（华南理工大学电力学院广州510641）
关键词：电动汽车静态无线充电磁耦合结构系统建模鲁棒性控制
典型的电动汽车静态无线充电系统结构如图1所示[2]，包括电力电子变换器、原边补偿网络、发射线圈、接收线圈、副边补偿网络、高频整流滤波电路和电池负载等部分。近年来，国内外学者和研究机构对基于磁场耦合式的电动汽车静态无线充电技术已开展了大量的研究，然而，随着研究的深入，仍有许多关键问题需要解决。本文详细分析了基于磁场耦合式电动汽车静态无线充电的关键技术，主要包括磁耦合机构、补偿网络及其特性、电力电子变换器以及系统建模与优化控制等方面，并指出了电动汽车静态无线充电技术亟待解决的问题，为电动汽车静态无线充电技术未来的研究提供方向。
图1典型电动汽车无线充电系统结构
Fig.1TypicalwirelesschargingsystemforEV
磁耦合机构是无线充电系统中原、副边能量耦合的关键元件，当前磁耦合机构的研究主要侧重在提高线圈之间耦合、提高抗偏移能力、减小线圈体积、减少成本等方面。对于磁耦合机构的研究，国外主要有新西兰奥克兰大学、美国橡树岭国家实验室、韩国高等科学技术学院、日本琦玉大学、密歇根大学等研究机构。
图2奥克兰大学提出的线圈结构
Fig.2ThecoilstructuresproposedbytheUniversityofAuckland
韩国高等科学技术学院团队在2014年提出了三线圈的耦合机构[10]，如图3a所示。该结构的特点是发射线圈由两个嵌套的线圈构成，即在大线圈内嵌套一个小线圈，增加的小线圈一方面增强了发射线圈和接收线圈之间的耦合程度；另一方面可以避免频率分裂现象。文献[10]提出的磁耦合机构的发射线圈大线圈的谐振频率为85kHz，小线圈的谐振频率为110kHz，接收线圈的谐振频率为85kHz，系统开关频率设置为100kHz，通过这样的设置有效避免了频率分裂，实现了能量的高效传输，传输效率高达95.57%。同年ChunT.Rim教授团队提出了大小线圈（asymmetricalcoils），如图3b所示，提高了线圈的抗偏移能力[11]，但此结构体积较大。除静态无线充电用线圈外，韩国高等科学技术学院团队对电动汽车动态无线充电用线圈也进行了很深入的研究[12-15]。
图3韩国高等科学技术学院提出的线圈结构
Fig.3ThecoilstructuresproposedbyKoreaAdvancedInstituteofScienceandTechnology
另外日本埼玉大学在2012年提出了H型线圈如图4所示[16-17]。H型线圈结构磁场分布在线圈两侧，该线圈的主要优势为结构紧凑，偏移容忍度高，但此结构与Fluxpipe型一样，都属于双边绕组[2]，存在较大的漏磁，而且H型线圈用铜量也很大，不利于系统效率的提高。密歇根大学ChrisMi教授团队在2015年研究了磁心的形状、位置数量对DD型线圈和矩形线圈耦合系数的影响，并分析了线圈位置正对和存在偏移时，DD型线圈和矩形线圈的兼容性[18]。该团队还分析了系统工作时线圈漏磁的情况，并建立了模型。
图4H型线圈结构
Fig.4TheH-shapedcoilstructure
国内针对静态无线充电系统的磁耦合机构也开展了较多的研究，如图5所示。2015年，重庆大学孙跃教授团队在DD型线圈的基础上设计了一种DLDD（doublelayerdoubleD）型线圈，即双层DD型线圈的线圈结构，并设计了相应的磁心结构[19]，哈尔滨工业大学朱春波教授团队设计了平面W形磁耦合机构[20]，天津工业大学杨庆新教授团队设计了盘式并绕线圈[21]。东南大学黄学良教授团队提出了一种平面盘式圆形线圈的优化与设计方法，综合考虑了线圈的半径、匝数以及谐振频率等因素[22]。
图5国内各高校、研究机构的磁耦合机构
Fig.5Themagneticcouplersproposedbydomesticuniversitiesandresearchinstitutions
