摘要：在電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中，負(fù)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(tǒng)需要同時(shí)具備實(shí)現(xiàn)雙輸出的能力，且在雙輸出狀態(tài)之間進(jìn)行平穩(wěn)切換。基于此，分析雙邊LCC（inductor-capacitor-capacitor）拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)與負(fù)載無關(guān)的恒流/恒壓輸出條件，給出參數(shù)設(shè)計(jì)方法。針對(duì)系統(tǒng)可能會(huì)隨機(jī)在不同方向上出現(xiàn)位移的情況，采用了雙向同軸平面線圈的結(jié)構(gòu)，即原邊線圈由內(nèi)外2 個(gè)沿相反方向繞制的線圈串聯(lián)組成。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)具備同時(shí)實(shí)現(xiàn)恒流/恒壓輸出的能力，且在多方向偏移工況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；恒流/恒壓輸出；耦合機(jī)構(gòu)；抗偏移；移相控制

中圖分類號(hào)：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-582X（2024）08-065-16

無線電能傳輸（wireless power transfer，WPT） 是以空間介質(zhì)為載體，實(shí)現(xiàn)電能從輸入電源到用電負(fù)載非接觸式傳遞的技術(shù)，取代利用輸電線纜從電源對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。它實(shí)現(xiàn)了輸入電源和用電負(fù)載的物理隔離，避免電線短路漏電造成事故風(fēng)險(xiǎn)，具有不受線纜束縛、沒有電火花、移動(dòng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[1]。在諸多傳能介質(zhì)中以磁場為媒介的磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)（magnetically coupled wireless power transfer，MC-WPT）以傳輸功率大、距離遠(yuǎn)、抗偏移能力強(qiáng)而廣泛應(yīng)用[2]。

隨著全球化石能源危機(jī)以及“碳達(dá)峰”“碳中和”政策的提出，電動(dòng)汽車為代表的新能源交通工具獲得廣泛使用。目前的電動(dòng)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(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展和普及。因此，研究電動(dòng)汽車的無線充電技術(shù)顯得很有必要。

目前，電動(dòng)汽車普遍采用鋰電池作為儲(chǔ)能材料。鋰電池的充電過程分為“恒流”和“恒壓”2 個(gè)階段。因此，需要研究對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償拓?fù)浜涂刂品椒ㄒ詫?shí)現(xiàn)2 種充電方式之間的平穩(wěn)切換。文獻(xiàn)[3]通過改變?cè)呡斎腚妷篤in和高頻逆變器的工作頻率f 實(shí)現(xiàn)恒流/恒壓的充電過程。文獻(xiàn)[4]將有源整流和調(diào)頻控制相結(jié)合，通過移相全橋占空比和移相角聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載和互感下的軟開關(guān)。文獻(xiàn)[5?6]利用拓?fù)淝袚Q實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓狀態(tài)的過渡。通過將2 個(gè)MOSFET 串聯(lián)形成雙向?qū)ㄩ_關(guān)，在拓?fù)渲屑尤攵鄠€(gè)雙向開關(guān)利用其不同的通斷組合形成不同形式的拓?fù)?，達(dá)到控制輸出狀態(tài)切換的目的。文獻(xiàn)[7?8]在副邊串聯(lián)可變電容，通過改變與電容并聯(lián)的2 個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電容等效阻值的調(diào)節(jié)，基于此方法實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的補(bǔ)償。文獻(xiàn)[9?10]采用脈沖頻率調(diào)制（pulse frequency modulation，PFM）方法，在補(bǔ)償拓?fù)涞母行詤^(qū)間頻率范圍內(nèi)連續(xù)改變工作頻率實(shí)現(xiàn)先恒流再恒壓的輸出曲線。此外，當(dāng)電動(dòng)汽車停車時(shí)難免存在能量發(fā)射線圈與接收線圈未完全對(duì)準(zhǔn)的情況，需要對(duì)耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。針對(duì)線圈偏移帶來耦合系數(shù)降低的問題，文獻(xiàn)[11?12]提出多線圈的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)偏移的容忍能力，在偏移工況下調(diào)節(jié)不同線圈的能量注入來調(diào)節(jié)負(fù)載電能輸出。文獻(xiàn)[13]通過在原邊和副邊采用并聯(lián)方式將LCC-LCC 和SS 組合成混合型補(bǔ)償拓?fù)?，充分利? 個(gè)補(bǔ)償回路的耦合系數(shù)互補(bǔ)特性實(shí)現(xiàn)原、副邊發(fā)生偏移時(shí)整體耦合系數(shù)維持穩(wěn)定。文獻(xiàn)[14]則是將LCC-S 和S-LCC 分別在原邊并聯(lián)、副邊串聯(lián)組成混合拓?fù)?。這種方法適用于多發(fā)射線圈的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，帶來的設(shè)計(jì)難度較大且各種拓?fù)湫枰邆湎嗤暮銐夯蚝懔鬏敵鎏匦?。文獻(xiàn)[15?17]中發(fā)射端則采用陣列式線圈的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，通過輔以檢測(cè)或定位裝置將對(duì)應(yīng)的激勵(lì)線圈通電實(shí)現(xiàn)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(duì)定位檢測(cè)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(tǒng)設(shè)計(jì)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?fù)浜懔?恒壓輸出的物理機(jī)理和零相角（zero phase angle，ZPA）實(shí)現(xiàn)條件，提出拓?fù)鋮?shù)設(shè)計(jì)方法。為增強(qiáng)系統(tǒng)的抗偏移能力，原邊發(fā)射線圈采用雙向同軸平面線圈結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 雙邊LCC 拓?fù)浜懔骱銐狠敵鲅芯?/p>

MC-WPT 系統(tǒng)常用補(bǔ)償拓?fù)浒⊿S、SP、PS、PP 4 類，但這些拓?fù)渫荒軐?shí)現(xiàn)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?fù)浔旧淼臋C(jī)理出發(fā)，研究補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的諧振條件，從實(shí)現(xiàn)多種狀態(tài)輸出角度出發(fā)提出拓?fù)涞膮?shù)設(shè)計(jì)流程。