新型電動汽車無線充電技術的效率與可靠性研究

【摘" 要】文章主要聚焦新型電動汽車無線充電技術，評估其在不同環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最大電壓的過流過壓條件，測量系統傳輸效率與關鍵元件溫度。結果顯示，無線充電系統傳輸效率在各環境條件下均超98.5%，散熱性能良好。過流過壓測試時，系統保護機制響應迅速，安全性與可靠性得以保障。該新型無線充電技術在極端環境中穩定性和適應性強，為其在電動汽車領域的實際應用筑牢了基礎。

【關鍵詞】無線充電；電動汽車；傳輸效率；可靠性；環境適應性

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：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

在全球能源危機與環境污染問題日益嚴峻的背景下，電動汽車作為清潔能源的替代方案，備受關注并迅速發展。然而，傳統的有線充電方式在便捷性與用戶體驗上存在顯著不足[1-2]。近年來，無線充電技術憑借其潛在的高效與便捷特性，成為電動汽車充電領域的重點研究方向。盡管無線充電技術前景廣闊，但其在實際應用中的效率與可靠性仍面臨諸多挑戰[3-4]。當前，該技術在電動汽車應用中，能量傳輸效率在不同條件下波動較大，在各類環境和使用條件下難以穩定保持高效能量傳輸。

本研究旨在系統探究新型電動汽車無線充電技術的效率與可靠性問題，提出優化方案并驗證其可行性。通過理論分析、試驗驗證和實際應用測試，全面評估該技術在不同條件下的性能，為未來電動汽車無線充電技術的改進與推廣提供科學依據和技術支撐。

1" 新型電動汽車無線充電技術的應用

1.1" 試驗設計與數據采集

試驗設計嚴格遵循T/CPPC 1095—2024《新能源汽車小直流充電連接器技術規范》，并基于諧振式無線充電系統結構與補償拓撲模型進行。

試驗平臺搭建于諧振式無線充電系統之上，主要由發射端與接收端構成。發射端包含全橋逆變器電路、高頻諧振線圈、補償電容及整流電路；接收端則由接收線圈、補償電容和整流電路組成，系統結構示意如圖1所示。

選用S-S（Series-Series）補償拓撲，發射端和接收端均通過串聯補償電容來優化系統的諧振頻率和傳輸效率。補償電容參數通過PSIM仿真軟件進行優化，以確保系統在工作頻率（85kHz左右）下達到最佳性能[5-6]。

依據公式（1）計算發射端和接收端的諧振頻率：

式中：[Ls]——發射端的電感；[Cs]——發射端的電容；[Lr]——接收端的電感；[Cr]——接收端的電容。

在理想對準條件下，逐步增加線圈間距，從5cm到20cm每隔5cm進行一次測量，記錄每次測量下的傳輸效率和輸出功率。傳輸效率通過公式（2）計算：

式中：[Pout]——接收端的輸出功率；[Pin]——發射端的輸入功率。

在固定距離（如10cm）下，引入不同角度（包括0°、15°和30°）的對準誤差。各情況下的傳輸效率與輸出功率數據記錄見表1。

在不同環境溫度（-20℃、25℃、60℃）和濕度條件下測試系統性能。每種環境條件下，測量并記錄傳輸效率和輸出功率。同時，讓系統在固定條件下連續運行1000h，每100h定期測量并記錄傳輸效率和輸出功率。

通過采集的電壓、電流和功率數據，計算不同試驗條件下的傳輸效率，繪制效率曲線。運用線性回歸和其他統計方法分析長期測試數據，確定系統性能的主要影響因素，為進一步優化提供方向。具體分析結果將用于評估新型電動汽車無線充電技術的效率與可靠性，為未來技術優化和實際應用提供堅實依據。

1.2" 新型電動汽車無線充電技術實施模型建模

在完成試驗設計與數據采集后，為深入研究新型電動汽車無線充電技術的效率與可靠性，對其實施模型建模。

在諧振式無線充電系統中，發射端與接收端通過電磁耦合實現能量傳輸。常見的補償拓撲包括LCC-LCL、S-S（Series-Series）、S-P（Series-Parallel）等[7]。

LCC-LCL補償拓撲結構具有良好的恒流輸出特性，適合于電動汽車無線充電系統中應用，其補償拓撲結構如圖2所示。

LCC-LCL補償電路由發射端LCC和接收端LCL組成，系統的諧振頻率由發射端和接收端的補償元件決定，為了確保系統在工作頻率下達到最佳性能，工作頻率應滿足式（3）所示。

根據試驗數據和仿真結果，選擇適當的補償參數[Ls]、[Cs]、[Lr]和[Cr]，使系統在工作頻率（85kHz）下諧振。將系統等效為電路模型，如圖3所示。

發射端和接收端的等效電路參數如式（4）所示。

系統傳輸效率通過式（2）計算。使用PSIM仿真軟件對系統進行建模與仿真，調整補償參數以優化系統效率。在仿真過程中，通過調節頻率和負載，分析不同工況下系統的傳輸效率和輸出功率[8]。

根據補償參數，建立LCC-LCL補償電路的初始模型。設定工作頻率和負載的范圍，常見頻率范圍為80～90kHz，負載范圍為10～100Ω。運行仿真，記錄不同頻率和負載下的傳輸效率和輸出功率。通過分析仿真結果，調整補償參數，使系統在85kHz下達到最大效率和穩定輸出。在試驗室條件下，對優化后的模型進行實際測試，驗證仿真結果的準確性。

