新型電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的效率與可靠性研究

【摘" 要】文章主要聚焦新型電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)，評(píng)估其在不同環(huán)境下的效率與可靠性。模擬-10～50℃溫度、30～80%RH濕度，以及12A最大電流、500V最大電壓的過(guò)流過(guò)壓條件，測(cè)量系統(tǒng)傳輸效率與關(guān)鍵元件溫度。結(jié)果顯示，無(wú)線充電系統(tǒng)傳輸效率在各環(huán)境條件下均超98.5%，散熱性能良好。過(guò)流過(guò)壓測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制響應(yīng)迅速，安全性與可靠性得以保障。該新型無(wú)線充電技術(shù)在極端環(huán)境中穩(wěn)定性和適應(yīng)性強(qiáng)，為其在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用筑牢了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線充電；電動(dòng)汽車；傳輸效率；可靠性；環(huán)境適應(yīng)性

中圖分類號(hào)：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）02-0048-04

Research on Efficiency and Reliability of Wireless Charging Technology for New Electric Vehicles

CHENG Yu1，WANG Haibo2，ZHANG Renjun3

（1. Hubei University of Automotive Industry，Shiyan 442002；2. Hubei ZhengAoPKC Automotive Electrical System Co.，Ltd.，Shiyan 442000；3. Shiyan Public Inspection and Testing Center，Shiyan 442000，China）

【Abstract】This study focused on the new wireless charging technology for electric vehicles and evaluated its efficiency and reliability in different environments. Simulate -10～50℃ temperature，30～80%RH humidity，and overvoltage conditions of 12A maximum current and 500V maximum voltage to measure the transmission efficiency of the system and the temperature of key components. The results show that the transmission efficiency of the wireless charging system exceeds 98.5% under all environmental conditions，and the heat dissipation performance is good. During the test of overvoltage and overvoltage，the system protection mechanism responds quickly to ensure safety and reliability. The new wireless charging technology is stable and adaptable in extreme environments，laying a solid foundation for its practical application in the field of electric vehicles.

【Key words】wireless charging；electric vehicles；transmission efficiency；reliability；environmental adaptability

0" 引言

在全球能源危機(jī)與環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻的背景下，電動(dòng)汽車作為清潔能源的替代方案，備受關(guān)注并迅速發(fā)展。然而，傳統(tǒng)的有線充電方式在便捷性與用戶體驗(yàn)上存在顯著不足[1-2]。近年來(lái)，無(wú)線充電技術(shù)憑借其潛在的高效與便捷特性，成為電動(dòng)汽車充電領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。盡管無(wú)線充電技術(shù)前景廣闊，但其在實(shí)際應(yīng)用中的效率與可靠性仍面臨諸多挑戰(zhàn)[3-4]。當(dāng)前，該技術(shù)在電動(dòng)汽車應(yīng)用中，能量傳輸效率在不同條件下波動(dòng)較大，在各類環(huán)境和使用條件下難以穩(wěn)定保持高效能量傳輸。

本研究旨在系統(tǒng)探究新型電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的效率與可靠性問(wèn)題，提出優(yōu)化方案并驗(yàn)證其可行性。通過(guò)理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，全面評(píng)估該技術(shù)在不同條件下的性能，為未來(lái)電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的改進(jìn)與推廣提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1" 新型電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用

1.1" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循T/CPPC 1095—2024《新能源汽車小直流充電連接器技術(shù)規(guī)范》，并基于諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與補(bǔ)償拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行。

試驗(yàn)平臺(tái)搭建于諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)之上，主要由發(fā)射端與接收端構(gòu)成。發(fā)射端包含全橋逆變器電路、高頻諧振線圈、補(bǔ)償電容及整流電路；接收端則由接收線圈、補(bǔ)償電容和整流電路組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

選用S-S（Series-Series）補(bǔ)償拓?fù)?，發(fā)射端和接收端均通過(guò)串聯(lián)補(bǔ)償電容來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的諧振頻率和傳輸效率。補(bǔ)償電容參數(shù)通過(guò)PSIM仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化，以確保系統(tǒng)在工作頻率（85kHz左右）下達(dá)到最佳性能[5-6]。

依據(jù)公式（1）計(jì)算發(fā)射端和接收端的諧振頻率：

式中：[Ls]——發(fā)射端的電感；[Cs]——發(fā)射端的電容；[Lr]——接收端的電感；[Cr]——接收端的電容。

在理想對(duì)準(zhǔn)條件下，逐步增加線圈間距，從5cm到20cm每隔5cm進(jìn)行一次測(cè)量，記錄每次測(cè)量下的傳輸效率和輸出功率。傳輸效率通過(guò)公式（2）計(jì)算：

式中：[Pout]——接收端的輸出功率；[Pin]——發(fā)射端的輸入功率。

在固定距離（如10cm）下，引入不同角度（包括0°、15°和30°）的對(duì)準(zhǔn)誤差。各情況下的傳輸效率與輸出功率數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表1。

