电动汽车三相无线充电系统关键技术研究综述

资京，丘东元，肖文勋，张波，谢帆

（华南理工大学电力学院，广州 510641）

随着环境问题和能源危机的日益突出，电动汽车成为大力推广的环境友好型交通工具。然而，电动汽车的续航里程受电池能量密度的限制，因此电动汽车的灵活充电成为制约其发展的主要瓶颈之一。与有线充电方式相比，无线充电方式具有安全可靠、操作方便和环境适应性强等优点。当前的电动汽车无线充电系统主要采用单相系统[1-4]，与单相系统相比，三相无线充电系统可以实现更均匀的磁场分布，且具有功率密度高、输出波动小、抗偏移能力强和磁场泄漏低等优点[5-7]，成为大功率电动汽车无线充电的最佳选择。

本文基于国内外电动汽车三相无线充电系统的研究进展，详细分析了电磁耦合机构、补偿网络和高频逆变器等关键技术，最后提出了电动汽车三相无线充电技术亟需解决的问题和发展方向，为电动汽车三相无线充电技术的研究提供参考。

电动汽车三相无线充电系统的典型结构如图1所示，主要包括三相高频逆变器、三相整流器、补偿网络、三相发射线圈以及接收线圈。其原理是利用埋在地面下的发射线圈产生高频交变磁场，电动汽车通过自身携带的接收线圈拾取电能，从而给电池充电。其关键技术主要在于磁耦合机构、补偿网络和高频逆变器。

图1 电动汽车三相无线充电系统的典型结构Fig.1 Typical structure of three-phase wireless charging system for electric vehicles

1.1 磁耦合机构

磁耦合机构是无线充电系统中能量耦合的关键元件，当前电动汽车三相磁耦合机构的研究主要侧重于提高线圈之间耦合、提高抗偏移能力、减小线圈体积和减少成本等方面。根据能量收发端耦合空间相对位置是否变化，电动汽车无线充电方式可分为动态无线电能传输DWPT（dynamic wireless power transfer）和静态无线电能传输SWPT（static wireless power transfer）。其中，动态磁耦合机构根据发射端和接收端的尺寸关系可以分为长导轨型结构和线圈阵列型等结构[8]，静态磁耦合机构根据线圈形状可划分为圆形、矩形等结构[9]。

在长导轨型磁耦合机构方面，新西兰奥克兰大学于2007 年首次提出了三相长导轨式磁耦合机构[5]，其发射端结构如图2 所示。其中，单极性导轨结构简单，但各相线圈只能形成1 个磁极方向；
而双极性导轨能形成2 个磁极方向，同时产生垂直和平行导轨方向的磁通分量。与单极性导轨相比，双极性导轨具有线圈耦合更强和磁场泄漏更少等优点。三相长导轨式磁耦合机构发射端导轨可沿横向偏移方向铺设，故接收端偏移距离近似为发射端轨道宽度，与单相导轨式结构相比，该结构具有输出功率大和抗水平偏移能力强等优点。但由于三相导轨之间存在交叉耦合，使得补偿网络设计困难，控制也相对复杂。各相轨道之间的重叠和换位能一定程度减少交叉耦合互感[10]，但这种结构只适用于双极性结构，且会导致磁场空间分布不均匀，从而影响磁耦合机构的性能。

图2 三相长导轨式磁耦合机构Fig.2 Three-phase long track magnetic coupler

为解决各相线圈之间的交叉耦合现象，奥克兰大学于2010 年提出了一种三相蜿蜒型结构[11]，如图3（a）所示。该结构能平衡三相导轨的相间互感，各相产生的磁场主要分布在导轨上方，并在导轨两侧相互抵消，但缺点是线圈用量大，制造成本较高。韩国KAIST 于2015 年提出了纵向布置的三相蜿蜒式磁耦合机构[7，12]，如图3（b）所示，该结构的每相线圈均由2 组电缆构成，每相电流平均分配到2 组电缆中，各相线圈呈对称分布，其侧边和中间的磁场能相互抵消，从而显著降低磁场泄漏。西班牙IK4-IKERLAN 于2017 年提出了无铁芯结构的三相蜿蜒型机构[13]，如图3（c）所示，通过适当设计线圈的几何形状，能够实现接收线圈的恒定耦合，从而简化控制，但是线圈布局较复杂，无铁芯结构也会导致施工困难、增加磁场泄漏等问题。

