《Energies》：Wireless Charging Technologies for Electric Vehicles: Topologies, Control Strategies, Challenges, and Future Trends
无线功率传输（WPT）已成为电动汽车（EV）充电领域的一项有前景的技术，因为它能够提供便捷、安全且非接触式的能量传输。本论文对无线电动汽车充电系统的最新进展进行了全面综述。讨论了不同的充电架构，包括静态、准动态、动态和双向配置。研究人员对基本和混合补偿拓扑进行了批判性审视，重点分析了其运行特性及对电动汽车应用的适用性。研究人员回顾了各种磁耦合器结构，从传统圆形线圈到双D型、正交型、双极型和多线圈配置，并评估了其耦合性能和偏移容忍度。此外，研究人员对传统、先进和智能控制策略进行了比较分析，包括频率、移相、占空比、模型预测、自适应、滑模、模糊逻辑、人工神经网络和强化学习方法。最后，研究人员强调了主要技术挑战、电磁兼容性与安全问题、经济障碍、新兴技术及未来研究方向。本综述为研究人员和工程师提供了全面参考，并为开发高效、智能和可持续的无线电动汽车充电基础设施提供了见解。
2. 无线电动汽车充电的基础原理与架构
2.1. 无线电动汽车充电系统的通用架构
无线电动汽车充电系统通常由电网侧发射单元和车辆侧接收单元组成，两者通过松耦合的无线链路互连。发射侧，电网电源经前端AC/DC变换器和高频逆变器处理后，为初级补偿网络和发射线圈供电。接收侧包括接收线圈、次级补偿网络、整流器和电池侧DC/DC变换器，根据电池充电需求调节传输功率。补偿网络用于建立谐振，提升功率传输能力和效率。此外，现代无线充电系统还集成了通信和反馈通道，用于功率调节、电池管理和系统协调，确保在变化负载和耦合条件下的安全可靠运行。
2.2. 无线功率传输的原理与分类
无线功率传输（WPT）通过电场、磁场或电磁场实现非接触能量传输，无需直接导电连接。根据传输机制和工作距离，WPT技术分为近场和远场两类。近场技术采用非辐射耦合，是大多数实用无线充电系统的基础；远场方法利用辐射电磁波进行远距离能量传输。
2.2.1. 近场无线功率传输
近场无线功率传输技术的工作距离小于一个波长，是现代无线电动汽车充电系统的基础。典型气隙范围为150至300 mm。主要近场方法包括电容式功率传输（CPT）、感应式功率传输（IPT）和磁谐振耦合（MRC-WPT），它们具有不同的耦合机制、功率能力和运行特性。
感应式功率传输（IPT）依靠磁耦合线圈间的电磁感应，是电动汽车最早的无线充电技术之一。传统IPT系统通常在10至50 kHz工作，效率可超过90%。但IPT在气隙增大时效率迅速下降，并面临线圈设计、电磁屏蔽、异物检测和高频变换器等方面的挑战。
电容式功率传输（CPT）利用导电板之间的电场耦合传输能量，工作频率通常在100–600 kHz。CPT结构简单、成本低、电磁干扰小，但空气的低介电常数限制了耦合电容，从而使传输距离和功率水平受限。目前CPT系统功率水平通常低于7 kW，需要较小气隙才能达到可接受效率。
磁谐振耦合（MRC-WPT）通过引入谐振补偿网络提升传统IPT的传输能力和效率。在商用电动汽车充电应用中，IPT和MRC系统通常设计符合SAE J2954工作频段（79–90 kHz，标称85 kHz）。与IPT相比，MRC-WPT提供更远的传输距离、更高的功率水平和更好的偏移容忍度，已成为最广泛采用的无线电动汽车充电技术。实际系统通常在10–150 kHz工作，耦合系数在0.2–0.3之间。使用铁氧体和利兹线导体可改善磁耦合并降低高频损耗。近年来已实现超过100 kW的功率传输，效率接近90%。
2.2.2. 远场无线功率传输
远场无线功率传输技术利用传播电磁波，理论上可实现从数倍波长到更大范围的能量传输。代表性方法包括激光功率传输（LPT）、微波功率传输（MPT）和射频功率传输。
激光功率传输（LPT）利用谐振光学光束（通常高达359 THz）从分布式激光充电发射器向接收器传输能量。激光充电需要直接视线路径，信号中断即终止功率传输，并需要复杂跟踪机制和大天线结构。