在整個建模與驗證過程中，嚴格遵循T/CPPC 1095—2024《新能源汽車小直流充電連接器技術規范》。該規范主要涵蓋了電氣連接、機械強度、環境適應性等方面的要求，確保系統的安全性和可靠性。系統傳輸效率通過式（5）實現。

式中：[Pout]——接收端輸出功率；[Pin]——發射端輸入功率。

通過不斷調整補償參數和工作頻率，優化上述效率公式中的參數，最終實現高效穩定的無線充電系統。

2" 新型電動汽車無線充電技術的效率與可靠

性研究分析

為了進行新型電動汽車無線充電技術的效率與可靠性研究，搭建一個符合試驗要求的試驗環境。試驗環境的詳細參數見表2，其涵蓋了充電效率分析和可靠性分析所需的各項具體參數。

2.1" 充電效率分析

在充電效率分析環節，通過調整輸入功率、負載條件和線圈距離等參數，記錄不同工況下的系統傳輸效率。具體試驗結果和分析如表3所示。

根據試驗結果，在1～10kW的輸入功率范圍內，傳輸效率均保持在99%以上，表明系統傳輸效率高且穩定。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。不同負載條件（10～100Ω）對傳輸效率的影響較小，傳輸效率均在99%以上，說明負載變化對傳輸效率影響不大。負載較小（10Ω）時，傳輸效率略高，但總體變化不顯著。線圈間距對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。線圈間距增加會導致耦合系數降低，從而稍微降低傳輸效率，但系統設計良好，可以保持高效。

2.2" 可靠性分析

在可靠性分析部分，模擬不同環境條件（溫度、濕度、通風情況）和元件失效情景，評估系統的可靠性。主要試驗步驟包括溫度變化測試、濕度變化測試和過流過壓測試。

如表4所示，溫度變化對系統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，說明系統在極端溫度下仍能保持高效工作。關鍵元件溫度隨著環境溫度的升高而略有上升，但始終在安全范圍內（45～53°C），表明系統的散熱性能良好，不會因為溫度的變化而導致過熱問題。

進一步分析表明，溫度對元件材料的物理性質，如電阻和導熱系數的影響在本系統中被有效控制。通過采用高品質的散熱材料和優化的散熱設計，系統能夠在高溫和低溫環境下均保持高效和穩定運行。這為實際應用中可能遇到的環境溫度變化提供了可靠保障。

如表5所示，濕度變化對系統傳輸效率的影響較為有限。在30%～80%RH的范圍內，傳輸效率變化不超過0.4%，從99.3%降至98.9%。關鍵元件溫度在濕度較高時略有升高，但仍保持在安全范圍內（50～54°C）。這些結果表明，系統對濕度變化具有較好的適應性，不會因為濕度的變化而顯著影響其工作性能。

深入分析發現，濕度對電氣設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線充電系統設計中，采用了防潮和抗腐蝕材料以及高效的密封技術，使得系統在高濕度環境下依然能夠穩定運行。這不僅在試驗室條件下得到了驗證，也為實際應用中的惡劣環境提供了理論依據。

如表6所示，在模擬的過流（12A）和過壓（500V）條件下，系統的保護機制能夠迅速響應。在過流情況下，系統的保護機制在0.5ms內響應，傳輸效率保持在98.7%。在過壓情況下，系統的保護機制在0.6ms內響應，傳輸效率為98.9%。這表明系統的保護機制能夠有效應對突發的過流和過壓情況，保障系統的安全性和可靠性。系統的保護機制采用了先進的電流和電壓檢測技術，能夠在極短時間內識別出異常情況并迅速采取措施。這種高效的響應不僅保護了系統自身，還能防止因電氣異常引起的聯動故障，對整個電動汽車系統的安全性提供了重要保障。

3" 結論

隨著電動汽車的普及，無線充電技術的效率和可靠性成為其大規模應用的關鍵因素。本研究通過模擬不同環境（溫度、濕度）和極端電氣條件（過流、過壓）下的新型電動汽車無線充電系統的性能，評估新型電動汽車無線充電系統的實際應用潛力。該系統在不同環境條件下均能高效工作，傳輸效率超98.5%。溫度和濕度變化對系統效率影響較小，展現出在極端環境下的適應性與穩定性，表明其能適應多種復雜實際應用環境。在過流和過壓條件下，系統保護機制迅速激活，響應時間分別為0.5ms和0.6ms，確保極端電氣條件下的安全性與可靠性，顯著提升實際應用中的安全性能，降低因電氣異常導致的故障風險。試驗結果顯示，系統散熱性能良好，關鍵元件溫度始終處于安全范圍，不因環境變化而過熱。有效的散熱管理進一步提高了系統的可靠性和使用壽命。新型無線充電技術效率高、可靠性強，在極端環境下保持穩定，為在電動汽車中的廣泛應用奠定了堅實基礎。這些結論為未來無線充電技術的優化和推廣提供重要參考，也為相關領域研究指明新方向。

參考文獻

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-10-19

作者簡介：程" 鈺，女，碩士，研究方向為工程管理；

王海波，男，碩士，主要從事汽車電線束新產品開發工作；

張仁君，男，碩士，主要從事工業產品檢驗檢測工作。