磁耦合諧振式電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U469 收稿日期：2025-04-22 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.005

Abstract：Thispaperdeeplydiscusses thebasicprinciples，systemcomponents，keydesignpoints，chalengesandsolutiosof magneticouplingresonantelectricvehiclewirelesschargingtechnologyndprovidesareferenceforfurtherpromotingthedevelopmentofmagneticcouplingresonantelectricvehiclewirelesschargingtechnologythroughtheoreticalanalysisandexperimentalverifica tion.

Keywords：Electric vehicle;Wireless charging;Magnetic coupling resonance

1前言

電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)（EV）的重要發(fā)展方向，其保有量持續(xù)增長(zhǎng)。然而，傳統(tǒng)的有線充電方式存在充電接口易損壞、線路連接不便等問(wèn)題，限制了電動(dòng)汽車(chē)的使用便利性[1]。磁耦合諧振式無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它能夠在無(wú)需物理連接的情況下實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸，為電動(dòng)汽車(chē)的充電提供了一種全新的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前電動(dòng)汽車(chē)的充電方式主要有兩種，即有線充電和無(wú)線充電。傳統(tǒng)的有線充電方式雖然能夠滿足基本的充電需求，但在便捷性、安全性等方面仍有諸多不足[2]。而磁吸無(wú)線充電裝置憑借其無(wú)需線纜連接、自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、高效安全等優(yōu)點(diǎn)，正好能夠彌補(bǔ)這些不足，為充電帶來(lái)全新的體驗(yàn)。

2研究現(xiàn)狀

2.1無(wú)線充電的原理

當(dāng)前磁耦合諧振式電能傳輸技術(shù)，是感應(yīng)耦合式的一個(gè)特殊情況，其初級(jí)線圈和次級(jí)線圈調(diào)整成一致，使發(fā)生的磁耦合能達(dá)到高效的電能傳輸。其中最重要的原理就是電磁轉(zhuǎn)換原理，磁吸充電技術(shù)概括起來(lái)就是將電能轉(zhuǎn)化成磁能，再將磁能轉(zhuǎn)化成電能。磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中，初級(jí)和次級(jí)線圈分別與它們的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)形成諧振回路，發(fā)送端直流電經(jīng)過(guò)DC-AC電路轉(zhuǎn)換為高頻交流，激發(fā)出與固有諧振頻率相同的工作頻率并產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，接收端感應(yīng)到變化的磁場(chǎng)，諧振頻率相同的次級(jí)線圈便產(chǎn)生交流電，經(jīng)AC-DC整流電路為負(fù)載供能。

2.2國(guó)外研究發(fā)展概況

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期深耕大功率領(lǐng)域，歷經(jīng)數(shù)年鉆研與迭代，成功將無(wú)線充電功率提升至令人矚目的 120kW 乃至更高，傳輸效率超 97% ，為快速補(bǔ)能筑牢根基。密歇根大學(xué)聚焦電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)新，提出雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)?，巧妙化解輸出電流與負(fù)載間的復(fù)雜耦合難題，保障充電穩(wěn)定性。高通旗下Halo系統(tǒng)以 3.3～20kW 功率適配多元車(chē)型，整機(jī)效率超 90% 。Witricity公司不甘示弱，Drive11系統(tǒng)功率達(dá) 11kW 效率 93% 。寶馬讓無(wú)線充電汽車(chē)駛?cè)氍F(xiàn)實(shí)，更有MomentumDynamics公司打造 大功率系統(tǒng)、電動(dòng)公交等高耗能場(chǎng)景。

2.3國(guó)內(nèi)研究發(fā)展概況

國(guó)內(nèi)各高校、研究所也相繼開(kāi)展了無(wú)線電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用的研究工作[3-6]，并于2011年10月由中國(guó)科協(xié)資助在天津工業(yè)大學(xué)舉辦了“無(wú)線電能傳輸關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題與應(yīng)用前景\"學(xué)術(shù)沙龍，這是國(guó)內(nèi)在無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域的第一次學(xué)術(shù)會(huì)議，隨后2012年在重慶舉辦了“無(wú)線電能傳輸技術(shù)研討會(huì)”、2014年在南京舉辦了“無(wú)線電能傳輸技術(shù)與應(yīng)用國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議”、2024年在徐州舉辦了“國(guó)際無(wú)線電能傳輸會(huì)議”，展示了國(guó)內(nèi)無(wú)線電能傳輸技術(shù)良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)和前景。

