电动汽车无线充电系统磁芯结构的设计及优化
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摘 要：针对电动汽车无线充电系统耦合系数小、充电效率偏低的问题，提出一种可提高耦合系数的磁芯设计优化方法。根据相关电路和磁路模型，给出了耦合系数与输出功率和效率的关系，推导了单圆形线圈和DD（doubleD）形线圈的耦合系数的磁路表达式，为磁芯结构设计及优化提供依据。给出了一种磁芯结构的设计优化流程，并根据流程提出了单圆形线圈的车轮形优化磁芯结构和DD线圈的凹形优化磁芯结构。三维有限元仿真和实验结果表明：在同样的线圈面积下，优化的磁芯结构对耦合系数有10%～30%的提升。采用优化磁芯结构的无线充电系统，与原充电系统对比，充电效率明显提升。
关键词：磁芯结构；设计优化；磁耦合机构；耦合系数；电动汽车无线充电
中图分类号：TM 724
文献标志码：A
文章编号：1007-449X（2018）01-0008-08
0 引 言
相比于有线充电桩，电动汽车无线充电技术可节省地面资源，适应恶劣环境并且没有接触火花危险，可用于移动供电并有望弥补电动汽车电池能量密度不高的现状[1-4]，近几年来其研究和应用越来越受到关注。电动汽车充电一般要求充电设备具备大功率和高效率的输出能力，然而输出功率和效率却是制约无线充电技术发展的关键因素。
要提高无线充电设备的效率和输出功率，磁耦合机构的设计十分关键。应用于电动汽车无线充电的耦合线圈一般距离都在150～250 mm之间[5-6]，线圈的漏电感要远远大于两者的互感，导致耦合系数很小。要提高无线充电设备的输出功率和效率，关键在于提高松耦合线圈的耦合系数。
目前，通常采用添加磁芯和改进线圈形状的方式提高两线圈的耦合系数。文献[7]设计了一种DD（doubleD）型线圈，以及后来延伸出来的DDQ线圈[8]，这两种线圈与圆形普通线圈相比，耦合系数较高，偏移容忍度较大；文献[9]在保证耦合系数的基础上，通过有限元分析和实验优化了磁芯的结构，减小了磁耦合机构的重量；文献[10]对DD线圈和单极线圈的磁芯形状和数量进行了优化，旨在寻找最大耦合系数；文献[11]提出了一种DLDD形式的线圈结构，传输距离和充电区域都有所改善。上述文献没有在相关理论的基础上，针对特定的线圈提出最优磁耦合机构的设计流程和方法；而且上述文献采用了大小...
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