无线电力传输（WPT）技术因其固有的优势而受到越来越多的关注，这些优势包括无需电缆连接、用户使用便捷、维护成本低以及高安全性[1,2]。由于消除了对充电电缆的需求，WPT为电动汽车（EVs）的自动充电提供了理想的解决方案。在实际应用中，移动性不可避免地会导致初级线圈和次级线圈之间的相对位移，从而产生错位。这种错位会导致互耦系数的变化和输出功率的显著波动，进而影响功率传输效率和输出稳定性。
为了解决错位问题，已经提出了可重构的补偿拓扑结构，以扩展可实现的耦合范围并减少输出功率波动[[3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]]。通常，这些方法结合了两种具有相反耦合系数趋势的谐振拓扑结构，从而提高了错位容忍度[4]。典型的例子包括S–S和LCC–LCC组合[5]，以及LCC–S和S–LCC配置[6]。
对于给定的补偿拓扑结构，一旦参数确定，相应的传输功率与耦合系数（P–k）曲线就固定下来了。通过调整X–S[7]、S–S[8]、LCC–S[9]和S–SP[10]等拓扑结构的参数，可以稳定P–k曲线的上部区域，并通过在这些拓扑结构之间切换进一步提高错位容忍度[3]。然而，这些方法在固定负载条件下仍然在相对狭窄的耦合范围内表现出显著的功率波动[[3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]]。
具有可重构整流器（半波或全波）的失谐LCC–S/S拓扑结构能够调节等效交流负载，并在0.1–0.4的耦合范围内将输出功率波动降低到大约3%[11,12]。尽管如此，固定的开关频率需要额外的无源元件来扩大耦合范围，这增加了系统的体积和成本。离散频率调节也被证明可以提高错位容忍度[15,16]。在[16]中，引入了一种失谐的多频率补偿拓扑结构，产生了多个交点的P–k曲线；通过在交点切换工作频率，可以在不增加额外元件的情况下扩展稳定的耦合范围。
尽管有这些优势，上述所有方法都依赖于恒定的负载电阻。换句话说，当负载电阻增加时，P–k曲线向右移动；当负载电阻减少时，曲线向左移动，这意味着负载变化不会改变允许的耦合变化范围[3]。因此，这些策略仅适用于负载几乎恒定的WPT系统。此外，工作频率的较大偏差可能会导致系统不一致性、效率降低，甚至出现分岔现象[17]。应该注意的是，现有的方法通常设计为在恒定负载条件和有限的耦合变化范围内实现恒压（CV）或恒功率（CP）输出。因此，它们无法同时提供独立于负载和耦合变化的CV和CP特性。
先前的研究描述了各种方法来确保系统在错位条件下的性能并实现稳定的输出功率。然而，如何在广泛的负载和耦合系数变化范围内保持CV输出并最小化功率波动仍然是一个挑战。将上述方法应用于在谐振条件下保持系统稳定性尤其具有挑战性。由于制造公差和老化效应，电感和电容器经常偏离其标称值，这会增加系统损耗，产生硬开关条件，并降低整体效率[18,19]。
作为一种替代策略，为了保持谐振稳定性、减少错位效应并在WPT系统中提供更大的设计自由度，已经提出了基于开关控制电容器（SCC）技术的可变电容器和电感器[20,21]。SCC概念首次在[22]中提出，并已应用于各种谐振转换器拓扑结构[23]，包括WPT系统[24,25]。在WPT应用中，SCC可以补偿由线圈错位引起的耦合系数变化[[26], [27], [28]]，或者用于实现零电压开关（ZVS）[29,30]。为了在错位条件下提高功率传输能力和整体系统效率，已经报道了几种基于可变电容器的方法[31,32]。在这些方法中，通过控制SCC的占空比来调节电容值，从而在耦合系数变化时有效补偿耦合系数变化[26,27,33,34]。然而，先前的研究存在类似的局限性，例如主要关注LCC–LCC补偿结构，这导致了无源元件数量的增加和系统成本的提高。此外，大多数这些结构使用全波控制的SCC，从而增加了控制复杂性，并使开关承受高电压和电流应力，限制了实际应用。
