具有全向抗偏移能力及恒流輸出的電動汽車無線充電系統

摘要：電動汽車無線電能傳輸（electric vehicle wireless power transfer， EV-WPT）技術具有巨大的應用前景。但是車輛停靠過程中，由于各種因素導致耦合機構未對準或者發生角度偏移，從而降低系統的充電功率、效率甚至充電失敗等。為解決上述問題，設計出一種新型的耦合機構，實現耦合機構全向的抗偏移能力；用雜間距的設計方式增強能量線圈之間的互感的同時，減小發射線圈的自感，減少了線圈繞制的用線量。另外利用雙D型線圈與Q型線圈的解耦特性，將接收線圈與接收端補償線圈做磁集成處理，節省了空間以及磁芯的用量；最后，搭建輸出功率達1.4 kW的仿真模型，驗證系統良好的抗偏移能力和恒流輸出效果。

關鍵詞：EV-WPT；全向抗偏移；雙邊LCC諧振網絡

中圖分類號：TM724 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）12-092-08

基金項目：江蘇方天電力技術有限公司科技項目（KJ202119）。Supported by Jiangsu Frontier Electric Power Technology Co.， Ltd. Technology Project （KJ202119）.

Wireless charging system for electric vehicles with omnidirectional anti-offset capability and constant current output

HU Peng， WANG Ning， YANG Qingsheng， NING Yan， CAO Jiajia

（Jiangsu Fangtian Power Technology Co.， Ltd.， Nanjing 211102， P. R. China）

Abstract： Electric vehicle wireless power transfer （EV-WPT） technology holds promising application potential. However， during vehicle parking， misalignment or angular deviation in the coupling mechanism can reduce charging power， efficiency， and may even cause charging failure. To address these issues， this paper presents a novel coupling mechanism with omnidirectional anti-offset capability. Additionally， the design method incorporates stray spacing to increase mutual inductance between energy coils， reduce the self-inductance of the transmitting coil， and minimize the wire required for coil winding. Leveraging the decoupling characteristics of dual D-type and Q-type coils， the receiving coil and the receiving-end compensation coil are magnetically integrated， saving space and reducing the amount of magnetic core material needed. Finally， a simulation model with 1.4 kW output power is developed to verify the system’s robust anti-offset capability and stable constant current output.

Keywords： EV-WPT； omnidirectional anti-offset； double-sided LCC resonant network

隨著時代的發展，汽車已經深入現代生活，且數量逐年增加，這對石油資源的消耗是巨大的，也會引起一系列氣候環境問題，如：全球變暖、空氣霧霾等。因此，國務院發布了《關于進一步釋放消費潛力促進消費持續恢復的意見》[1]，提倡綠色出行，推動公共服務汽車電動化。同時，為了推動電動汽車行業的發展，中國啟動了“863”計劃及節能與電動汽車等重大項目。在“十二五”以及“十三五”期間，中國圍繞電動汽車產業發展以及技術創新這2個方面，堅持三縱三橫的技術體系，讓電動汽車的產業鏈更加完善，促進電動汽車朝產業化方向發展。到2020年底，中國電動汽車的保有量已經達到400×104輛，發展態勢十分迅猛[2]。不過傳統有線充電方式安全性不是很高，而且充電限制也比較大，這對電動汽車的全面發展有限制。

無線電能傳輸（wireless power transfer， WPT）技術因其高可靠性、高安全性、便捷和靈活的特性，可進行廣泛應用的非接觸充電。WPT技術中的能量傳輸需要利用電磁耦合或者電場耦合，其突出特點就是不再需要金屬導線來連接電源與待充電對象，具有靈活方便、電氣隔離、環境適應能力強等突出優點。根據傳輸介質分類，可分為磁耦合、電場耦合、微波傳能、激光傳能等方式。經過大量的理論研究和技術實踐，該技術已成功應用在電動汽車、電子產品、家用電器、生物醫學、礦井及水下等領域。