高校中，東南大學(xué)率先發(fā)力，成功驅(qū)動(dòng)國(guó)內(nèi)首輛無(wú)線充電電動(dòng)汽車(chē)上路，還深挖電磁安全隱患防控，護(hù)航技術(shù)落地；重慶大學(xué)潛心磁耦合機(jī)構(gòu)鉆研，借雙層DD線圈突破 10kW 功率關(guān)卡；哈工大巧用超級(jí)電容，革新供電架構(gòu)，賦能 3kW 高效系統(tǒng)。

企業(yè)緊跟科研步伐，中興新能源手握 60kW 高功率成果，中惠創(chuàng)智、有感科技等紛紛推出 1～30kW 多規(guī)格產(chǎn)品，轉(zhuǎn)化效率超 90% 。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定也穩(wěn)步邁進(jìn)，全國(guó)汽車(chē)與電力標(biāo)委會(huì)協(xié)同發(fā)力，《電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)通用要求》等規(guī)范漸次成形。

3現(xiàn)階段研究重點(diǎn)

目前，電動(dòng)汽車(chē)靜態(tài)無(wú)線充電功率處于一個(gè)較為實(shí)用的水平，但大功率靜態(tài)無(wú)線充電目前還存在諸多的技術(shù)壁壘，相比一些有線快充技術(shù)，充電速度仍然較慢。對(duì)于一些大容量電池的電動(dòng)汽車(chē)，使用 11kW 無(wú)線充電可能需要數(shù)小時(shí)才能充滿。無(wú)線充電設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和安裝成本也較高，導(dǎo)致其普及程度受限， 11kW 的無(wú)線充電樁價(jià)格比同功率的有線充電樁貴數(shù)倍，同時(shí)無(wú)線充電過(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射問(wèn)題，也令用戶擔(dān)憂。

市面上大多的大功率無(wú)線充電傳輸技術(shù)都是通過(guò)控制電壓、提高電流的方式進(jìn)行傳輸功率的優(yōu)化，通過(guò)對(duì)元器件的挑選進(jìn)行輸出功率的提升[7]。為充分解決傳輸功率不穩(wěn)、輸出效率不高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了將基于能量和信號(hào)同步傳輸?shù)淖赃m應(yīng)頻率跟蹤控制技術(shù)和基于負(fù)載特性的恒壓輸出控制技術(shù)集成于一體的大功率無(wú)線充電系統(tǒng)，在保障傳輸功率穩(wěn)定的同時(shí)，傳輸效率能夠穩(wěn)定在 93%～94% 之間。

本文提出一種具有故障容錯(cuò)能力的雙耦合LCC-S拓?fù)淠K化無(wú)線充電系統(tǒng)，從S-S和LCC-S輸入串聯(lián)-輸出并聯(lián)混合拓?fù)涞慕嵌龋治龅湫凸收系娜蒎e(cuò)性能并揭示其本質(zhì)原因，在分析系統(tǒng)功效特性基礎(chǔ)上，提出磁耦合器及補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

4雙耦合LCC-S拓?fù)淠K化無(wú)線充電系統(tǒng)

4.1基于負(fù)載特性的恒壓輸出控制技術(shù)

如圖1所示，在無(wú)線充電系統(tǒng)接收端加入恒壓輸出控制器，控制器中電壓及電流檢測(cè)電路負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)負(fù)載端的電壓和電流。通過(guò)負(fù)載端電壓和電流值計(jì)算負(fù)載電阻值，當(dāng)負(fù)載電阻值發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)調(diào)整直流變換電路的占空比來(lái)調(diào)整負(fù)載等效電阻值，保證發(fā)射端自動(dòng)調(diào)諧控制器的正常工作[8]。發(fā)射端將系統(tǒng)工作頻率調(diào)至諧振頻率后，接收端的恒壓控制器根據(jù)系統(tǒng)的輸出電壓值的變化情況，通過(guò)調(diào)整逆變電路開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的移相角控制發(fā)射端逆變器輸出電壓，進(jìn)而控制接收端輸出電壓。

采用LCC-S型諧振拓?fù)洌呇a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用與拾取線圈 （L_s） 串聯(lián)的副邊串聯(lián)補(bǔ)償電容 （C_s） ，LCC-S型諧振拓?fù)涞母边呑杩筞_s 反射阻抗 Z_r 以及輸入阻抗 Z_in 表示為：

