磁耦合諧振式電動汽車無線充電系統研究

中圖分類號：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

電動汽車作為新能源汽車（EV）的重要發展方向，其保有量持續增長。然而，傳統的有線充電方式存在充電接口易損壞、線路連接不便等問題，限制了電動汽車的使用便利性[1]。磁耦合諧振式無線充電技術應運而生，它能夠在無需物理連接的情況下實現電能的高效傳輸，為電動汽車的充電提供了一種全新的解決方案，具有廣闊的應用前景。

目前電動汽車的充電方式主要有兩種，即有線充電和無線充電。傳統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]。而磁吸無線充電裝置憑借其無需線纜連接、自動對準、高效安全等優點，正好能夠彌補這些不足，為充電帶來全新的體驗。

2研究現狀

2.1無線充電的原理

當前磁耦合諧振式電能傳輸技術，是感應耦合式的一個特殊情況，其初級線圈和次級線圈調整成一致，使發生的磁耦合能達到高效的電能傳輸。其中最重要的原理就是電磁轉換原理，磁吸充電技術概括起來就是將電能轉化成磁能，再將磁能轉化成電能。磁耦合諧振式無線電能傳輸系統中，初級和次級線圈分別與它們的補償網絡形成諧振回路，發送端直流電經過DC-AC電路轉換為高頻交流，激發出與固有諧振頻率相同的工作頻率并產生交變磁場，接收端感應到變化的磁場，諧振頻率相同的次級線圈便產生交流電，經AC-DC整流電路為負載供能。

2.2國外研究發展概況

美國橡樹嶺國家實驗室長期深耕大功率領域，歷經數年鉆研與迭代，成功將無線充電功率提升至令人矚目的 120kW 乃至更高，傳輸效率超 97% ，為快速補能筑牢根基。密歇根大學聚焦電路拓撲結構創新，提出雙邊LCC補償拓撲，巧妙化解輸出電流與負載間的復雜耦合難題，保障充電穩定性。高通旗下Halo系統以 3.3～20kW 功率適配多元車型，整機效率超 90% 。Witricity公司不甘示弱，Drive11系統功率達 11kW 效率 93% 。寶馬讓無線充電汽車駛入現實，更有MomentumDynamics公司打造 大功率系統、電動公交等高耗能場景。

2.3國內研究發展概況

國內各高校、研究所也相繼開展了無線電能傳輸技術及應用的研究工作[3-6]，并于2011年10月由中國科協資助在天津工業大學舉辦了“無線電能傳輸關鍵技術問題與應用前景\"學術沙龍，這是國內在無線電能傳輸領域的第一次學術會議，隨后2012年在重慶舉辦了“無線電能傳輸技術研討會”、2014年在南京舉辦了“無線電能傳輸技術與應用國際學術會議”、2024年在徐州舉辦了“國際無線電能傳輸會議”，展示了國內無線電能傳輸技術良好的發展態勢和前景。

高校中，東南大學率先發力，成功驅動國內首輛無線充電電動汽車上路，還深挖電磁安全隱患防控，護航技術落地；重慶大學潛心磁耦合機構鉆研，借雙層DD線圈突破 10kW 功率關卡；哈工大巧用超級電容，革新供電架構，賦能 3kW 高效系統。

企業緊跟科研步伐，中興新能源手握 60kW 高功率成果，中惠創智、有感科技等紛紛推出 1～30kW 多規格產品，轉化效率超 90% 。行業標準制定也穩步邁進，全國汽車與電力標委會協同發力，《電動汽車無線充電系統通用要求》等規范漸次成形。

3現階段研究重點

目前，電動汽車靜態無線充電功率處于一個較為實用的水平，但大功率靜態無線充電目前還存在諸多的技術壁壘，相比一些有線快充技術，充電速度仍然較慢。對于一些大容量電池的電動汽車，使用 11kW 無線充電可能需要數小時才能充滿。無線充電設備的研發、生產和安裝成本也較高，導致其普及程度受限， 11kW 的無線充電樁價格比同功率的有線充電樁貴數倍，同時無線充電過程中產生的電磁輻射問題，也令用戶擔憂。

市面上大多的大功率無線充電傳輸技術都是通過控制電壓、提高電流的方式進行傳輸功率的優化，通過對元器件的挑選進行輸出功率的提升[7]。為充分解決傳輸功率不穩、輸出效率不高等問題，設計了將基于能量和信號同步傳輸的自適應頻率跟蹤控制技術和基于負載特性的恒壓輸出控制技術集成于一體的大功率無線充電系統，在保障傳輸功率穩定的同時，傳輸效率能夠穩定在 93%～94% 之間。

