基于頻率調節的電動汽車無線充電互操作性提升方法研究

陳志鑫 張 獻 沙 琳 楊慶新 孫 于 劉立東

基于頻率調節的電動汽車無線充電互操作性提升方法研究

陳志鑫1張 獻1沙 琳2楊慶新1孫 于3劉立東4

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學） 天津 300131 2. 天津市電氣裝備智能控制重點實驗室（天津工業大學） 天津 300387 3. 中國電工技術學會 北京 100055 4. 橫店集團東磁股份有限公司 金華 322118）

隨著電動汽車無線充電技術的普及，如何實現不同廠家、不同型號的地面端與車輛端設備之間的互聯互通，已成為制約無線充電技術推廣和規?；年P鍵性問題。該文首先通過定義歸一化角頻率和電路類品質因數、表征系統頻率與系統固有參數特性，提出一種電動汽車無線充電系統模型的簡化方法，并對系統頻率特性進行分析研究；然后提出基于頻率調節提升電動汽車無線充電系統互操作性的方法；最后搭建大功率電動汽車無線充電互操作性實驗平臺，通過仿真與實驗驗證了通過頻率調節提升互操作性的正確性。該文對電動汽車無線充電技術的推廣與產業化發展提供了理論支撐與技術參考。

無線充電 互聯互通 互操作性 頻率調節 歸一化角頻率

0 引言

隨著電動汽車的普及，無線充電（Wireless Power Transfer, WPT）技術帶來的便利性是顯而易見的，其靈活性、可靠性、無接觸式充電等特點使無線充電成為未來電動汽車主流充電方式之一[1-2]。在國內外專家學者以及科研院所、汽車企業對無線充電技術深入研究的過程中，出現了多廠家、多標準、多技術路線的情況，導致不同廠家、相同廠家不同型號的車輛端設備和地面端設備之間難以實現互聯互通[3-6]。設備間互操作性較差使電動汽車的充電效率低、安全性能差等問題也很凸顯，成為制約電動汽車無線充電設施推廣的一個重要因素[7-9]。

電動汽車無線充電互操作性是指：相同或不同型號、版本的無線充電系統地面設備與車輛設備通過信息交互和過程控制，實現電動汽車無線充電互聯互通的能力[10-12]。根據電動汽車無線充電系統的組成結構，其互操作性主要分為以下三個部分：耦合線圈互操作性、補償網絡互操作性和通信互操作性。無線充電互操作性示意圖如圖1所示，圖中L、C（=1, 2, ···,）表示系統不同補償網絡中的電感、電容。

通信互操作性是指通信設備可以保證電動汽車無線充電系統的地面端和車輛端設備之間具備無線信息交互能力，通過信令實現無線充電過程的控制以及相關必要信息的交互，以確保電動汽車無線充電系統的安全、可靠運行。對于通信控制方式而言，當前國內主要采用雙邊控制策略，國外主要采用單邊控制方式，其特點見表1。但通信互操作性屬于通信領域而非電氣領域，因此本文不對通信互操作性進行研究。

表1 單邊、雙邊控制方式比較

Tab.1 Comparison of unilateral and bilateral control methods

圖1 電動汽車無線充電互操作性示意圖

耦合線圈互操作性是指在規定的偏移范圍內，地面端線圈可以產生足夠磁通，同時車輛端線圈可以捕獲到足夠磁通[13-16]。常見的用于電動汽車無線充電的三種線圈結構及特點見表2和圖2[17-20]。

表2 三種常見耦合線圈結構

Tab.2 Three common coupling coil structures

圖2 三種主流線圈類型

補償網絡互操作性是指地面端與車輛端設備匹配工作時，一方面是要保證系統產生的無功分量盡可能小，以滿足效率要求；另一方面需要保證輸出功率能達到電動汽車的用電需求。根據補償網絡中電容、電感的數量以及連接方式的不同，分為串聯補償和并聯補償兩種基本補償網絡，以及如LLC、LCC、LCL等高階復合補償網絡[21-25]。其中GB/T 38775推薦的為LCC-LCC型補償網絡，SAE J2954推薦的為TMN型補償網絡，其拓撲結構分別如圖3a、圖3b所示。圖中，S為系統等效電壓，L為等效負載，1與P為地面端線圈，GA與f1為地面端補償電感，VA與f2為車輛端補償電感，2與b為車輛端線圈，1a、1b、p、f1均為地面端補償電容，2a、2b、s、f2均為車輛端補償電容，其中VA可調節。