在電動汽車無線電能傳輸系統中，車輛不能精確停靠在規定充電位置，導致系統傳輸功率不足、效率較低甚至充電失敗，阻礙電動汽車無線充電技術的發展。目前，國內外針對電動汽車無線充電系統的抗偏移問題已經取得一些研究成果。例如，莊廷偉等[3]針對耦合機構偏移后引起系統輸出不穩以及充電效率低的問題，提出基于DDQ/DD耦合機構（原邊DDQ、副邊DD耦合機構）和雙路LCC/S補償拓撲（原邊DD和Q線圈均采用LCC補償，副邊DD線圈采用S補償）的強抗偏移無線充電系統。同時，為減小補償元件應力，提高系統抗偏移性能，還提出基于電壓波動率最小原則的DDQ/DD耦合機構和補償參數聯合優化設計方法。實現系統輸出電壓穩定，提升系統傳輸效率。但該方法在耦合機構的繞制上較為負載，同時系統采用了2種逆變器，拓撲網絡器件較多，增加了系統成本。另外，肖蕙蕙等[4]提出一種基于雙層正交DD（DQDD）線圈的高抗偏移偏轉WPT系統，給出了DQDD線圈空間位置和導磁機構特征參數與耦合系數之間的作用規律，分析水平偏移、垂向偏移和垂向偏轉3種情況下線圈互感的變化規律；同時構建基于雙路逆變器-雙路整流器的LCC-S諧振電路結構，提升了系統多方向的抗偏移能力。但該方法需要2組正交耦合機構，繞制較為復雜，系統需要2組逆變電路及諧振網絡，在輸出功率不足1 kW情況下，需要器件較多，增加了系統成本。閉環控制方面，李小飛等[5]通過在WPT系統后級加入Buck變換器實現恒壓輸出，這種方式會增加系統功率變換級數，導致額外損耗，降低系統效率。文獻[6-7]通過移相控制提高WPT系統的抗偏移性能，但該方法中，副邊反饋信號需實時傳輸至原邊，對無線通信要求高。諧振網絡方面，任潔等[8]將傳統LCL拓撲中用于補償的電感替換為1對耦合線圈，形成一種雙耦合LCL拓撲IPT系統。

從國內外研究現狀來看，大部分學者是通過耦合機構、諧振拓撲以及控制策略幾個方面展開研究，雖然能夠實現一定的抗偏移，但會增加系統成本，控制難度等。因此，提出一種新型耦合機構形成發射線圈一定區域內的均勻磁場，實現系統全向抗偏移。

1 EV-WPT系統輸出特性分析

系統等效模型如圖2 所示，結合耦合機構設計，發射線圈、接收線圈和接收端補償線圈均存在耦合。利用基爾霍夫電壓定律（kirchhoff’s voltage law， KVL），根據整流器的輸入和輸出電壓之間的關系，忽略線圈的寄生阻力，推導出以下方程

2 全向抗偏移耦合機構設計

在磁耦合無線充電系統中，耦合機構是至關重要環節，能產生能量傳輸的耦合磁場，發射線圈通過交變電流產生交變磁場，這些磁場是看不見的，但是規律地穿過發射線圈形成回路，而接收線圈通過這些交變磁場進行耦合產生交變電流，為接收端的控制器及負載供電。隨著無線電能傳輸技術的發展，耦合機構的類型也各種各樣，針對不同應用場景需要設計不同的結構。較為常見的是平面型線圈，如方形線圈、圓形線圈、雙D型線圈等。這些線圈的磁場方向會有所不同，就平面方形線圈與圓形線圈而言，產生的磁場是垂直于平面向上或向下的，與其耦合的線圈也必須是垂直穿過所在平面的線圈，所以一般的平面線圈都是成對出現。考慮該系統用于電動汽車領域，且無線充電系統的耦合機構安裝在車輛底部，對其進行扁平化設計。同時由于車輛停靠過程中會引起各方向偏移，需對耦合機構的任意方向（360°）進行抗偏移設計。

筆者設計出一種新型耦合機構，在傳統平面圓形線圈基礎上，內部增加線圈匝數，外圓與內圓電流方向一致，其模型及磁場分布如圖3所示。

在匝數、尺寸以及線徑相同的情況下，新型耦合機構與傳統耦合機構對比結果如圖4 所示。綜合分析，選擇d1_2=2 cm開展后續研究。除繞制方式不同，其他參數一致的情況下，對比新型線圈與傳統線圈的自感等參數變化結果如圖5所示。

由上圖可以看出，在同等條件下，線圈自感較于傳統形式會減小，但是線圈之間的互感卻明顯增加，同時新型線圈的用線量也會減小很多。在前文的系統分析中，可以看出發射線圈與接收端補償線圈之間的互感不會影響LCC-LCC系統的恒流輸出特性，本文考慮將接收線圈與接收端補償線圈做磁集成處理。利用雙D型線圈與Q型線圈解耦這一特性，設計如圖6 所示的接收端模型。接收端線圈采用平面圓形線圈，而接收端補償線圈采用2個繞制方向相反匝數不等的雙Q型線圈。

綜上所述，本文設計一種變匝間距且集成補償線圈的耦合機構，各項參數如表1所示，其模型如圖7所示。表1中，d為耦合機構線徑，dp_1為發射線外圓直徑，dp_2為發射線內圓直徑，Np_1為發射線圈外圓匝數，Np_2為發射線圈內圓匝數，ds為接收線圈直徑，df2為接收端補償線圈直徑，Ns為接收線圈匝數，Nf2_1為補償線圈外圓匝數，Nf2_2為補償線圈內圓匝數，通過仿真得到結果如圖8。