LCC-S型諧振拓?fù)涞刃л敵鲭妷罕硎緸椋?/p>

式中， ω 為磁耦合無(wú)線電能傳輸MC-WPT系統(tǒng)的工作頻率； R_p 為發(fā)射線圈內(nèi)阻； R_s 分別為拾取線圈內(nèi)阻； R_e 為整流橋前等效負(fù)載電阻； R_Lf 為原邊補(bǔ)償電感等效串聯(lián)內(nèi)阻； L_f 為原邊補(bǔ)償電感的自感值。

當(dāng)該磁耦合無(wú)線電能傳輸MC-WPT系統(tǒng)處于移相工作模式時(shí)，Boost變換器不工作，移相全橋逆變器工作且 θ 的調(diào)節(jié)范圍為 0^°?θ?180^° ，移相全橋逆變器的輸出電壓有效值 V_inv 為：

當(dāng)該磁耦合無(wú)線電能傳輸MC-WPT系統(tǒng)處于升壓工作模式時(shí)，Boost變換器工作，此時(shí)移相全橋逆變器的移相角 θ=180^° ，移相全橋逆變器的輸出電壓有效值V_inv 為：

若不考慮整流電路的能量損耗，則根據(jù)能量守恒定律可得：

該磁耦合無(wú)線電能傳輸MC-WPT系統(tǒng)處于移相工作模式時(shí)，直流輸出電壓 V_out 的表達(dá)式為：

式中， Z_in 為L(zhǎng)CC-S型諧振拓?fù)浒l(fā)射端的電路阻抗； Z_s 為L(zhǎng)CC-S型諧振拓?fù)涫叭《说碾娐纷杩梗?Z_r 為 Z_s 的反射阻抗。LCC-S型諧振拓?fù)浒l(fā)射端包括LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射線圈 （L_p） ;LCC-S型諧振拓?fù)浣邮斩税ㄊ叭【€圈（L_s） 與副邊串聯(lián)補(bǔ)償電容 （C_s） 。在該磁耦合無(wú)線電能傳輸MC-WPT系統(tǒng)處于升壓工作模式時(shí)，直流輸出電壓V_out 的表達(dá)式為：

4.2基于能量和信號(hào)同步傳輸?shù)淖赃m應(yīng)頻率跟蹤控制設(shè)計(jì)

分析能量傳輸對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，確定這些影響因素與系統(tǒng)參數(shù)（如傳輸距離、負(fù)載變化、發(fā)射功率等）之間的定量關(guān)系。

針對(duì)能量和信號(hào)在不同工作條件下的傳輸特性變化，進(jìn)行參數(shù)敏感度分析，確定對(duì)系統(tǒng)性能影響較大的關(guān)鍵參數(shù)，為后續(xù)的自適應(yīng)控制策略設(shè)計(jì)提供依據(jù)。針對(duì)每個(gè)組件，依據(jù)其物理特性和工作原理建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

以電力系統(tǒng)中的逆變器為例，假設(shè)輸出電為 U_o（t）= ，拾取端電壓為 其中 U_m，U_p 為幅值； ω_oΩ_?ω_p 為角頻率； 為初相位。在存在負(fù)載變化、干擾等情況下，這些參數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化，需建立動(dòng)態(tài)模型來(lái)描述這些變化。

5結(jié)語(yǔ)

磁耦合諧振式電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)在解決電動(dòng)汽車(chē)充電難題方面展現(xiàn)出巨大潛力，雖已取得一定進(jìn)展，但仍有諸多提升空間，未來(lái)的研究方向如下：

a.恒壓輸出控制通過(guò)移相全橋逆變器和Boost變換器實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)拾取端直流輸出電壓 V_out ，并與參考電壓 V_ref 比較，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器在移相或升壓模式下調(diào)整，確保 V_out 恒定。該系統(tǒng)在寬輸入電壓、負(fù)載及互感變化下能快速穩(wěn)定輸出，效率高達(dá) 93% 以上。

b.頻率跟蹤控制系統(tǒng)由接收線圈、控制電路等組成，通過(guò)調(diào)節(jié)接收線圈電感使振蕩回路電流峰值最大化。當(dāng)電流峰值超過(guò)設(shè)定值 I_max2 時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電容器向蓄電池充電；當(dāng)電壓低于 U_min 時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，重新開(kāi)始振蕩，實(shí)現(xiàn)間歇式補(bǔ)能和發(fā)射頻率自動(dòng)跟蹤，糾正諧振點(diǎn)偏移，提高能量傳輸效率。

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