基于工作模式切换的感应式电力传输系统抗失步方法 周宇、 李一菲、 欧阳建全

《World Electric Vehicle Journal》：An Anti-Misalignment Method for Inductive Power Transmission System Based on Working Mode Switching You Zhou, Yifei Li and Jianquan Ouyang

（<110字） 为解决感应电能传输（IPT）系统中线圈偏移导致输出功率波动大、稳定性差的问题，本研究提出一种基于工作模式切换的开环控制方法。通过协调逆变器开关频率与初级侧失谐度，在耦合系数k=0.23~0.50范围内，将输出功率波动抑制在4.5%以内，传输效率达91.7%，显著提升了系统的抗偏移特性。

　　

5. 论文解读（电气工程视角）

研究背景：无线充电的“停车难”痛点

随着智能手机、电动汽车（EV）及电动自行车充电的普及，感应电能传输（Inductive Power Transfer, IPT）技术因其便捷性而备受关注。然而，在实际应用中，尤其是在电动自行车等场景下，由于停车位置不精确，发射线圈（固定在路面）与接收线圈（安装在车底）之间极易发生横向偏移（Misalignment）。这种偏移直接改变了线圈间的耦合系数（k），导致系统输出功率剧烈波动，严重影响充电效率与电池寿命，甚至可能引发系统失稳。

现有的解决方案主要分为三类：控制策略（如加入DC-DC转换器或采用相移控制）、耦合结构优化（如DDQ、TP线圈）以及补偿拓扑优化（如LCC-LCC、S-S混合拓扑）。然而，这些方法各有弊端：添加硬件会增加系统体积与成本；复杂的线圈结构设计缺乏灵活性；而混合拓扑则引入了过多的无源元件，导致系统笨重。因此，如何在不显著增加系统复杂度的前提下，实现宽耦合范围内的稳定输出，成为亟待解决的问题。

技术方法概要（<250字）

本研究基于S-S（串联-串联）补偿拓扑的IPT系统，提出了一种工作模式切换的开环控制策略。关键技术包括：1）双模式逆变器控制：通过改变开关管（S₁-S₄）的导通逻辑与频率，使系统在“初级侧感性失谐+次级侧谐振”与另一种特定模式间切换，生成两条互补的输出功率曲线；2）参数设计：基于基波谐波近似（FHA）法建立等效电路模型，推导输出功率与耦合系数、失谐度的关系，指导补偿电感（L_X）与电容（C₁, C₂, C_X）的参数设计；3）实验验证：搭建600W实验样机，在负载R=10.4Ω条件下，测试耦合系数在0.23至0.50变化时的性能。

研究结果

2. 电路分析与工作模式机理

通过调整逆变器开关频率（f₁, f₂）及开关管导通模式（如模式I中S₂、S₃常通，S₁、S₄交替导通），系统可工作在两种不同的输出特性下。理论分析表明，通过协调频率与初级侧失谐因子，可以构造出两条随耦合系数变化趋势不同的功率曲线。当实际偏移导致耦合系数变化时，控制器通过实时监测输出功率，动态切换至能维持功率稳定的那条曲线，从而实现“曲线切换”式的抗偏移控制。

3. 抗偏移特性分析

研究表明，所提方法能有效拓宽系统的稳定工作区间。在耦合系数k从0.23（严重偏移）变化至0.50（对准良好）的宽范围内，系统无需复杂的闭环PID调节，仅通过预设的模式切换逻辑，即可将输出功率的波动幅度控制在极低水平。

4. 实验验证与性能对比

实验结果显示：在10.4Ω负载下，当耦合系数在0.23~0.50区间变化时，采用所提模式切换方法的系统输出功率波动率仅为4.5%，且传输效率高达91.7%。这一性能显著优于传统的单一拓扑或固定参数系统，证明了该方法在保持高效率的同时，具备极强的抗偏移鲁棒性。

结论与意义

本研究证实，基于工作模式切换的开环控制策略，能够有效解决IPT系统因线圈偏移引起的功率不稳定问题。该方法无需额外的DC-DC转换器，也无需复杂的四线圈结构，仅通过优化控制逻辑与参数设计，即可在宽耦合范围内实现高效稳定传输。这对于电动汽车无线充电、电动自行车标准化充电桩等对空间与成本敏感的应用场景具有重要的工程价值，为IPT技术的商业化推广提供了一种简洁高效的解决方案。