在不同環(huán)境溫度（-20℃、25℃、60℃）和濕度條件下測(cè)試系統(tǒng)性能。每種環(huán)境條件下，測(cè)量并記錄傳輸效率和輸出功率。同時(shí)，讓系統(tǒng)在固定條件下連續(xù)運(yùn)行1000h，每100h定期測(cè)量并記錄傳輸效率和輸出功率。

通過(guò)采集的電壓、電流和功率數(shù)據(jù)，計(jì)算不同試驗(yàn)條件下的傳輸效率，繪制效率曲線。運(yùn)用線性回歸和其他統(tǒng)計(jì)方法分析長(zhǎng)期測(cè)試數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)性能的主要影響因素，為進(jìn)一步優(yōu)化提供方向。具體分析結(jié)果將用于評(píng)估新型電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的效率與可靠性，為未來(lái)技術(shù)優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)依據(jù)。

1.2" 新型電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)實(shí)施模型建模

在完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集后，為深入研究新型電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的效率與可靠性，對(duì)其實(shí)施模型建模。

在諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)中，發(fā)射端與接收端通過(guò)電磁耦合實(shí)現(xiàn)能量傳輸。常見(jiàn)的補(bǔ)償拓?fù)浒↙CC-LCL、S-S（Series-Series）、S-P（Series-Parallel）等[7]。

LCC-LCL補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有良好的恒流輸出特性，適合于電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)中應(yīng)用，其補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

LCC-LCL補(bǔ)償電路由發(fā)射端LCC和接收端LCL組成，系統(tǒng)的諧振頻率由發(fā)射端和接收端的補(bǔ)償元件決定，為了確保系統(tǒng)在工作頻率下達(dá)到最佳性能，工作頻率應(yīng)滿足式（3）所示。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果，選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償參數(shù)[Ls]、[Cs]、[Lr]和[Cr]，使系統(tǒng)在工作頻率（85kHz）下諧振。將系統(tǒng)等效為電路模型，如圖3所示。

發(fā)射端和接收端的等效電路參數(shù)如式（4）所示。

系統(tǒng)傳輸效率通過(guò)式（2）計(jì)算。使用PSIM仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)以優(yōu)化系統(tǒng)效率。在仿真過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)頻率和負(fù)載，分析不同工況下系統(tǒng)的傳輸效率和輸出功率[8]。

根據(jù)補(bǔ)償參數(shù)，建立LCC-LCL補(bǔ)償電路的初始模型。設(shè)定工作頻率和負(fù)載的范圍，常見(jiàn)頻率范圍為80～90kHz，負(fù)載范圍為10～100Ω。運(yùn)行仿真，記錄不同頻率和負(fù)載下的傳輸效率和輸出功率。通過(guò)分析仿真結(jié)果，調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)，使系統(tǒng)在85kHz下達(dá)到最大效率和穩(wěn)定輸出。在試驗(yàn)室條件下，對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在整個(gè)建模與驗(yàn)證過(guò)程中，嚴(yán)格遵循T/CPPC 1095—2024《新能源汽車小直流充電連接器技術(shù)規(guī)范》。該規(guī)范主要涵蓋了電氣連接、機(jī)械強(qiáng)度、環(huán)境適應(yīng)性等方面的要求，確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)傳輸效率通過(guò)式（5）實(shí)現(xiàn)。

式中：[Pout]——接收端輸出功率；[Pin]——發(fā)射端輸入功率。

通過(guò)不斷調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)和工作頻率，優(yōu)化上述效率公式中的參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的無(wú)線充電系統(tǒng)。

2" 新型電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的效率與可靠

性研究分析

為了進(jìn)行新型電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的效率與可靠性研究，搭建一個(gè)符合試驗(yàn)要求的試驗(yàn)環(huán)境。試驗(yàn)環(huán)境的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2，其涵蓋了充電效率分析和可靠性分析所需的各項(xiàng)具體參數(shù)。

2.1" 充電效率分析

在充電效率分析環(huán)節(jié)，通過(guò)調(diào)整輸入功率、負(fù)載條件和線圈距離等參數(shù)，記錄不同工況下的系統(tǒng)傳輸效率。具體試驗(yàn)結(jié)果和分析如表3所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在1～10kW的輸入功率范圍內(nèi)，傳輸效率均保持在99%以上，表明系統(tǒng)傳輸效率高且穩(wěn)定。隨著輸入功率的增大，傳輸效率略有下降，但仍處于高效范圍內(nèi)。不同負(fù)載條件（10～100Ω）對(duì)傳輸效率的影響較小，傳輸效率均在99%以上，說(shuō)明負(fù)載變化對(duì)傳輸效率影響不大。負(fù)載較小（10Ω）時(shí)，傳輸效率略高，但總體變化不顯著。線圈間距對(duì)傳輸效率也有一定的影響。隨著線圈間距的增大（10～20cm），傳輸效率略有下降，但仍在高效范圍內(nèi)。線圈間距增加會(huì)導(dǎo)致耦合系數(shù)降低，從而稍微降低傳輸效率，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)良好，可以保持高效。

