基于论文摘要提炼的专业标题： 面向功率半导体器件数量缩减的电动汽车动态无线充电系统设计与实现

《Wireless Power Transfer》：Dynamic charging system with reduced power semiconductor device count

　　

本文提出了一种经济高效的电动汽车（EV）动态无线充电（DWC）系统，该系统能够在不过度增加半导体器件与无源元件数量、不建立地面与车载装置之间实时通信链路、且不牺牲接收端功率密度的前提下，实现向接收端充足且连续的电能传输。该系统采用单个高频逆变器（HFI）与串联无功补偿器（SRPC）配置，为多个由轨道式磁耦合器与串联补偿电容构成的谐振回路供电，同时集成的交流开关（ACS）子系统实现对各谐振回路的选择性激活。SRPC的引入有助于抑制充电功率波动，并实现HFI功率器件的零电压开关（ZVS）转换。研究人员利用ANSYS MAXWELL平台开展广泛的有限元分析（FEM）测试，以对提出的耦合器进行明确设计，旨在最小化总体铺设成本。此外，研究人员在MATLAB/Simulink与PLECS软件平台上开展了综合协同仿真研究，以获取稳态与动态结果，从而验证所提系统的有效性与平稳运行特性。同时，研究人员还进行了功率损耗分析及PLECS热仿真研究，以评估该动态电动汽车充电器的性能。

研究背景与问题提出

近年来，公众对传统车辆环境影响的关注日益增强，推动了电动汽车（EV）在交通市场渗透率的提升以及EV充电基础设施的扩展建设。在此背景下，动态无线充电（DWC）系统允许EV在行驶过程中拾取电能，成为解决EV续航里程受限问题最具挑战性且最有前景的方案之一。DWC系统设计的主要目标是向EV提供充足且连续的电能，同时最小化整体安装成本。现有研究中，分段式拓扑结构（即尺寸与接收线圈相近的绕组阵列）虽能保证较好的耦合条件，但每段线圈均需配备独立的高频逆变器（HFI），导致总电缆长度和变换器模块数量过度增加。为降低成本，已有研究采用稀疏铺设的发射线圈、中继线圈结构、软开关HFI、可切换电感耦合连接器及推挽式逆变器等方法，但多数方案未能充分解决铺设成本问题，或存在输出功率波动显著、需要复杂线圈布局、依赖实时通信链路等缺陷。此外，除少数研究外，多数方案缺乏无需通信链路的车辆检测方法以实现发射线圈的选择性激活。

研究内容与结论

针对上述问题，研究人员提出了一种成本高效的DWC系统。该系统由一系列轨道式耦合器组成，每个耦合器配备串联补偿电容，单个HFI为多个发射器供电，显著减少了所需半导体器件数量。与现有技术相比，该系统铺设成本极低，并确保HFI器件的软开关转换，同时有效抑制充电功率波动，且无需额外无源元件或牺牲接收端紧凑设计，并具备基于接收端位置的车辆检测系统以实现发射器的选择性激活。系统包含两种运行模式：当EV与某发射器（T_x）之间的互感较高时，仅该发射器被激活（单独运行模式，SOM），此时SRPC作为虚拟感性阻抗，实现HFI功率器件的ZVS转换；当车辆移向相邻绕组（T_x+1）时，两个发射器串联激活（串联运行模式，ISOM），SRPC作为虚拟容性阻抗，抑制充电功率脉动。研究通过有限元分析（FEA）优化磁耦合器设计，确定发射器绕组长度为1.5 m、匝数为6时，可在满足所需互感值（13 μH）的同时最小化总利兹线长度（每公里道路16 km）。通过MATLAB/Simulink与PLECS协同仿真验证了系统稳态与动态性能：SOM中SRPC的引入使HFI输出电压与电流相位差从0°增至10°，实现ZVS且不降低传输功率；ISOM中相位差从49°降至11°，传输功率从6.8 kW提升至11.2 kW（接近额定值11.5 kW）。功率损耗分析与PLECS热仿真评估了系统效率与器件热性能。

关键技术与方法

研究人员采用的主要技术方法包括：基于ANSYS MAXWELL的有限元分析（FEM）用于磁耦合器优化设计；MATLAB/Simulink与PLECS协同仿真平台用于系统级电路与控制策略验证；基于瞬时功率理论的SRPC控制策略；基于发射器有功功率监测的车辆位置检测与ACS子系统控制方法。

研究结果

磁耦合器设计：通过FEA仿真确定发射器绕组长1.5 m、6匝，接收绕组500×500 mm、12匝，发射器节距22 mm、接收节距10 mm，满足功率传输需求（11.5 kW）且补偿电容峰值电压不超过2.5 kV。磁场分布仿真表明，距接收线圈中心800 mm处磁场强度低于31 μT，满足电磁安全要求。互感特性分析显示，当接收器从当前发射器移向下一个发射器时，互感急剧下降，通过ACS子系统将相邻绕组串联激活（ISOM），可维持等效互感为13 μH，抑制功率波动。

SRPC运行验证：稳态仿真结果表明，SOM中SRPC作为虚拟电感，使HFI实现ZVS转换，且不降低传输功率；ISOM中SRPC作为虚拟电容，有效抵消相邻发射器间交叉耦合的不利影响，将传输功率从6.8 kW提升至11.2 kW。功率损耗分析显示，HFI开关损耗主要由关断损耗和体二极管反向恢复损耗构成，SRPC采用GaN器件以降低开关损耗。

ACS子系统控制：通过监测各发射器的有功功率平均值实现车辆位置检测，当有功功率超过上限（UL）时进入ISOM，低于下限（LL）时切换至下一发射器（SOM）。开关切换在电流过零时执行，实现零电流开关（ZCS），降低开关损耗并避免过电压。

讨论与结论

研究通过系统级仿真验证了所提DWC系统在稳态和动态条件下的有效性与平稳运行特性。该系统以单个HFI与SRPC对供电多个发射器，显著降低了半导体器件数量与铺设成本，同时实现ZVS软开关、抑制充电功率波动，并具备无需通信链路的车辆检测能力。功率损耗分析与热仿真进一步证实了系统在实际应用条件下的可行性与性能。该研究为电动汽车动态无线充电系统的成本优化与性能提升提供了有效的技术方案。