基于磁耦合的电动汽车无线充电效率优化
摘要：随着无线充电技术的发展，电动汽车无线充电成为关注热点，磁耦合谐振式无限电能传输技术在电动汽车充电领域优势明显。本文基于磁耦合谐振式无线电能传输原理，对基本拓扑电路进行优化。本文首先对四种基本补偿电路进行分析，得出SS补偿网络更加适用于电动汽车的无线充电。其次对线圈耦合系数进行优化，通过调整线圈尺寸，即接收线圈的面积大于发射线圈面积，并且采用举行线圈以及纠正相对位置实现以提高充电效率；在电路参数方面，通过对公式的分析，选定参数变量，在合理数值范围内进行仿真，得到电阻与充电效率呈正相关的关系，并且得出了耦合系数和充电效率之间的关系曲线，通过曲线可以得出耦合系数在0.1-0.3充电效率最高。
关键词：无线充电磁耦合谐振电动汽车SS拓扑
随着全球对环境保护和可持续发展的重视，电动汽车作为一种清洁、高效的交通工具受到了广泛关注。电动汽车的使用减少了对化石燃料的依赖，降低了温室气体排放，有助于实现低碳社会的目标。然而，电动汽车的普及也带来了新的挑战，特别是关于充电设施的部署和充电时间的问题。传统的有线充电方式需要占用空间，且在充电过程中存在线缆损坏和电击风险。因此，如何高效，便捷地为电动汽车充电成为研究的重难点。
无线充电技术主要基于电磁感应或磁共振原理，能够在无需物理连接的情况下为电动汽车提供电力。这种技术具有减少电缆损坏风险、提高充电便利性等优点，但也存在效率较低、成本较高等挑战。尽管如此，无线充电技术的研究和开发仍在不断进展，目的是提高其功率传输效率、降低系统成本，并确保与现有电动汽车技术的兼容性。
磁耦合谐振式无线充电技术是一种既高效又可靠的无线充电方式。本文基于电路理论的知识，对线圈耦合系数，相关参数发生变化时的规律进行总结并构建高效率的耦合模型，最后进行仿真得出结论。
2电动汽车磁耦合无线充电技术的工作原理
2.1无线充电概念
无线充电技术，也叫作无线电能传输技术，是不以金属导线或其他物理介质为导体，而是基于空气载体，对电能进行一系列变换最终实现能量传输的技术。无线电能传输技术可分为磁场耦合式、电场耦合式、超声式、微波式和激光式等，其中磁场耦合式还可以分为磁感应式和磁共振式，这些不同的传输方式可实现不同距离和功率等需求的能量传输。无线充电技术可以广泛应用于电子产品、电动汽车、智能家居、工业等领域。不同无线充电方式的应用场合和特点如表1所示。
2.2电动汽车磁耦合无线充电的基本原理
电动汽车无线充电系统因其需满足稳定性和大功率传输等要求，常采用谐振式无线充电技术。磁耦合谐振式无线充电技术基于磁共振原理，将发射线圈安装在地面或者地下，接收线圈安装在汽车底盘。高频电能通过变频装置后传输到发送线圈，通过接收线圈与发送线圈的电磁耦合。接收线圈收到电能，并且将电能输送经整流稳压装置后给电池充电，最终实现磁耦合谐振式无线充电。电动汽车磁耦合无线充电示意图如图1所示。
2.3磁耦合无线充电效率分析
WPT补偿网络在无线充电技术中起到关键作用，它在电路中能够起到减少能量损失和效率下降的问题。基础的补偿结构类型共有四种，分别是SS耦合，SP耦合，PS耦合，PP耦合。图2这四种补偿网络的电路图。
其中V1是输入高频交流电源，C1为原边补偿电容，C2为副边补偿电容，L1为发射线圈，L2为接收线圈，M为两线圈之间的互感系数，R1，R2分别是原边线圈和副边线圈的内阻，RL为负载。
补偿电容的作用是将线圈谐振频率调整到电动汽车无线充电合适的频率。且当补偿电容的阻抗呈纯阻性时，系统能够得到最大电流和传输效率[1]。根据上述电路图，可以推导得出四个电路的补偿电容值如表2所示。
从表2可以看出，SS拓扑结构的原副边补偿电容与谐振频率以及原副边线圈感值有关。SP，PS，PP拓扑结构的补偿电容不仅与线圈感值有关，而且和互感M，负载RL有关。因此对于汽车无线充电，充电的位置具有不确定性，因此为了最大程度减小其对补偿电容的影响，SS拓扑结构最适合用于电动汽车无线充电。
根据以上电路图可以列出如下KVL方程。
根据上式可以推导出一次侧阻抗Z1，二次侧阻抗Z2，以及二次侧阻抗归算到一次侧时的等效阻抗Zr分别如下所示：
一次侧电流i1如下所示：
SS补偿电路在无线充电时的效率表达式为：
其中k为耦合系数，。
通常，电动汽车蓄电池的电阻在几到几十欧姆之间[2]。结合效率公式，我们可以得到无线充电的效率与耦合系数，线圈感值，谐振角频率，一次侧电阻和电池负载均有关系。在确定的无线充电系统下，线圈自感及线圈内阻都是定值，所以谐振角频率也是固定值[3]。
3磁耦合无线充电技术的改进方法和电路设计
3.1耦合系数改善
通过上述分析，可以由公式知，电感充电效率与耦合系数相关。电感的耦合系数与线圈形状，排列，大小有着密切联系。在