双向最大效率点跟踪框架：面向电池充电与电网需求变化的G2V–V2G感应式无线电能传输

《Electronics》：Bidirectional Maximum-Efficiency-Point Tracking for G2V–V2G Inductive Wireless Power Transfer Under Battery-Charging and Grid-Demand Variations

　　

：双向感应式无线电能传输（BWPT）使电动汽车（EV）既能支持电网到车辆（G2V）充电，也能实现车辆到电网（V2G）能量回馈。然而，电池充电条件与电网功率需求的变化会持续改变等效负载，并使无线电能链路的最高效率点（MEP）发生偏移。本文提出一种双向最高效率点跟踪（MEPT）框架，在模式相关的运行条件下协调功率调节与效率优化。在G2V模式下，研究人员验证了恒流–恒压（CC–CV）充电，其电流参考值为10 A，电压限值为84 V，对应CC–CV转换点的充电功率为840 W。在V2G模式下，反向功率传输根据变化的电网功率需求进行调节，同时持续跟踪相应的MEP。Wi-Fi通信在初级侧与次级侧控制器之间提供跨侧反馈，用于协调充电、放电及MEPT运行。因此，MEP被视为一个依赖于方向、调节模式和功率的运行目标，而非固定的标称条件。实验验证考察了G2V–V2G功率反转、充电模式转换、电池/负载变化以及可变V2G功率指令。性能评估涵盖功率调节、MEPT跟踪、无线反馈运行以及双向功率传输效率。

论文解读：

一、研究背景与问题

感应式无线电能传输（IPT）为电动汽车充电提供了电气隔离且无接触的接口，应用范围从传统的电网到车辆（G2V）充电扩展到双向G2V与车辆到电网（V2G）能量交换。双向无线电能传输（BWPT）系统利用可逆变换器和补偿网络实现双向功率流动，同时满足输出调节和软开关要求。然而，现有研究大多聚焦于该问题的某一特定方面：恒流–恒压（CC–CV）、恒功率（CP）等充电技术解决电池侧需求，双向功率变换与G2V/V2G调节被分别研究，而最大效率点跟踪（MEPT）研究则根据负载、耦合或变换器条件调整工作点。目前仍缺乏一个统一框架来协调双向MEPT与模式相关的G2V电池充电以及电网需求驱动的V2G放电，特别是在运行条件持续变化的情况下。

G2V与V2G的运行需求存在根本差异。G2V运行期间电池的充电曲线在电压、电流、功率和等效负载方面不断变化；V2G运行则反转功率流，电网需求在很大程度上决定反向功率，且受电池限制约束。由于IPT效率强烈依赖于等效负载、磁耦合、补偿参数和变换器运行条件，当电池状态或功率指令变化时，针对特定负载或传输功率优化的工作点可能不再最优。此外，跨侧信息交换是实际控制系统中的关键问题，无线反馈会引入不确定性和通信延迟。

二、研究内容与意义

研究人员提出了一种面向G2V–V2G IPT的双向MEPT框架，明确考虑电池充电和电网需求的变化。该实验系统执行G2V CC–CV充电，电流参考值为10 A，电压限值为84 V，在CC–CV转换点产生840 W充电功率。在V2G模式下，功率流反转，电池响应变化的电网功率需求而放电，同时监测相关MEP。初级侧和次级侧控制器通过Wi-Fi反馈交换必要变量。MEP被视为方向、调节模式和功率依赖的运行目标，而非固定标称条件。该研究填补了统一框架的空白，实现了双向能量传输中的效率跟踪扩展，并将电池调节轨迹与MEP、效率联系起来。

三、关键技术方法

研究人员采用功率平衡控制（PBC）结构作为所有控制环路的基础。PBC根据输入与输出功率的瞬时平衡设定变换器电流参考值，而非等待电压误差累积。该结构包含前馈估计项和电压误差校正项，适用于所有四个控制环路。系统采用串联–串联（S–S）补偿拓扑，初级侧和次级侧均配置双向变换器。在G2V模式下，初级侧Buck变换器执行CC–CV充电调节，次级侧Buck变换器通过调节等效负载电阻实现MEPT。在V2G模式下，次级侧Boost变换器直接跟踪电网侧输入阻抗Z_{inMEP_grid}，初级侧Boost变换器维持固定电网CV目标。跨侧反馈通过两个ESP32模块基于ESP-NOW协议实现Wi-Fi通信。实验平台使用TI C2000 MCU（LAUNCHXL-F28379D LaunchPad）实现全部四个PBC环路，Chroma 62100H-450可编程直流电源模拟电网侧直流母线，Chroma 63203A-600-210电子负载模拟电池侧。仿真平台基于MATLAB/Simulink 2024b构建开关级模型，并将实测Wi-Fi延迟分布注入跨侧反馈信号。

四、研究结果

系统配置与双向功率流验证：实验首先确认耦合网络在两个功率流方向上均正确运行。比较G2V充电模式和V2G放电模式的线圈侧电压电流波形，电流波形相对相位反转180°，证实功率从电网流向电池与从电池流向电网的方向切换在交流线圈层面正确实现。