2.2" 可靠性分析

在可靠性分析部分，模擬不同環(huán)境條件（溫度、濕度、通風(fēng)情況）和元件失效情景，評(píng)估系統(tǒng)的可靠性。主要試驗(yàn)步驟包括溫度變化測(cè)試、濕度變化測(cè)試和過(guò)流過(guò)壓測(cè)試。

如表4所示，溫度變化對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響較小。從-10～50°C，傳輸效率始終保持在98.5%～99.2%之間，說(shuō)明系統(tǒng)在極端溫度下仍能保持高效工作。關(guān)鍵元件溫度隨著環(huán)境溫度的升高而略有上升，但始終在安全范圍內(nèi)（45～53°C），表明系統(tǒng)的散熱性能良好，不會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓鴮?dǎo)致過(guò)熱問(wèn)題。

進(jìn)一步分析表明，溫度對(duì)元件材料的物理性質(zhì)，如電阻和導(dǎo)熱系數(shù)的影響在本系統(tǒng)中被有效控制。通過(guò)采用高品質(zhì)的散熱材料和優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì)，系統(tǒng)能夠在高溫和低溫環(huán)境下均保持高效和穩(wěn)定運(yùn)行。這為實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的環(huán)境溫度變化提供了可靠保障。

如表5所示，濕度變化對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響較為有限。在30%～80%RH的范圍內(nèi)，傳輸效率變化不超過(guò)0.4%，從99.3%降至98.9%。關(guān)鍵元件溫度在濕度較高時(shí)略有升高，但仍保持在安全范圍內(nèi)（50～54°C）。這些結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)濕度變化具有較好的適應(yīng)性，不會(huì)因?yàn)闈穸鹊淖兓@著影響其工作性能。

深入分析發(fā)現(xiàn)，濕度對(duì)電氣設(shè)備的主要影響在于可能引起的電氣絕緣性能下降和腐蝕。然而本研究所采用的無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了防潮和抗腐蝕材料以及高效的密封技術(shù)，使得系統(tǒng)在高濕度環(huán)境下依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行。這不僅在試驗(yàn)室條件下得到了驗(yàn)證，也為實(shí)際應(yīng)用中的惡劣環(huán)境提供了理論依據(jù)。

如表6所示，在模擬的過(guò)流（12A）和過(guò)壓（500V）條件下，系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制能夠迅速響應(yīng)。在過(guò)流情況下，系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制在0.5ms內(nèi)響應(yīng)，傳輸效率保持在98.7%。在過(guò)壓情況下，系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制在0.6ms內(nèi)響應(yīng)，傳輸效率為98.9%。這表明系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制能夠有效應(yīng)對(duì)突發(fā)的過(guò)流和過(guò)壓情況，保障系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制采用了先進(jìn)的電流和電壓檢測(cè)技術(shù)，能夠在極短時(shí)間內(nèi)識(shí)別出異常情況并迅速采取措施。這種高效的響應(yīng)不僅保護(hù)了系統(tǒng)自身，還能防止因電氣異常引起的聯(lián)動(dòng)故障，對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車系統(tǒng)的安全性提供了重要保障。

3" 結(jié)論

隨著電動(dòng)汽車的普及，無(wú)線充電技術(shù)的效率和可靠性成為其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素。本研究通過(guò)模擬不同環(huán)境（溫度、濕度）和極端電氣條件（過(guò)流、過(guò)壓）下的新型電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的性能，評(píng)估新型電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用潛力。該系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下均能高效工作，傳輸效率超98.5%。溫度和濕度變化對(duì)系統(tǒng)效率影響較小，展現(xiàn)出在極端環(huán)境下的適應(yīng)性與穩(wěn)定性，表明其能適應(yīng)多種復(fù)雜實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。在過(guò)流和過(guò)壓條件下，系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制迅速激活，響應(yīng)時(shí)間分別為0.5ms和0.6ms，確保極端電氣條件下的安全性與可靠性，顯著提升實(shí)際應(yīng)用中的安全性能，降低因電氣異常導(dǎo)致的故障風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)散熱性能良好，關(guān)鍵元件溫度始終處于安全范圍，不因環(huán)境變化而過(guò)熱。有效的散熱管理進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。新型無(wú)線充電技術(shù)效率高、可靠性強(qiáng)，在極端環(huán)境下保持穩(wěn)定，為在電動(dòng)汽車中的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這些結(jié)論為未來(lái)無(wú)線充電技術(shù)的優(yōu)化和推廣提供重要參考，也為相關(guān)領(lǐng)域研究指明新方向。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-10-19

作者簡(jiǎn)介：程" 鈺，女，碩士，研究方向?yàn)楣こ坦芾恚?/p>

王海波，男，碩士，主要從事汽車電線束新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作；

張仁君，男，碩士，主要從事工業(yè)產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測(cè)工作。