图3 三相蜿蜒型长导轨式磁耦合机构Fig.3 Three-phase meander-type long track magnetic coupler

在线圈阵列型磁耦合机构方面，日本福冈大学于2011 年提出了三相阵列式耦合结构[6，14]，如图4 所示。研究结果表明，若接收端也采用三相线圈，系统具有对接收侧位置抗偏移能力较强、效率较高等优点，但是接收侧角度偏移对系统功率传输影响较大。

图4 三相阵列式磁耦合机构Fig.4 Three-phase lumped track magnetic coupler

在矩形线圈磁耦合机构方面，西南交通大学于2019 年提出了一种双极型三层矩形磁耦合机构[15]，如图5 所示，该结构在原DDQ 型线圈上增加一个与原DD 线圈成90°放置的DD 型线圈，利用DDQ 结构线圈解耦的原理，有效降低了三相线圈的交叉耦合。

图5 三相矩形线圈磁耦合机构Fig.5 Three-phase rectangular coil magnetic coupler

在圆形线圈磁耦合机构方面，日本福冈大学于2014 年提出了一种单极性单层圆形线圈结构[16]，如图6（a）所示，该结构主要由铁芯和3 个扇形绕组构成，3 个扇形绕组之间互差120°，在接收线圈对准的情况下，各绕组之间的互感相互平衡。新西兰奥克兰大学于2017 年提出了一种三线圈TPP（tripolar pad）结构[17]，如图6（b）所示，当TPP 中的1 个线圈通电时，其他线圈在与之重叠区域和非重叠区域所形成的感应电动势相反，因此，通过调节TPP 线圈之间的重叠区域，能实现3 个线圈间的解耦。美国橡树岭国家实验室ORNL（Oak Ridge National Laboratory）对比了3 种双极型圆形线圈[18]，其中，图6（c）单层线圈跨度60°、图6（d）双层线圈跨度120°、图6（e）3层线圈跨度180°。当线圈正负极串联时，单层线圈结构和双层线圈结构都能实现电感平衡；
当线圈正负极并联时，由于顶层和底层离铁芯距离不同，双层线圈电感将不再平衡。同理，由于3层线圈结构的各相分别在不同层，3层线圈结构电感无法实现平衡。

图6 三相圆形线圈磁耦合机构Fig.6 Three-phase circular coil magnetic coupler

表1 总结了上述常用三相磁耦合机构的特点，可以根据实际应用要求确定合适的机构。与以往动态无线充电中常见的长导轨结构和阵列型结构相比，三相蜿蜒型结构在消除交叉耦合、减少磁场泄漏等方面更具优势，但相应的结构和控制也将更复杂。而圆形、矩形线圈型结构通常应用于静态无线充电中，磁场利用率和系统效率则相对较高。

表1 常用三相磁耦合机构的特点Tab.1 Characteristics of common three-phase magnetic couplers

1.2 补偿网络

由于发射线圈与接收线圈之间耦合小，无线充电系统通常需要加入补偿网络以改善系统特性。将单相系统补偿网络结构推广到三相系统，可以得到三相无线充电系统的补偿网络[19]。线圈采用星形联结和三角形联结时对应的补偿结构分别如图7 和图8 所示。

图7 采用星形联结的三相补偿网络结构Fig.7 Three-phase compensation network structure with star connection

图8 采用三角形联结的三相补偿网络结构Fig.8 Three-phase compensation network structure with triangle connection

根据谐振电容、谐振电感与发射线圈的连接方式，主要有串联S（series）补偿、并联P（parallel）补偿、串并联（LCL 和CCL）、串并串联（LCC）以及在此基础上衍生的补偿结构[2,20]。其中，S 型补偿结构输入阻抗低、损耗小，但在轻载或者空载时，其输入阻抗仅为原边的寄生电阻，存在过流问题，需要采取限流措施；
P 型补偿结构的补偿电容与互感、负载相耦合，且易受扰动，因此实际应用中发射端很少采用P 型补偿结构；
LCL 型补偿结构可以实现发射线圈电流与负载、耦合系数解耦，实现发射线圈电流恒定；
LCC 型补偿结构在保持LCL 型补偿结构优点的基础上，能够减小附加谐振电感的尺寸，避免线圈的直流磁化，且提高了设计自由度。