微波功率传输（MPT）与激光充电有许多相似之处，技术成熟度更高。早期实验成功在1.54 km距离上传输30 kW，峰值效率85%。尽管有进展，微波充电系统仍受限于视线要求、大天线尺寸和复杂波束跟踪机制。
此外，电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）是无线电动汽车充电系统的重要考虑因素。高频磁场可能干扰附近电气电子设备，而邻近电力电子变换器的电磁发射也可能影响充电器性能。因此，需要采用适当的屏蔽技术、补偿网络优化、滤波、接地和系统布局。
2.3. 无线电动汽车充电系统的架构
无线电动汽车充电系统根据充电场景和车辆运动分为静态、准动态、动态和双向配置。
2.3.1. 静态无线充电
静态无线充电（SWC）是最成熟、部署最广泛的架构，车辆停在住宅、工作场所或公共停车场的地面嵌发射垫上方进行能量传输。SWC通常采用谐振感应功率传输，使用SS或LCC补偿网络。在SAE J2954兼容条件下，3.6–11 kW功率水平、10–25 cm气隙和-15 cm横向偏移容忍度下，效率可达90–93%。静态无线充电已在商用车辆中实现，如BMW 530e和Genesis GV60，Volvo也在哥德堡进行了出租车车队的静态无线充电试点。
2.3.2. 准动态无线充电
准动态无线充电（QDWC）扩展了SWC，可在短暂停车或低速运行期间（如交通路口、公交车站、出租车停靠点）进行功率传输。QDWC需要在车辆与基础设施控制器之间快速建立功率和通信，并为成本效益方案。针对城市电动公交网络的优化研究表明，合理布置发射器并集成光伏-电池可降低总运营成本。QDWC在固定路线运营的电动公交车中具有吸引力，可减少车载电池容量需求并延长续航里程。
2.3.3. 动态无线充电
动态无线充电（DWC）通过激励道路中嵌入的连续发射线圈，在车辆行驶过程中持续传输功率。DWC可减少电池容量需求、车辆重量和里程焦虑。但不断变化的耦合条件对补偿网络和磁耦合器设计提出了重大挑战。分段式DWC系统集成光伏发电和电池储能可降低电网峰值负荷。基础设施成本是主要障碍，当前实施主要限于试点项目，如底特律和特隆赫姆。
2.3.4. 双向无线充电
双向无线充电（BWC）支持电网到车辆（G2V）和车辆到电网（V2G）运行，使电动汽车可作为分布式能源资源提供削峰、调频、电压支持和旋转备用等服务。双向运行需要四象限变换器以及初级和次级电压之间相位关系的主动控制。电池退化、通信标准化和四象限电力电子成本是重要挑战，推动了先进电池管理系统、ISO 15118通信协议和宽禁带半导体器件的研究。
3. 无线电动汽车充电的拓扑结构
3.1. 补偿网络拓扑
补偿网络在谐振无线功率传输系统中不可或缺，它们提供松耦合线圈所需的无功功率并建立谐振条件。合适的补偿设计可降低初级变换器的视在功率需求、抑制无功功率循环并实现软开关，从而提高系统效率。补偿网络还有助于减轻频率分裂、负载变化、耦合波动和线圈偏移的影响，并支持恒流/恒压输出和双向功率传输。
3.1.1. 基本补偿拓扑
经典的一元件补偿网络包括串联-串联（SS）、串联-并联（SP）、并联-串联（PS）和并联-并联（PP），构成谐振无线功率传输系统的基础。SS拓扑因谐振频率几乎不受负载和耦合变化影响而备受关注，非常适合电动汽车和动态充电应用。SS补偿在谐振时具有输出电流对负载变化不敏感的特性，并支持零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）。SP拓扑需要较低的次级电感值，但初级电容需求较大。PS和PP拓扑在弱耦合条件下具有更好的效率和更宽的负载及耦合变化容忍度，但PP配置通常因两侧并联补偿而功率因数较低。由于每种拓扑具有不同的电压-电流特性、耦合灵敏度和软开关能力，研究探索了串联和并联补偿的最优组合。
3.1.2. 混合补偿拓扑
