面向10/50kW电动汽车充电的功率等级互操作多线圈感应电能传输系统

《IEEE Open Journal of Power Electronics》：A Power Class Interoperable Multi-Coil Inductive Power Transfer System for 10/50 kW EV Charging

本文针对电动出租车等车队车辆在换班期间需50kW快充、非换班期间需10kW常规充电的功率等级互操作性需求，提出了一种采用双极板多线圈车辆端磁拓扑的感应电能传输系统。研究通过选择性线圈激励和双有源桥控制策略，实现了SAE WPT3与WPT5功率等级间的高效互操作充电，实验表明该系统在10kW和50kW充电时效率分别提升3.6%和0.7%，为电动汽车无线充电的实用化提供了重要技术支撑。

　　

随着电动汽车的普及，无线充电技术因其便捷性而备受关注。然而，当前无线充电系统面临着一个关键挑战：功率等级互操作性（Power Class Interoperability, PCI）问题。以电动出租车为例，在运营期间需要快速充电（如50kW的WPT5级别），而在非运营时段则只需要常规充电（如10kW的WPT3级别）。如果车辆只能适配单一功率等级的充电设施，将极大限制其使用灵活性。现有的单线圈系统难以同时满足高功率传输和与低功率设施兼容的需求，特别是在磁耦合、安装方式和功率调节等方面存在显著差异。

为解决这一难题，奥克兰大学的研究团队在《IEEE Open Journal of Power Electronics》上发表了一项创新研究，开发了一种功率等级互操作的多线圈感应电能传输（Inductive Power Transfer, IPT）系统。该系统采用双极板（Bi-Polar Pad, BPP）磁拓扑结构，通过选择性线圈激励（Selective Coil Energization, SCE）和双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）控制策略，成功实现了10kW（WPT3）和50kW（WPT5）功率等级之间的高效互操作充电。

研究人员采用的关键技术方法包括：1）设计多线圈BPP车辆端磁结构，通过优化铁氧体芯布局和线圈重叠方式降低交叉耦合；2）采用LCC-LCC谐振调谐网络结合双有源桥拓扑，实现功率调节和零电压开关（Zero-Voltage Switching, ZVS）；3）开发结合导通角控制（α-control）和相位偏移控制（φ-control）的双边控制策略，特别是采用φ-overdrive技术扩展ZVS范围；4）通过选择性线圈激励机制，根据耦合条件动态选择最佳工作线圈。

磁耦合性能分析

通过有限元分析（FEA）验证了BPP车辆端与WPT5地面端和WPT3地面端在不同对齐位置下的耦合性能。结果显示，在WPT5操作时，有效耦合因子（k_1,2(eff)）最小值为0.124，变化范围（Δk_1,2(eff)）为0.106，满足设计规范。在WPT3操作时，通过选择性线圈激励可以有效管理不对称耦合情况，为系统控制提供了灵活性。

功率调节机制验证

研究比较了仅使用地面端α控制和结合α+φ控制两种策略的效果。实验表明，单纯依赖地面端控制会导致硬开关问题，而提出的双边控制策略能够显著降低开关电流（I_S(on)），实现零电压开关条件。特别是在高耦合情况下，φ-overdrive技术（φ＜-90°）能够将系统效率提升高达3.6%。

系统性能评估

实验结果显示，在WPT3（10kW）充电场景下，系统直流-直流效率（η_dc-dc）达到92.4-93.1%；在WPT5（50kW）充电场景下，效率达到93.9-94.0%。与现有单线圈系统相比，提出的多线圈系统在保持高效率的同时，实现了功率等级的灵活互操作。泄漏磁通测量值均低于15μT的安全限值，满足SAE J2954标准要求。

该研究的成功实施证明了多线圈磁拓扑结合先进控制策略在解决功率等级互操作性问题上的有效性。系统不仅满足了电动车队车辆的实际充电需求，还为未来无线充电标准的完善提供了重要参考。特别是提出的φ-overdrive控制方法，为宽范围功率调节下的高效运行提供了新思路。这项技术的推广应用将有助于加速电动汽车无线充电基础设施的建设，推动交通领域的电气化进程。