電動汽車無線充電系統恒流/恒壓輸出與抗偏移磁能耦合機構研究

摘要：在電動汽車無線充電系統中，負載鋰電池的充電過程為先恒流再恒壓，因此，無線電能傳輸（wireless power transfer，WPT）系統需要同時具備實現雙輸出的能力，且在雙輸出狀態之間進行平穩切換。基于此，分析雙邊LCC（inductor-capacitor-capacitor）拓撲實現與負載無關的恒流/恒壓輸出條件，給出參數設計方法。針對系統可能會隨機在不同方向上出現位移的情況，采用了雙向同軸平面線圈的結構，即原邊線圈由內外2 個沿相反方向繞制的線圈串聯組成。通過仿真和實驗驗證了本文提出的電動汽車無線充電系統具備同時實現恒流/恒壓輸出的能力，且在多方向偏移工況下實現穩定輸出。

關鍵詞：電動汽車；恒流/恒壓輸出；耦合機構；抗偏移；移相控制

中圖分類號：TM724 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）08-065-16

無線電能傳輸（wireless power transfer，WPT） 是以空間介質為載體，實現電能從輸入電源到用電負載非接觸式傳遞的技術，取代利用輸電線纜從電源對負載進行供電。它實現了輸入電源和用電負載的物理隔離，避免電線短路漏電造成事故風險，具有不受線纜束縛、沒有電火花、移動能力強的優點[1]。在諸多傳能介質中以磁場為媒介的磁耦合無線電能傳輸系統（magnetically coupled wireless power transfer，MC-WPT）以傳輸功率大、距離遠、抗偏移能力強而廣泛應用[2]。

隨著全球化石能源危機以及“碳達峰”“碳中和”政策的提出，電動汽車為代表的新能源交通工具獲得廣泛使用。目前的電動汽車普遍采用有線充電方式，但這種充電方法需要有人值守且存在安全隱患，不利于電動汽車行業的發展和普及。因此，研究電動汽車的無線充電技術顯得很有必要。

目前，電動汽車普遍采用鋰電池作為儲能材料。鋰電池的充電過程分為“恒流”和“恒壓”2 個階段。因此，需要研究對應的補償拓撲和控制方法以實現2 種充電方式之間的平穩切換。文獻[3]通過改變原邊輸入電壓Vin和高頻逆變器的工作頻率f 實現恒流/恒壓的充電過程。文獻[4]將有源整流和調頻控制相結合，通過移相全橋占空比和移相角聯合控制實現不同負載和互感下的軟開關。文獻[5?6]利用拓撲切換實現恒流和恒壓狀態的過渡。通過將2 個MOSFET 串聯形成雙向導通開關，在拓撲中加入多個雙向開關利用其不同的通斷組合形成不同形式的拓撲，達到控制輸出狀態切換的目的。文獻[7?8]在副邊串聯可變電容，通過改變與電容并聯的2 個開關管導通占空比實現對電容等效阻值的調節，基于此方法實現對無功功率的補償。文獻[9?10]采用脈沖頻率調制（pulse frequency modulation，PFM）方法，在補償拓撲的感性區間頻率范圍內連續改變工作頻率實現先恒流再恒壓的輸出曲線。此外，當電動汽車停車時難免存在能量發射線圈與接收線圈未完全對準的情況，需要對耦合機構進行研究。針對線圈偏移帶來耦合系數降低的問題，文獻[11?12]提出多線圈的設計結構來增強系統對偏移的容忍能力，在偏移工況下調節不同線圈的能量注入來調節負載電能輸出。文獻[13]通過在原邊和副邊采用并聯方式將LCC-LCC 和SS 組合成混合型補償拓撲，充分利用2 個補償回路的耦合系數互補特性實現原、副邊發生偏移時整體耦合系數維持穩定。文獻[14]則是將LCC-S 和S-LCC 分別在原邊并聯、副邊串聯組成混合拓撲。這種方法適用于多發射線圈的復雜結構，帶來的設計難度較大且各種拓撲需要具備相同的恒壓或恒流輸出特性。文獻[15?17]中發射端則采用陣列式線圈的設計結構，通過輔以檢測或定位裝置將對應的激勵線圈通電實現能量的無線傳遞。這種方法需要得到接收端線圈的具體位置，對定位檢測的精度要求高，往往需要配合高精度的定位傳感器，無形中造成系統設計難度和硬件成本大幅上升。

基于前述研究，筆者分析了雙邊LCC 諧振拓撲恒流/恒壓輸出的物理機理和零相角（zero phase angle，ZPA）實現條件，提出拓撲參數設計方法。為增強系統的抗偏移能力，原邊發射線圈采用雙向同軸平面線圈結構，對結構和各項參數進行優化。

1 雙邊LCC 拓撲恒流恒壓輸出研究

MC-WPT 系統常用補償拓撲包括SS、SP、PS、PP 4 類，但這些拓撲往往只能實現恒流或恒壓中的1 種，無法滿足如圖1 所示的鋰電池先恒流再恒壓的要求。因此，從雙邊LCC 拓撲本身的機理出發，研究補償網絡的諧振條件，從實現多種狀態輸出角度出發提出拓撲的參數設計流程。