为了克服这些限制，本文提出了一种新型的LCC–S补偿拓扑结构，该结构利用SCC在高错位和宽负载变化条件下实现CV输出，并将输出功率波动降至大约3%[11,12]。然而，固定的开关频率需要额外的无源元件来扩大耦合范围，这增加了系统的体积和成本。离散频率调节也被证明可以提高错位容忍度[15,16]。在[16]中，引入了一种失谐的多频率补偿拓扑结构，产生了多个交点的P–k曲线；通过在交点切换工作频率，可以在不添加额外元件的情况下扩展稳定的耦合范围。
尽管有这些优势，所有上述方法都依赖于恒定的负载电阻。换句话说，当负载电阻增加时，P–k曲线向右移动；当负载电阻减少时，曲线向左移动，这意味着负载变化不会改变允许的耦合变化范围[3]。因此，这些策略仅适用于负载几乎恒定的WPT系统。此外，工作频率的较大偏差可能会导致严重的系统不一致性、效率降低，甚至出现分岔现象[17]。应当注意的是，现有的方法通常设计为在恒定负载条件下实现恒压（CV）或恒功率（CP）输出，并且在有限的耦合变化范围内工作。因此，它们无法同时提供独立于负载和耦合变化的CV和CP特性。
先前的研究描述了各种方法来确保系统在错位条件下的性能并实现稳定的输出功率。然而，如何在广泛的负载和耦合系数变化范围内保持CV输出并最小化功率波动仍然是一个挑战。在谐振条件下应用上述方法来保持系统稳定性尤其具有挑战性。由于制造公差和老化效应，电感和电容器经常偏离其标称值，这增加了系统损耗，产生了硬开关条件，并降低了整体效率[18,19]。
作为保持谐振稳定性、减少错位效应并在WPT系统中提供更大设计自由度的替代策略，已经提出了基于开关控制电容器（SCC）技术的可变电容器和电感器[20,21]。SCC概念最初在[22]中提出，并已应用于各种谐振转换器拓扑结构[23]，包括WPT系统[24,25]。在WPT应用中，SCC可以补偿由线圈错位引起的耦合系数变化[[26], [27], [28]]，或者用于实现零电压开关（ZVS）[29,30]。为了在错位条件下提高功率传输能力和整体系统效率，已经报道了几种基于可变电容器的方法[31,32]。在这些方法中，通过控制SCC的占空比来调节电容值，从而在耦合系数变化时有效补偿耦合系数变化[26,27,33,34]。然而，先前的研究存在类似的局限性，例如主要关注LCC–LCC补偿结构，这导致了无源元件数量的增加和系统成本的提高。此外，大多数这些结构使用全波控制的SCC，从而增加了控制复杂性，并使开关承受高电压和电流应力，限制了实际应用。
为了克服这些限制，本文提出了一种新型的LCC–S补偿拓扑结构，该结构利用SCC在高错位和宽负载变化条件下实现CV输出，并将功率波动降至最小。在所提出的系统中，通过半波控制的SCC动态调整发射端补偿参数来维持CV输出。与传统的全波SCC结构相比，所提出的半波控制配置降低了电压和电流应力，并且需要的MOSFET数量更少。此外，该拓扑结构实现了最大的功率传输效率，并具有弱感应输入阻抗，这有助于逆变器和SCC的ZVS，同时防止谐振频率偏离，避免分岔。重要的是，这些目标是在遵循简单线圈设计原则和避免复杂控制算法的情况下实现的，从而提高了实际应用和整体系统效率。
本文的主要贡献总结如下：
1)提出了一种自调节的LCC–S补偿拓扑结构，利用SCC在显著错位和负载变化条件下实现CV输出，并将功率波动降至最小。
2)所提出的系统在耦合系数和负载的广泛变化范围内保持高功率因数，同时提供标称输出功率，无需专门的参数识别单元或额外的直流-直流转换器。
3)所引入的半波控制SCC结构相比传统的全波控制SCC方法具有更低的电压和电流应力，并且需要的MOSFET数量更少。
4)所有SCC中的MOSFET都实现了ZVS，从而最小化了开关损耗。
5)瞬态分析证实，在SCC操作过程中有效防止了过电压和过电流。
实验结果验证，在耦合系数范围为0.1到0.4的情况下，输出功率波动限制在1.6%以下，而系统效率保持在84.4%以上，最高达到95.5%。
本文的其余部分组织如下。第2节介绍了失谐LCC–S拓扑的设计原理，强调了稳定和高效运行的基本条件。在此基础上，第3节介绍了所提出的LCC–S拓扑的可重构补偿参数调节方法。第4节描述了实验设置，并对系统的性能进行了全面评估，说明了所提出方法的有效性。最后，第5节总结了主要发现并总结了本文。