为克服基本补偿网络的局限性，开发了多种混合拓扑，如LCC-LCC、CCL-LC、LC-LC、LCL-LCCL、LCC-S、SP-S、P-PS和S-SP。LCL补偿因其负载无关特性和宽工作范围内保持单位输入功率因数的能力而受到关注。双面LCL和CLCL结构可减少负载和耦合变化对谐振特性的影响。双面LCC补偿得到广泛研究，辅助电感比主线圈电感小，可支持零电压开关，提高对耦合和负载变化的鲁棒性。混合拓扑如LCL-LCL和LCC-LCC在宽负载和耦合范围内保持高效率，但额外元件引入寄生损耗、成本和控制复杂性。总体上，混合拓扑提供更好的软开关能力、操作灵活性和参数变化鲁棒性，其中双面LCC补偿已成为高功率无线电动汽车充电最有前景的方案之一。
3.2. 磁耦合器
磁耦合器是无线功率传输系统中最关键的部件之一，其功率传输能力和效率主要由线圈的耦合系数和品质因数决定。研究集中于开发具有增强耦合能力、减少漏磁通和改善偏移容忍度的线圈结构。圆形垫因其结构简单、制造方便而被广泛采用，但耦合系数和偏移容忍度有限。矩形线圈提供更大的有效磁通面积，常用于动态充电轨道。双D型（DD）垫可增强磁耦合并抑制漏磁通。双D正交型（DDQ）配置通过加入正交线圈改善多方向偏移容忍度，但增加了整体尺寸。双极型垫（BP）由部分重叠线圈组成，提供与DDQ相当的耦合性能，但铜用量减少25–30%。多线圈配置（如三极型垫）可改善旋转对齐能力，但需要多个独立逆变器和更复杂的控制方案。近年来，Fe基纳米晶合金因其高饱和磁通密度、高磁导率、优异热性能和机械柔性，在磁屏蔽材料中显示出优势，可实现更紧凑的磁耦合器设计。
3.3. 无线电动汽车充电系统的电力电子变换器拓扑
3.3.1. 前端AC/DC变换器
前端AC/DC变换器提供电网接口、功率因数校正（PFC）和谐波抑制。传统升压PFC整流器被广泛采用，采用GaN和SiC器件的图腾柱PFC变换器提供更高效率和功率密度。多脉冲整流器拓扑（如十二脉冲、二十四脉冲和四十八脉冲）可显著降低总谐波失真。
3.3.2. 高频逆变器拓扑
全桥和半桥逆变器是最广泛采用的拓扑，半桥多支路逆变器配置可用于动态无线充电系统。谐振逆变器拓扑（如Class-D、Class-E和Class-DE）在高工作频率下表现出优异的开关性能。GaN基Class-E逆变器在13.56 MHz时系统效率约78%，GaN基多电平H桥逆变器效率超过98.5%。
3.3.3. 次级侧整流器拓扑
被动二极管桥式整流器因其简单和低成本而受欢迎，电流驱动型Class-DE全桥整流器采用零电压和零导数开关可减少补偿网络中的无功功率。主动和同步整流技术提高转换效率并支持双向V2G操作。
3.3.4. DC-DC变换器级
DC-DC变换器级根据电池需求调节充电电压和电流。非隔离型降压、升压和升降压变换器常用于低中功率应用。对于高功率和双向无线充电系统，隔离型变换器拓扑如LLC谐振变换器和双有源桥（DAB）变换器提供电气隔离和双向功率传输能力。
4. 无线电动汽车充电系统的控制策略
无线电动汽车充电系统的性能在很大程度上取决于所采用的控制策略，该策略必须在变化的负载条件、电池状态、耦合系数和线圈偏移下维持稳定的功率传输。传统控制器提供简单可靠的调节，先进和智能方法则提供改进的动态性能和适应性。
4.1. 传统控制策略
4.1.1. 频率控制
频率控制通过调整逆变器开关频率跟踪谐振，补偿耦合系数、负载或元件容差引起的变化。各种频率跟踪和自调谐方案已用于LCC补偿系统。频率控制易受频率分裂影响，并受限于SAE J2954规定的窄工作频带。
4.1.2. 移相控制
移相控制通过调节初级和次级变换器之间的相位差来调节功率传输。单移相（SPS）、双移相（DPS）和三移相（TPS）方案提供更多自由度以提高效率和扩展零电压开关范围。
4.1.3. 占空比控制
占空比控制因其简单易实现而被广泛用于无线电动汽车充电系统的恒流/恒压充电。双极占空比控制、PWM充电策略、可重构补偿网络和负载无关充电方案被提出。尽管占空比控制实施复杂度低，但过度的占空比变化可能引入额外谐波和开关损耗。
4.2. 先进控制策略
4.2.1. 模型预测控制
模型预测控制（MPC）通过预测未来系统行为并在有限时域内优化控制动作，展现优越的动态响应和效率优化能力。但MPC计算复杂度较高，可能需要高性能嵌入式处理器。自适应和灰优化MPC方案进一步改善了对线圈偏移和参数变化的容忍度。
4.2.2. 自适应控制