补偿元件的取值需要考虑三相平衡和三相不平衡两种情况，以图7（a）、图8（a）和图8（b）所示的3种基本串联补偿网络为例，补偿电容的配置如表2所示[18]，其中：Li和Ci分别代表线圈电感和谐振电容；
Mij为相邻线圈的互感；
{i，j，k}和{a，b，c}代表三相线圈间的序号；
和分别是与线圈电感串联结构和并联结构相关的等效电感参数，=Li-Mij+Mjk-Mki，=Li+Mij+Mki；
Lσ为并联结构下三相等效电感参数之和，Lσ=；
L"为三相平衡时的等效电感参数，L"=L-M；
L 与M 分别代表三相平衡时各相线圈的自感以及与其他相线圈的互感，此时L=La=Lb=Lc，M=Mab=Mbc=Mca。此外，图7（a）所示结构适用于输出电压较高的场合，而图8（a）所示结构易产生较大的环路电流，在实现相同电压增益的情况下，图8（b）所示结构的效率低于图7（a）所示结构[18]。因此，三相串联补偿网络通常采用图7（a）所示的星形结构。

表2 三相无线充电系统基本串联补偿网络参数配置Tab.2 Parameter configuration of basic series compensation network of three-phase wireless charging system

与单相无线充电系统相似，三相无线充电系统的4 种基本补偿网络包括串联-串联（SS）、串联-并联（SP）、并联-串联（PS）和并联-并联（PP），如图9所示。其中：L1、C1和M1分别为发射侧的线圈电感、谐振电容和线圈互感；
L2、C2和M2分别为接收侧的线圈电感、谐振电容和线圈互感；
M12为发射线圈和接收线圈之间的互感；
分别为发射侧线圈、接收侧线圈等效电感参数，=Ln-Mn（n=1，2）；
M"为发射侧和接收侧间的等效互感参数，M"=3M12/2。当三相平衡时，可将三相模型等效为单相模型，并在此基础上得到三相补偿网络的补偿电容和反射阻抗，如表3 所示[6]。

表3 三相无线充电系统的基本补偿网络参数配置（三相平衡）Tab.3 Parameter configuration of basic compensation networks of three-phase wireless charging system（three-phase balance）

图9 三相无线充电系统的4 种基本补偿网络结构Fig.9 Four basic compensation network structures of three-phase wireless charging system

然而，当三相不平衡时，补偿网络的调谐还需考虑互感因素，并消除由三相不平衡而产生的电压分量[21-22]。三相发射端线圈和接收端线圈的互感难于解耦，因此三相补偿网络的参数配置和建模分析比单相结构更加复杂。除了上述三相基本补偿网络，三相LCL、LCC 等高阶补偿网络也逐渐受到了关注[23-24]。为了克服由位置偏移而引起的传输功率下降问题，新西兰奥克兰大学还提出了三相LCL和CL 组合的补偿网络[25]。总体而言，不同补偿网络对系统传输性能特性的影响也不同，如何选择合适的三相补偿网络拓扑结构需要进一步研究。

1.3 高频逆变器

目前三相无线充电系统的高频逆变器主要采用如图10 所示的三相桥式逆变电路、组合式逆变电路以及多电平逆变电路，高频逆变器的功率输出能力、负载适应性、抗短路开路能力和工作频率等参数都会影响三相无线充电系统的整体性能[26]。

图10 三相高频逆变器Fig.10 Three-phase high-frequency inverter

三相桥式逆变电路由6 个开关管构成，通过控制开关管的通断输出三相交流电，具有功率密度高、效率高、和易实现软开关运行等优点。但是，接收线圈出现偏移或者负载发生变化时，将导致发射侧三相线圈上的等效反射阻抗不同，使得发射侧各相线圈等效负载不平衡，进而产生三相电流不平衡问题。三相逆变器电流控制通常可以在同步旋转坐标系下利用PI 调节器进行d-q 轴电流控制，但由于d-q 轴电流是相互耦合的，因此需要额外增加前馈解耦环节。文献[27]在两相静止坐标下，利用PR 控制器追踪控制三相逆变器的负载电流，能较好地解决三相电流平衡问题；
在多负载应用场合中，文献[28]提出可变拓扑高频逆变器，通过检测负载数量和位置，实时有效地控制逆变器各桥臂开关管工作，实现了负载高效无线充电；
为了实现对传输功率的有效控制，文献[29]提出了一种开关管开通-关断混合对称控制策略，分析了传输功率与控制开关脉冲电角度之间的函数关系，从逆变器控制角度实现了三相无线充电系统功率传输的控制。

