2）式中：n = 1，2分别表示Tx和Rx;参数T除了包含线圈几何特性外，还包含了铁氧体板的几何尺寸，其具体的表达式很难利用解析方法得到;Tx、Ty、Tz分别表示直角坐标3个分量对应的T参数. 由于铁氧体的非线性磁特性，Tx和Rx产生的总磁场不能采用叠加原理求解，因此后面的非线性求解采用数值计算方法.Tx和Rx的自感与互感按定义式计算，即：Ln = = （3）Mn，j = = （4）式中：n（或j）=1，2分别表示Tx和Rx，且n≠j;N为线圈的匝数.由式（1）～式（4）可以看出，由于铁氧体的非线性磁特性，当线圈电流较小时，耦合器的自感。