自适应控制策略广泛用于处理互感和负载条件变化。能量注入和粒子群优化技术用于在线参数识别和零相位角恢复，无辅助通信的初级侧参数识别方法被开发。自适应补偿使用可变无功元件，如组合可变电感和电容，以改善弱耦合性能。
4.2.3. 滑模控制
滑模控制（SMC）因其对参数不确定性和外部干扰的固有鲁棒性而受到关注。超螺旋和高阶SMC方案可改善效率跟踪和动态性能，同时减轻抖振。快速终端SMC用于LCC-S补偿系统以实现有限时间收敛。
4.3. 智能控制策略
4.3.1. 模糊逻辑控制
模糊逻辑控制（FLC）因其无需精确数学模型即可处理非线性行为的能力而被广泛研究。FLC用于脉冲密度调制和开关频率调节，实现双向WPT系统的功率流管理。混合模糊PID和模糊MPC策略改善充电性能、电池热管理和电网支持能力。
4.3.2. 人工神经网络
人工神经网络（ANN）因其非线性逼近能力和数据驱动学习特性在无线电动汽车充电中受到关注。ANN用于参数识别（如互感、耦合系数、品质因数）和系统优化。ANN辅助线圈设计和补偿优化结合元启发式算法可最大化效率、耦合系数和电磁兼容性。
4.3.3. 强化学习
强化学习是下一代无线充电系统最有前景的方向之一。深度强化学习已应用于谐振变换器的频率调节，相比手动调谐控制器具有更好的鲁棒性和瞬态响应。数据驱动RL算法用于变换器控制和电动汽车充电管理，无需精确数学模型。
5. 挑战与未来趋势
无线电动汽车充电系统的大规模部署受技术限制、安全要求、经济考虑、新兴技术和未来研究趋势的综合影响。
5.1. 技术挑战
主要技术挑战包括线圈偏移、耦合变化、效率降低和热管理。线圈偏移降低互感和耦合系数，恶化功率传输。有限元研究表明纵向位移、横向偏移和气隙变化显著影响磁耦合。热管理在高功率系统中尤为重要，铜损和铁氧体芯损耗产生大量热量，微通道冷却、相变材料和浸没冷却技术被探索。
5.2. 电磁兼容性与安全
85 kHz左右的工作频率带来电磁兼容性和安全问题，须满足SAE J2954和IEC 61980等标准。磁屏蔽对于减少杂散磁场并符合ICNIRP指南至关重要。混合铁氧体-铝屏蔽结构可减少屏蔽损耗。异物检测（FOD）是另一关键需求，金属物体在垫间可能过度发热，电磁检测技术和基于机器学习的方法实现了高检测精度。
5.3. 经济与基础设施挑战
商业化受高安装成本、基础设施复杂性、标准化和互操作性以及电网集成的影响。大规模部署需要大量投资，基础设施复杂性来自多个子系统的集成。不同标准（SAE J2954、IEC 61980、GB/T 38775）的共存带来互操作性挑战。电网集成需考虑谐波失真和峰值负荷波动。
5.4. 新兴技术
宽禁带半导体器件（SiC和GaN）因低开关损耗、高击穿电压和优异热性能而成为关键使能技术。GaN基双向车载充电器实现紧凑尺寸和高开关速度。兆瓦级无线充电系统正被研究用于重型车辆、电动公交车和商用运输。人工智能在功率变换器控制中日益重要，深度强化学习等数据驱动方法可在无精确模型下优化变换器运行。
5.5. 未来研究方向
动态无线充电可减少电池尺寸和里程焦虑，可再生能源辅助动态充电系统结合光伏和电池储能显示出前景。自主充电系统使自动驾驶车辆无需人工干预即可定位并对齐充电垫。V2G技术将电动汽车转变为分布式能源资源，支持电网稳定和峰值负荷管理。AI和物联网将在未来充电生态系统中发挥核心作用，AIoT框架利用机器学习、云计算和标准化通信协议实现智能充电调度、需求预测、异常检测和协调能量管理。
6. 结论
无线功率传输技术已成为下一代电动汽车充电的有前景解决方案。本文全面综述了无线电动汽车充电技术，涵盖无线功率传输基础原理、系统架构、补偿网络、磁耦合器结构和控制策略。讨论了静态、准动态、动态和双向充电配置，分析了不同补偿拓扑和磁耦合器设计。还审视了传统、先进和智能控制方法。尽管取得显著进展，线圈偏移、耦合变化、效率降低、热管理、电磁兼容性、异物检测、基础设施成本和互操作性仍是重要挑战。宽禁带半导体器件、高频变换器、兆瓦级充电系统和人工智能控制方法等新兴技术将在未来发展中发挥关键作用。无线电动汽车充电正从传统静态充电向高效、自主和电网交互基础设施快速演进。