圖3 電動汽車無線充電主流補償拓撲

圖3所示的LCC-LCC型補償網絡具有抗偏移能力強、參數設計靈活、大功率下諧振電容電壓較低、地面端電流恒流等特點，對電動汽車無線充電的應用場景具有較高的技術契合度；TMN(tunable matching networks)型補償網絡通過在地面端與車輛端添加可調電抗GA、VA的方式來適應不同補償參數或線圈變化帶來的不利影響，通過對其電路進行化簡分析其本質依然是LCC-LCC型補償結構。因此本文選取LCC-LCC型補償網絡作為系統的補償網絡進行研究。

本文首先針對LCC-LCC型補償網絡參數多、階數高、分析復雜的問題，定義了歸一化角頻率、電路類品質因數、f，得到電動汽車無線充電系統模型的簡化方法；然后提出了通過頻率調節提升系統互操作性的方法；最后通過仿真和實驗驗證了本文互操作性提升方法的正確性，為推進不同廠家、不同型號之間的電動汽車互聯互通，推動電動汽車無線充電規?；?、產業化進程提供理論支撐。

1 LCC-LCC參數特性建模

在實際應用場景中，電動汽車無線充電系統的地面端與車輛端可能會存在以下問題：①地面端與車輛端生產廠家、技術路線不同，導致其相互之間補償參數存在較大差異；②現有生產條件存在一定的局限性，導致生產的產品參數與預設值之間存在差距；③停車充電時車輛端與地面端發生偏移，導致線圈自感發生變化，偏離線圈預設值。

上述問題均會導致系統無功分量增加，無功分量成為影響系統互操作性的主要因素。考慮到線圈內阻對系統的有功損耗很小，因此當不同參數的系統進行橫向對比時，為簡化計算而忽略線圈內阻損耗；同時對于前、后級的控制電路采用基波分析法進行處理，忽略其高次諧波的影響。得到簡化后的LCC-LCC型補償網絡，如圖4所示。

圖4 LCC-LCC型補償網絡簡化模型

根據圖4列寫系統全局KVL方程為

諧振條件為

式中，0為系統固有諧振角頻率，0=2π0；0為系統固有諧振頻率；1、2分別為地面端與車輛端主線圈的電感值，1、2、f1、f2、f1、f2分別為車輛端與地面端的補償網絡中的電感、電容；下標1表示地面端，2表示車輛端。設歸一化角頻率為/0，為簡化公式，設其倒數0/=，的物理意義在于可以表征系統實際工作頻率與系統固有頻率0之間的偏離程度，當0=時，=1；當0＞時，＞1；當0＜時，＜1。

由于本文分析過程忽略線圈內阻，為實現公式的“去量綱化”，對式（1）中等號兩端依次同時除以負載電阻L，定義類品質因數1,2=01,2/L、f1,2=0f1,2/L，其優點在于可以有效對復雜高階的系統進行化簡，減少參數，便于結果分析；同時還可以改善數值運算過程中的穩定性，防止數據的溢出。同時記，其中表示線圈1、2的耦合系數。

根據GB/T 38775標準族和SAE J2954規定，電動汽車無線充電傳輸頻段為79～90kHz，對應的取值范圍為[0.944, 1.076]；同時在電動汽車無線充電的實際工作場景中，耦合系數的取值范圍為[0.1, 0.3]。根據方程中各部分參量間數量級的關系，結合式（3），推出系統中各部分電流的簡化表達式為

但電流的大小只能間接地反映系統能量的流動變化規律，不能直觀準確地反映出系統是否具有互操作性。根據文獻[10-13]可知，系統的輸出功率out和系統效率是直接評價系統是否具有互操作性的重要指標，因此需進一步將out、轉換為關于、f、的表達式，即

2 系統頻率特性變化規律

本文主要研究變化的系統頻率對電動汽車無線充電系統互操作性的影響，因此為簡化分析，假定電網電源經過整流逆變后為高頻交流恒壓源輸入，且電動汽車負載電池相同?；谏鲜鰲l件對系統頻率變化對系統輸出特性的影響進行分析。