3 系統仿真

發射端回路由1個逆變器和LCC諧振網絡組成。接收端電路則由接收端諧振網絡和不可控整流電路組成。系統直流輸入通過逆變器輸出高頻交流電并向發射端諧振網絡注入能量，能量大小可通過移相控制環節進行控制，經過耦合機構向接收端傳輸能量，通過整流濾波電路向負載輸出直流電。系統參數值如表2所示。為驗證電動汽車無線充電系統恒壓、恒流切換的可行性，特在MATLAB/Simulink中搭建1套輸出為55V/27 A的電路模型，如圖9所示。

選用諧振頻率f=100 kHz，輸入電壓Udc=400 V，耦合機構和諧振網絡參數與表2保持一致，得到逆變器與系統輸出端電壓，電流波形如圖10所示。

可以清晰看出，逆變器諧振網絡呈弱感性可以實現ZVS。系統輸出電流波形如圖11 所示，輸出電流在負載切換過程中基本恒定，實現了良好的恒流輸出。

4 結 論

本文設計出一種新型的耦合機構，使原邊線圈在一定區域內形成均勻磁場，使耦合機構實現全向的抗偏移，并用雜間距的設計方式增大能量線圈之間互感的同時，減小發射線圈自感和線圈繞制的用線量。同時利用雙D型線圈與Q型線圈的解耦特性，將接收線圈與接收端補償線圈做磁集成處理，節省空間以及磁芯的用量。最后搭建輸出功率達1.4 kW的仿真模型，驗證系統的恒流輸出效果。

參 考 文 獻

[1] 范天騁， 張越， 陸一凡. 無線充電技術在電動汽車上的發展現狀及趨勢[J]. 時代汽車， 2023（1）： 109-111. Fan T C， Zhang Y， Lu Y F. The development status and trend of wireless charging technology in electric vehicles[J]. Auto Time， 2023（1）： 109-111.（in Chinese）

[2] 余金永， 段佳鋼. 電動汽車無線充電技術的研究與應用[J]. 時代汽車， 2022（1）： 125-126. Yu J Y， Duan J G. Research and application of wireless charging technology for electric vehicles[J]. Auto Time， 2022（1）： 125-126.（in Chinese）

[3] 莊廷偉， 姚友素， 袁悅， 等. 基于DDQ/DD耦合機構的強抗偏移電動汽車用無線充電系統[J]. 中國電機工程學報， 2022， 42（15）： 5675-5685. Zhuang T W， Yao Y S， Yuan Y， et al. A DDQ/DD-coupler-based wireless power transfer system for electric vehicles charging featuring high misalignment tolerance[J]. Proceedings of the CSEE， 2022， 42（15）： 5675-5685.（in Chinese）

[4] 肖蕙蕙， 周青山， 熊山香， 等. 基于雙層正交DD線圈抗偏移偏轉的無線電能傳輸系統[J]. 電工技術學報， 2022， 37（16）： 4004-4018. Xiao H H， Zhou Q S， Xiong S X， et al. Wireless power transfer system based on double-layer quadrature double-D coupling structure with anti-misalignment and anti-deflection[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2022， 37（16）： 4004-4018.（in Chinese）

[5] Li X F， Dai X， Li Y L， et al. Coupling coefficient identification for maximum power transfer in WPT system via impedance matching[C]//2016 IEEE PELS Workshop on Emerging Technologies： Wireless Power Transfer. Knoxville， TN， USA： IEEE， 2016： 27-30.

[6] Li H C， Chen S X， Fang J Y， et al. Synchronous rectification-based phase shift keying communication for wireless power transfer systems[C]//2018 IEEE 4th Southern Power Electronics Conference. Singapore： IEEE， 2018： 1-4.

[7] Berger A， Agostinelli M， Vesti S， et al. A wireless charging system applying phase-shift and amplitude control to maximize efficiency and extractable power[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30（11）： 6338-6348.

[8] 任潔， 周坤卓， 李宏超， 等. 基于DDQ線圈的雙耦合LCL拓撲IPT系統及其抗偏移方法研究[J]. 中國電機工程學報， 2019， 39（9）： 2778-2788. Ren J， Zhou K Z， Li H C， et al. Study of dual coupled LCL topology IPT system based on DDQ coils and its anti-misalignment method[J]. Proceedings of the CSEE， 2019， 39（9）： 2778-2788.（in Chinese）

（編輯 侯湘）