本文提出一種具有故障容錯能力的雙耦合LCC-S拓撲模塊化無線充電系統，從S-S和LCC-S輸入串聯-輸出并聯混合拓撲的角度，分析典型故障的容錯性能并揭示其本質原因，在分析系統功效特性基礎上，提出磁耦合器及補償參數的設計方法。

4雙耦合LCC-S拓撲模塊化無線充電系統

4.1基于負載特性的恒壓輸出控制技術

如圖1所示，在無線充電系統接收端加入恒壓輸出控制器，控制器中電壓及電流檢測電路負責檢測系統負載端的電壓和電流。通過負載端電壓和電流值計算負載電阻值，當負載電阻值發生變化時，通過調整直流變換電路的占空比來調整負載等效電阻值，保證發射端自動調諧控制器的正常工作[8]。發射端將系統工作頻率調至諧振頻率后，接收端的恒壓控制器根據系統的輸出電壓值的變化情況，通過調整逆變電路開關管驅動脈沖信號的移相角控制發射端逆變器輸出電壓，進而控制接收端輸出電壓。

采用LCC-S型諧振拓撲，原邊補償網絡采用LCC補償網絡，副邊補償網絡采用與拾取線圈 （L_s） 串聯的副邊串聯補償電容 （C_s） ，LCC-S型諧振拓撲的副邊阻抗Z_s 反射阻抗 Z_r 以及輸入阻抗 Z_in 表示為：

LCC-S型諧振拓撲等效輸出電壓表示為：

式中， ω 為磁耦合無線電能傳輸MC-WPT系統的工作頻率； R_p 為發射線圈內阻； R_s 分別為拾取線圈內阻； R_e 為整流橋前等效負載電阻； R_Lf 為原邊補償電感等效串聯內阻； L_f 為原邊補償電感的自感值。

當該磁耦合無線電能傳輸MC-WPT系統處于移相工作模式時，Boost變換器不工作，移相全橋逆變器工作且 θ 的調節范圍為 0^°?θ?180^° ，移相全橋逆變器的輸出電壓有效值 V_inv 為：

當該磁耦合無線電能傳輸MC-WPT系統處于升壓工作模式時，Boost變換器工作，此時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，則根據能量守恒定律可得：

該磁耦合無線電能傳輸MC-WPT系統處于移相工作模式時，直流輸出電壓 V_out 的表達式為：

式中， Z_in 為LCC-S型諧振拓撲發射端的電路阻抗； Z_s 為LCC-S型諧振拓撲拾取端的電路阻抗； Z_r 為 Z_s 的反射阻抗。LCC-S型諧振拓撲發射端包括LCC補償網絡與發射線圈 （L_p） ;LCC-S型諧振拓撲接收端包括拾取線圈（L_s） 與副邊串聯補償電容 （C_s） 。在該磁耦合無線電能傳輸MC-WPT系統處于升壓工作模式時，直流輸出電壓V_out 的表達式為：

4.2基于能量和信號同步傳輸的自適應頻率跟蹤控制設計

分析能量傳輸對信號傳輸的影響，通過理論分析和實驗測量，確定這些影響因素與系統參數（如傳輸距離、負載變化、發射功率等）之間的定量關系。

針對能量和信號在不同工作條件下的傳輸特性變化，進行參數敏感度分析，確定對系統性能影響較大的關鍵參數，為后續的自適應控制策略設計提供依據。針對每個組件，依據其物理特性和工作原理建立相應的數學模型。

以電力系統中的逆變器為例，假設輸出電為 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。在存在負載變化、干擾等情況下，這些參數可能會發生變化，需建立動態模型來描述這些變化。

5結語

磁耦合諧振式電動汽車無線充電技術在解決電動汽車充電難題方面展現出巨大潛力，雖已取得一定進展，但仍有諸多提升空間，未來的研究方向如下：

a.恒壓輸出控制通過移相全橋逆變器和Boost變換器實現。系統實時檢測拾取端直流輸出電壓 V_out ，并與參考電壓 V_ref 比較，通過PI調節器在移相或升壓模式下調整，確保 V_out 恒定。該系統在寬輸入電壓、負載及互感變化下能快速穩定輸出，效率高達 93% 以上。

b.頻率跟蹤控制系統由接收線圈、控制電路等組成，通過調節接收線圈電感使振蕩回路電流峰值最大化。當電流峰值超過設定值 I_max2 時，開關斷開，電容器向蓄電池充電；當電壓低于 U_min 時，開關閉合，重新開始振蕩，實現間歇式補能和發射頻率自動跟蹤，糾正諧振點偏移，提高能量傳輸效率。

參考文獻：

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