2.1 系統頻率對輸出功率的影響

根據式（5）可知，out受歸一化角頻率1/即系統頻率的影響極大，out與的關系如圖5所示。

圖5 A-Pout關系示意圖

同時利用式（5）對求偏導，除去首尾兩端，得到3的值，其簡化后的表達式為

根據式（7）、式（8）可知，LCC-LCC型補償網絡的系統輸出功率的極值點由系統中、f決定。由此可見，對于不同的系統而言，其輸出功率隨系統頻率的變化曲線的增減區間是不同的，但其變化趨勢是相同的。根據上述分析，結合圖4得到系統簡化后的out隨的變化區間見表3。

表3out隨的變化區間

Tab.3 Pout change interval with A

根據前文的分析可知，對于不同系統而言，其out的極值點需要根據具體的、f來確定；當電動汽車無線充電系統確定后，各部分元器件是不變的，因此只能采用調節系統頻率的方法來改變out，使其滿足互操作性要求。

2.2 系統頻率對系統效率的影響

根據式（6）可知歸一化角頻率1/即系統頻率同樣對具有較大影響，根據式（6）繪制與的關系如圖6所示。

圖6 A-η關系示意圖

圖6中同樣選取了多組、f值，其曲線的升降變化規律一致，隨著的變化，出現一個極大值點，一個極小值點。同時在本文的模型條件下，極小值點4=0.775，極大值點5=1，其中4會隨著系統參數變化而發生偏移。隨著的變化的變化趨勢及增減區間見表4。

表4隨的變化區間

Tab.4 η change interval with A

當前國內外標準規定，車輛端與地面端設備正對時，系統效率需滿足≥85%；車輛端與地面端設備偏移時，系統效率需滿足≥80%。當滿足上述條件時，系統滿足互操作性的效率要求。

值得注意的是，本文對電動汽車無線充電系統僅做定性分析，本節中參數分析前提條件是地面端與車輛端參數對稱的情況。當地面端與車輛端參數非對稱時，除5≡1為效率的極大值點不會發生改變，前文所提的具有特殊性質的點1～4均會發生偏移，同時在數值上也會出現小范圍的波動，但整體顯著的增減趨勢不會發生變化。通過上述對系統頻率特性的分析可知，頻率調節可以有效改變系統的out、，進而影響系統互操作性。

2.3 系統頻率對互操作性影響仿真

對于大多數應用場景而言，系統的電容值不會因充電環境改變等問題發生明顯變化，然而系統耦合線圈1、2或補償網絡中補償電感f1、f2的電感值會由于車輛之間的相對偏移、線圈加工工藝以及周圍是否存在鐵磁性金屬異物等問題產生較大浮動，影響系統的互操作性。

因此為模擬不同廠家地面端或車輛端設備中，電感參數存在差異導致系統互操作性差的問題，選定GB/T 38775中的推薦值為系統的初始值，同時考慮到不同廠家的設備之間盡管參數存在誤差，但該誤差不會過大，因此選取國標推薦值以及該值中電感參數分別增減3%、5%時的數據作為仿真與實驗參數，見表5。

表5 多組不同系統參數

Tab.5 Multiple groups of different system parameters

為驗證前文理論的可行性，進行仿真。選取電壓源（逆變后）恒壓輸入S=200V，負載電阻L=12.5Ω，線圈內阻1,2=0.1Ω，諧振頻率=85.5kHz，耦合系數=0.185。在改變系統頻率的條件下系統輸出功率與系統效率如圖7、圖8所示。

圖7 不同系統參數下Pout與f的關系示意圖

圖8 不同系統參數下η與f的關系示意圖

根據仿真結果可以看出，在系統頻率變化的條件下，out、均會發生改變。對于不同的應用場景，系統的輸出功率要求不同。當輸出功率達到車輛端的用電需求時，系統滿足互操作性的功率要求，否則就不具有互操作性；同理國內外標準中規定電動汽車無線充電系統需滿足正對時≥85%，偏移時≥80%的條件，當達到效率要求時，系統滿足互操作性的效率要求，否則系統將不具有互操作性。因此對于不同廠家、不同型號的地面端與車輛端而言，在一定范圍內可以通過調節頻率的方法改變out、，進而實現系統互操作性的提升。