组合式高频逆变电路由3 个完全相同的单相全桥逆变模块并联而成，在不增加开关管电压应力的前提下，可以增加逆变器的总输出功率。由于组合式高频逆变电路可采用冗余设计，故能有效提高系统的可靠性[30]，但该电路要求各相逆变模块电路的元器件参数一致，实际中由于各逆变模块的物理参数和控制参数存在差异，容易产生环流，导致各逆变模块之间功率分配不均。文献[31]分析了元器件参数对各逆变模板之间环流的影响，并提出了无锁相环的虚拟有功、无功电流分解的控制方法,该方法能有效消除并联逆变器之间的环流，保证系统稳定可靠运行。

多电平高频逆变电路以其功率因数高、输出功率大等优点近年来被广泛用于轨道交通领域[32-33]。多电平高频逆变电路可采用低电压容量的开关管输出高电压，能有效降低开关损耗和电压谐波，提高逆变器的输出功率和效率[34]，但所用开关器件数量较多，控制复杂。

结合当前电动汽车三相无线充电系统的研究现状，可以看到该项技术已有较充分的研究，但仍有一些关键问题亟需解决，主要包括以下3 个方面。

（1）消除交叉耦合。由于三相线圈之间存在相互耦合，容易造成三相系统不平衡等现象，将会影响系统功率传输，降低系统效率。因此如何处理三相线圈之间的交叉耦合问题一直是三相无线充电系统的研究热点。改变导轨的空间布局，例如采用三相换位或者三相重叠，可以改变或消除互感，但是同时也会改变磁场分布，影响传输功率。额外添加的铁芯在一定程度上可以抵消各相间的互感，但会增加额外的自感，需减少驱动导轨长度或额外增加补偿电容[10]。目前研究主要是通过优化电磁耦合机构的设计来解决交叉耦合问题，电磁耦合机构形状的优化以及各相线圈之间的合理布局对提高系统传输效率、解决交叉耦合问题有重要的意义。如何消除交叉耦合、保障电磁兼容是电动汽车三相无线充电系统未来的研究方向之一。

（2）系统结构的优化设计。三相无线充电系统的补偿网络研究主要依据单相补偿网络的经验进行，由于三相无线充电系统需要考虑三相之间的连接方式以及不同相之间的相互耦合关系，三相补偿网络的结构设计和参数配置需要进一步研究。三相无线充电系统通常采用传统的“整流-高频逆变”结构供电，但这种两级变换拓扑降低了系统的功率密度和系统效率，因此需要研究适用于三相无线充电的高性能交交变换，将工频交流转换成高频交流，有利于进一步提高系统效率和动态响应性能。

（3）精确建模与鲁棒性控制。三相发射端线圈和接收端线圈之间存在复杂的交叉耦合关系，并且互感的大小及变化规律视耦合机构的不同而不同，导致三相无线充电系统数学建模以及功率传输鲁棒性控制较困难。如何将三相系统解耦，精确描述三相系统传输特性有待进一步研究。另一方面，为了驱动三相发射线圈，通常需要采用复杂的控制方式保证三相电流平衡，而互感和负载的变化也会导致三相系统工作点偏移，三相系统调谐控制难度也显著高于单相系统。因此，亟需研究新的控制方法保证三相无线充电系统稳定工作和快速调谐。

随着三相无线充电系统的发展和成熟，功率密度高、抗偏移能力强的三相无线充电系统将为电动汽车充电带来更好的体验。本文通过详细介绍三相无线充电系统的电磁耦合机构、补偿网络和高频逆变器等关键技术，指出电动汽车三相无线充电技术仍有很多基础理论和关键技术问题有待解决。总体而言，目前电动汽车三相无线充电技术仍处于发展阶段，需要进一步完善基础理论和实现应用创新。

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