G2V充电结果：阶梯负载充电测试中，控制环路在步骤1–3保持10 A CC目标，V_o上升至84 V后自动切换到CV目标，R_LηMEP/Z_inMEP在全部六个步骤中保持平坦。注入20 ms延迟后响应与无延迟情况几乎无法区分，确认控制环路在实际预期最大通信延迟下仍保持稳定。CC模式动态响应中，i_o锁定在10 A，V_o快速稳定。CC到CV转换边界，V_o短暂过冲后约150 ms（无延迟）或400 ms（20 ms延迟）内恢复到CV目标。CV模式内负载变化时，V_o约100 ms（无延迟）或400 ms（20 ms延迟）内恢复至84 V，d₂仅轻微变化，确认效率环路不受初级侧CC–CV切换干扰。

V2G放电结果：三次负载阶梯测试中，V_o始终稳定在200 V电网CV目标，R_LηMEP和Z_inMEP在全部步骤中保持平坦。每次负载转换边界，V_o短暂过冲后约200 ms内恢复到200 V目标，i_o逐步降至新放电水平，d₁和d₂相应调整并在相同稳定窗口内收敛。

效率对比：G2V模式下，启用MEPT时效率保持约87%，禁用MEPT时随电池侧负载电阻增加从约85%降至81%。V2G模式下，启用MEPT时效率保持约86%，禁用MEPT时随电网侧直流负载电阻增加从约85%降至80.5%。

线圈偏移条件下的性能：对齐位置（0, 0, 160）mm互感和互感为38 μH，偏移位置（80, 100, 160）mm互感降至28 μH。对齐条件下，理论负载参考20.3 Ω处实测效率约87.2%，实测峰值约87.3%出现在21.0 Ω。偏移条件下，理论参考14.9 Ω处约85.6%，16.0 Ω处85.7%。负载电阻相对偏差分别约3.4%和7.4%，效率差异在两种情况下均约0.1个百分点。固定偏移条件下，G2V运行在CC充电步骤1–3保持10 A，达到84 V后进入CV充电步骤4–6；V2G运行中输出电压在负载转换中保持200 V稳定。

电池充电验证：使用真实Li-ion NMC电池进行完整充电循环验证。G2V充电测试中，SOC从20%升至98%约220分钟，前170分钟电流保持10 A CC目标，电压从78 V升至84 V，达到CV目标后电流从10 A降至约2 A，电压稳定在84 V。V2G放电测试中，SOC从98%降至20%约180分钟，放电电流基本恒定在10 A，电池电压从约84 V逐渐降至81 V。充电后期，理论最优交流负载电阻20.3 Ω对应整流器直流输出约25 Ω。Buck变换器输入电阻为R_o/d2，当R_o≤25 Ω时匹配可行，R_o>25 Ω时需大于1的不可达占空比。超过匹配极限后，实测效率从约86%降至74%，降低约12个百分点。

五、讨论与结论

讨论部分指出，实验结果证明了所提串联–串联补偿IPT系统在正反向运行中输出调节与阻抗相关控制的协调性。通信测试揭示了稳态调节与暂态速度之间的实际权衡：200个数据包样本给出平均延迟9.9 ms，标准差3.1 ms，观测极值2.8–17.1 ms。在CC–CV转换点，引入20 ms延迟使稳定时间从约150 ms增至400 ms，增加250 ms，为最大采样延迟的约1.17倍，提供了有效的压力测试。与近期研究比较，Kamnarn等人报告初级侧和次级侧PBC充电配置的峰值效率分别为77%和82%，初级侧稳定时间从600 ms降至100 ms；Ren等人展示了800 W双向LCC–LCC系统，具有固有CC/CV特性且无实时无线反馈；Zhang等人在6、11和30 kW组件中报告对齐条件下电网到电池效率91.7–94.3%，电池到电网效率89.5–93.5%。实施限制方面，85 kHz频率、38 μH互感和0.15 Ω线圈电阻条件下，谐振近似给出最优交流负载约20.3 Ω，Buck占空比限制为1意味着最大电池侧等效电阻约25.0 Ω，对应84 V下约3.4 A。因此，报告中的电流降至2 A超出了理想Buck模式匹配范围，后期电压调节成功并不证明整个充电循环维持了解析最优。未来部署需考虑通信不完善和耦合变化下的控制与保护，快速电流调节和保护功能应使用本地测量，跨侧反馈需延迟兼容带宽、时间戳验证和过期/丢失数据包的明确响应。线圈位移、温度和元件公差需要在线参数估计和有界参考自适应。直流母线测试安排限制了关于电网整合的结论，实际部署需考虑IEC 61980-1和SAE J2954的适用要求。

研究结论翻译：本文提出了一种面向G2V–V2G感应式无线电能传输的双向最高效率点跟踪（MEPT）框架，明确考虑G2V侧电池充电变化和V2G侧电网需求变化。该架构不将最高效率点视为固定设计目标，而是在每种运行模式下赋予其不同含义：G2V充电期间，次级侧Buck变换器将反射等效电阻保持在R_LηMEP，初级侧Buck变换器独立执行CC–CV调节；V2G放电期间，角色反转，次级侧Boost变换器直接跟踪电网参考输入阻抗Z_{inMEP_grid}，初级侧Boost变换器维持固定电网CV目标。研究人员使用共享PBC结构推导全部四个控制环路，并表征了两侧之间的Wi-Fi链路，通过注入20 ms最坏情况延迟进行压力测试，确认依赖本地测量的效率跟踪环路不受跨侧延迟影响，而CC–CV环路以有界的稳定时间增加为代价容忍该延迟。