2.4 調節系統頻率對提升互操作性方法

圖9 調節頻率提升互操作性流程

3 頻率調節提升系統互操作性實驗驗證

為驗證上述理論分析的正確性，本文采用表5中系統參數進行實驗驗證。搭建3.7kW大功率無線充電互操作性實驗平臺。實驗平臺主要由：穩壓電源、上位機、電子負載、地面端與車輛端逆變模塊、地面端與車輛端補償網絡、地面端與車輛端耦合線圈等組成，實驗平臺如圖10所示。

圖10 3.7kW電動汽車無線充電系統互操作性實驗平臺

本文中實驗數據均由上位機自動采集，但為了清晰地表示系統在頻率調節過程中的波形變化情況及系統諧振狀態，選取地面端逆變輸出的電壓S與電流S波形進行分析，如圖11所示。圖11中的波形為表5中第5組實驗數據對應的波形，此時占空比為0.5。根據電路原理可知，當電路處于完全諧振狀態下，后級電路呈阻性，此時的S與S的相位差為0，系統互操作性最佳；當實驗中S相位超前于S相位時，系統的控制電路處于硬開通狀態，這對于系統而言非常危險，因此實驗前根據仿真與計算得到本組參數最佳諧振頻率為83.28kHz，根據本文中所提出的頻率調節方法，在83.5kHz處進行上電實驗，選取步長為0.5kHz。在83.5kHz處發現S相位略滯后于S相位，為盡可能地體現實驗的完整度，在83kHz處進行了實驗，結果發現在83kHz處S相位略超前于S相位，此時盡管存在硬開關現象，但其電壓與電流仍在器件的應力范圍之內，卻不能長時間在該狀態下運行。由此確定實驗的最佳諧振點位于83～83.5kHz之間，與仿真和計算結果相對應。

同時可以觀察到隨著頻率的變化，S的幅值及相位均發生變化。S幅值出現了明顯的下降；S相位滯后于S相位的相位差越來越大。因此在83～86.5kHz的區間內系統經歷了一個“失諧—諧振—失諧”的動態變化過程，該過程也符合式（6）中在該頻段下對于系統效率的描述。

圖11 地面端逆變輸出部分電壓、電流波形

多組參數下實驗結果如圖12、圖13所示。通過實驗結果可以觀察到：對于輸出功率而言，隨著系統頻率調節，輸出功率在某一頻率范圍內不但可以滿足互操作性的要求（85%、80%分別為耦合線圈正對、偏移時的要求），而且還可以通過小范圍的調節進一步優化系統的互操作性；對于系統效率而言，盡管在小范圍內系統效率均滿足互操作性基本要求，但仍可以通過頻率調節的方式進一步改善系統的互操作性。

圖12 多組參數下Pout與f的實驗數據

圖13 多組參數下η與f的實驗數據圖

圖12、圖13中虛線表示依據理論與仿真分析得到的近似趨勢，實線表示實驗中實際測量值。這是由于系統頻率小于該系統的諧振頻率時，會出現地面端逆變器輸出電流相位超前于電壓相位的情況，即硬開關。這對于大功率實驗而言非常危險，由于超前于電壓的電流反向流經二極管，一旦超出了器件的耐受值，易發生系統損毀甚至是爆炸的危險。在這種情況下的實驗毫無意義，但為完整地表述前文所提趨勢，采用理論與仿真結合的方法對諧振點前的數據進行處理，得到83～90kHz區間內完整的變化曲線。

從實驗結果不難看出，系統的輸出功率與傳輸效率會隨系統頻率變化，即系統的互操作性會根據頻率進行改變。當系統頻率等于諧振頻率時，輸出功率與傳輸效率均達到最大值，系統工作在最佳狀態，其變化趨勢同樣符合式（5）、式（6）的變化趨勢。因此證明了通過頻率調節的方法提升系統互操作性的可行性。但相較于仿真結果，實驗結果數值較低且諧振點均向右側偏移了0.25～0.5kHz，其主要原因有以下四點：

1）實驗器件在配置過程中存在些許不可控誤差，實驗環境中的金屬同樣會對實驗結果造成影響。

2）電路存在損耗，如線圈分布電容、導線內阻、磁屏蔽層等。

3）仿真系統搭建不完善，不能1:1還原實際實驗環境，造成實驗與仿真結果存在一定誤差。

4）控制電路內部會產生部分損耗，同時上位機對系統工況的采集存在延時，造成統計誤差。

4 結論

針對不同廠家、不同型號的電動汽車無線充電設備由于系統參數偏差導致互操作性不高的問題，本文首先針對電動汽車無線充電系統進行有效化簡，定義了歸一化角頻率；之后利用的物理特性，通過改變實現對系統互操性提升，在此基礎上提出了一種通過頻率調節提升系統互操作性的方法。

