一种基于均匀磁场的无线电能传输系统参数设计方法

中文题目：一种基于均匀磁场的无线电能传输系统参数设计方法

论文题目：A Parameter Design Method for a Wireless Power Transmission System with a Uniform Magnetic Field

录用期刊：Energies (JCR Q3)

录用时间：2022年11月23日

原文DOI：https://doi.org/10.3390/en15238829

作者列表：

1） 吉莉 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 电子系教师

2） 张弛 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 信息与通信工程专业 硕20

3） 葛富辰 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 信息与通信工程专业 硕21

4） 钱步仁 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 电子系教师

背景与动机:

随着用电场景的多样化和智能仪表的快速发展，传统的有线电能传输方式在某些工作条件下不再适用。无线电能传输(WPT)能够在完全电气隔绝的条件下将电能从发射侧传输至负载侧，更加安全、便捷、稳定，在电动汽车以及便携电子等领域发展迅速。

耦合机构作为WPT的重要组成部分，对WPT系统的传输功率和传输效率具有重要影响。当发送端和接收端之间存在相对偏移时，接收侧的磁通量发生变化，使得传输效率难以保持相对稳定。如何通过优化线圈结构改善空间磁场的均匀特性，从而提升WPT系统的抗偏移性能，一直是该领域的研究热点。

理论基础：

DD线圈由于其轴对称性可以简化为两部分，图1abc分别代表线圈的俯视图、侧视图和正视图。线圈1和线圈2的物理结构相同但是电流流向相反。

（a） （b）

（c）

图1 DD线圈等效图（a）俯视图（b）斜视图（c）正视图

基于毕奥萨伐尔定律以及叠加定理，可以求得接收平面任意场点的轴向磁感应强度B，为检验接收平面磁感应强度的分布均匀情况，设立指标α作为磁场均匀程度的衡量标准。

α = (Bmax−Bmin)/Bmax

与耦合机构相对应的补偿网络采用双边LCC结构，具有较好的传输稳定性以及较高的功率密度。整体等效电路如图2所示，L1和L2分别代表发射线圈及接收线圈。

图2 整体拓扑结构

仿真分析：

本文基于DD线圈进行优化，将设计步骤分解为外层及内层设计。以均匀磁场为设计要求，第一步通过磁场仿真确定最佳线圈尺寸及内径大小，第二步在确定外层设计的基础上优化导线的排列方式，分别得出内外双间距式和组合式两种新型线圈结构，第三步比较原始线圈与两种新型线圈结构的传输性能，得出最优线圈选择并进行验证。线圈结构设计流程如图3所示。

图3 线圈结构设计流程

本文针对线圈中的导线间距p以及导线数量N进行了研究，得出了两者对均匀系数α的联合影响规律，如图4所示，搜寻到了最佳的参数选择区域，最终选择匝数为12，间距为4mm的常规DD线圈作为设计原型。

图4 p和N对均匀系数α的影响规律

两种新型线圈结构均基于该参数选择，最终不同线圈结构如图5所示，内外双间距线圈使线圈外部更紧凑，内部更稀疏，相当于削弱了中心的磁场，同时加强了四周的磁场。po代表外部线圈间距，pi代表内部线圈间距，po和pi之间的差异越大，磁场的变化就越明显；

在组合型线圈设计中，均匀分布的导线分为两组。两组的匝间距都等于p，但两组之间的距离pg远大于组内的匝间距。这种设计相当于在移动中心部分的磁场。pg越大，偏移距离越远，磁场变化越明显。

对应的均匀系数变化趋势如图6所示，仿真得出新型组合型线圈结构拥有更好的磁场均匀特性。

图5 新型线圈结构

图6 不同线圈结构均匀系数比较

实验结果及分析:

基于上述理论分析和仿真，本文构建了一套WPT样机。为了测试组合型DD线圈的抗偏移性能，将其与其他线圈结构进行了性能比较。实验样机设置如图7所示。发射线圈和接收线圈的结构如图8所示。

实验过程中，将发射线圈固定，设置发射线圈与接收线圈之间的距离为100 mm，并通过水平移动接收线圈来模拟偏移现象，记录了不同偏移条件下系统传输效率的变化。图9显示了在不同偏移下，常规和组合型线圈结构的仿真和实验的传输效率的变化。当收发线圈发生偏移时，常规线圈的性能变化大于组合线圈的性能变化。当偏移量足够大时，组合线圈的效率高于常规线圈的效率。当偏移距离在75 mm以内时，组合和常规线圈设计在X方向上效率的整体偏移率分别为3.21%和11.1%。在Y方向，两个线圈的整体传输效率的偏移率分别为3.43%和6.31%。因此，改进的线圈在两个方向上的偏移率都比常规线圈低，且X方向的优化比Y方向的优化更显著。

图7 基于组合型DD线圈结构的WPT实验样机

图8 线圈实物图 (a)组合型DD线圈 (b)常规DD线圈 (c)接收线圈

图9 线圈实物图 (a)组合型DD线圈 (b)常规DD线圈 (c)接收线圈

结论:

本文提出了一种具有抗偏移性能的WPT系统，该系统旨在通过优化线圈参数产生尽可能均匀的磁场。发射线圈采用新型组合型线圈结构，可以在接收平面产生均匀的磁场，使接收线圈在充电平面上发生X和Y方向的偏移时，接收线圈和发射线圈之间的互感保持相对恒定。

我们首先使用电磁仿真软件研究其抗偏移性能，然后进行实验以将我们的设计与其他研究中提出的设计进行比较。当接收线圈在X或Y方向的单边偏移小于75 mm时，所提系统可以将传输效率保持在80%以上，X和Y方向的偏移率分别小于3.21%和3.43%。

本研究通过线圈参数设计，在WPT系统的抗偏移性能与其磁场均匀性系数之间架起桥梁，从而简化了设计过程的步骤。

关于作者

吉莉，女，博士，副教授，硕士研究生导师。博士毕业于中国科学院大学电力电子与电力传动专业。主持国家自然科学基金项目和国家863项目子课题和省部级基金项目，作为科研骨干参与多项国家863项目、国家科技支撑项目、北京市科委科技攻关等课题，负责多项企业横向课题。中国电工技术学会无线电能传输专委会委员，中国电源学会无线电能传输技术及装置专委会委员，中国人工智能学会青工委委员，科技部国家第六次技术预测工作能源领域总体组专家，《IET Renewable Power Generation》、《CSEE JPES》等期刊的Guest Editor。以第一作者/通信作者在《IEEE Transactions on industrial electronics》、《Renewable Energy》、《电力系统自动化》、《计算机集成制造系统》等期刊上发表SCI/EI期刊论文30余篇，第一作者获授权/受理发明专利10余项、软件著作权6项。编写中文著作3部。