本文搭建了電動汽車無線充電系統互操作性實驗平臺，通過變頻的方式分析不同參數下，系統輸出功率及傳輸效率與的關系，實驗誤差控制在5%以內，驗證了通過頻率調節提升系統互操作性的正確性，為電動汽車無線充電互聯互通提供理論支撐和技術參考。

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Research on Improving Interoperability of Electric Vehicle Wireless Power Transfer Based on Frequency Adjustment

Chen Zhixin1Zhang Xian1Sha Lin2Yang Qingxin1Sun Yu3Liu Lidong4

（1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin 300131 China 2. Tianjin Key Laboratory of Electrical Equipment Intelligent Control Tiangong University Tianjin 300387 China 3. China Electrotechnical Society Beijing 100055 China 4. Hengdian Group DMEGC Magnetics Co. Ltd Jinhua 322118 China）

In recent years, electric vehicle wireless power transfer technology has been popularized and promoted due to its advantages of high safety, high reliability, high energy efficiency and high adaptability. However, with the development of the technology, it will inevitably lead to the coexistence of multiple manufacturers, models and technical routes. There are obvious differences in power level, transmission distance, coil type, compensation structure, control mode, packaging process, communication and other aspects. Therefore how to realize the interoperability between ground terminal equipments and vehicle terminal equipment which comes from different manufacturers and models has become the key to the development of electric vehicle wireless wireless power transfer technology. This paper proposes a method to improve system interoperability based on frequency regulation. And according to this method the output characteristics of systems without interoperability or with poor interoperability can be improved in a wide range.

Firstly, the fundamental wave analysis method is used to construct the KVL equation for the wireless power transfer system of LCC-LCC type electric vehicle. By defining the normalized angular frequency, the circuit similar quality factorandfto characterize the system frequency and the inherent parameter characteristics and simplify the equation of the system. Then simplify the expressions of the system output power and system efficiency by using the relationship of the order of magnitude under. According to the above study, the change curves of the output power and system efficiency under different system parameters are determined.

The above analysis proves theoretically the influence of system frequency on interoperability. A method to improve the interoperability of the wireless power transfer system based on frequency regulation is proposed.S,S,L,Lis the power supply voltage, power supply current, load voltage and load current respectively. First, determine the optimal resonance point of the system through simulation and record the system frequency at this point as0. The experiment starts from0,at the same time, determine the maximum valuesoutmaxandmaxofoutand, and the maximum allowable error rangesPandηofoutandaccording to the simulation.Then the system frequency was adjusted. During the experiment, theS,S,L,Lin the circuit was measured and calculateoutand.Select the frequency change step as Δ(Δ＞0) .Set the system frequency to0+Δ(=0, 1, 2,…) and it is called forward frequency modulation.Recordoutmax-out=εandmax-=ε, and judge the relationship betweenεandε, εandε.If the value satisfiedε≤εandε≤ε, then the system has met the interoperability requirements. If not, continue to stack the steps. When the frequency changes to the critical point of the specified frequency range, if interoperability has not been achieved, reverse frequency modulation will be carried out like forward adjustment.

The experimental results show that the output power and transmission efficiency of the system will change with the change of system frequency and the interoperability of the system will change according to the frequency too. This provides the feasibility of improving system interoperability through frequency regulation. However, compared with the simulation results, the experimental results are relatively low and the resonance points are shifted to the right by 0.25～0.5 kHz. The main reasons are environmental interference, device loss, statistical error, etc.

Wireless power transfer, interconnection, interoperability, frequency adjustment, normalized angular frequency

國家自然科學基金資助項目（52122701，51977147，51807138）。

2021-10-30

2021-12-24

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211746

TM724

陳志鑫 男，1995年生，博士研究生，研究方向為無線電能傳輸技術，工程電磁場與磁技術等。E-mail：chenzhixintgd@163.com

張 獻 男，1983年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為無線電能傳輸技術，工程電磁場與磁技術等。E-mail：zxshow1983@163.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）