表1总结了常用磁耦合机构的优缺点[3-6,8,23-24]，旨在为电动汽车静态无线充电系统磁耦合机构的研究提供一定的指导。总体上，相比于单线圈结构，多线圈结构在抗偏移、传输距离等方面更具优势，但相应的也会增加用铜量，结构和控制等也更为复杂；相比于单边绕组结构，螺线管型等双边绕组，磁场利用率较低、漏磁较大，会导致系统效率的降低[25]，可根据具体应用场合选择合适的磁耦合机构。
无线充电系统中由于传输线圈之间耦合小，通常需要加入补偿网络又称谐振网络以改善系统特性。补偿网络的选择需要考虑以下几点[26]：
（1）系统性能。加入补偿网络的主要目的就是要减小输入视在功率、提高系统传输效率和输出功率。
（2）负载特性。根据需求实现系统输出电压或电流与负载解耦，即具有恒流或恒压特性。
（3）系统稳定性。在强耦合区域内，磁场式无线充电系统中存在频率分岔现象，即在等效输入阻抗虚部为零对应的角频率存在多值现象，若采用零相位控制，即输入阻抗为纯电阻的控制方式，在系统参数变化的情况下，会出现控制器在多个角频率之间跳变，系统无法稳定工作，而系统稳定条件取决于负载品质因数和补偿网络。
（4）抗干扰能力。补偿网络参数与耦合系数、负载之间的关系。
表1主要磁耦合机构特性
Tab.1Thecharacteristicsofmagneticcoupler
目前根据谐振电容与谐振电感的连接方式，主要有串联（Series,S）补偿，并联（Parallel,P）补偿，串并联（LCL）以及在此基础上衍生的补偿网络。基本的补偿结构有四种（SS、SP、PS、PP），如图6所示，图中M为线圈之间的互感；L1、R1、L2、R2分别为发射线圈、接收线圈的电感和等效内阻；C1、C2分别为原边和副边的补偿电容；RL为等效负载电阻；vs为正弦电压源。已有大量文献对四种基本补偿结构的参数设计、特性和系统稳定性等方面进行了全面的分析[26-33]。设系统的工作频率为w，表2给出了在无功全补偿情况下（即无论接收线圈采用串联补偿还是并联补偿结构，接收线圈补偿电容都设计满足谐振条件，再使系统输入阻抗满足纯电阻特性）原边谐振电容和输入阻抗的表达式。
图6四种基本补偿网络
Fig.6Thefourbasiccompensationnetworks
表2基本补偿网络特性
Tab.2Thecharacteristicsoffourbasiccompensationnetworks
拓扑类型原边补偿电容C1输入阻抗SSSPPSPP
由表2可得以下结论：
（1）SS型补偿结构。原边补偿电容C1的值与线圈之间的互感和负载无关，可用于原、副边存在相对运动的场合，且即使在耦合系数较小情况下也能实现能量的高效率传输，但在轻载或空载时，SS型输入阻抗仅为原边线圈的寄生电阻，存在潜在危险。
（3）PP和PS补偿结构。原边补偿电容C1既受原、副边线圈耦合系统的影响，同时也受负载的影响，因此原边采取并联补偿的拓扑结构更适合于原、副边相对静止且负载相对固定的系统。
针对频率分岔现象，表3给出了在四种基本补偿网络下系统稳定的条件，表3中w0为线圈的固有频率[27]。
表3四种基本补偿网络下系统稳定条件
Tab.3Systemstabilityconditionsunderfourbasiccompensationnetworks
SSSP/PPPS
另外根据输入电源种类的不同，即电压源（Voltage,V）或电流源（Current,I），又可将四种基本电路拓扑分为八类，分别为I-SS、I-SP、I-PP、I-PS、V-SS、V-SP、V-PP、V-PS拓扑，文献[26]对八类特性进行了详细分析。表4给出了考虑不同指标时，八类拓扑的最优工作频率w，表4中，Q1=wL1/R1，Q2=wL2/R2分别为发射线圈和接收线圈的品质因数，QL为负载品质因数，当采用串联补偿时QL=wL2/RL，当采用并联补偿时QL=RL/wL2。由表4可知，系统工作在最大传输效率，当线圈品质因数远大于1时，八类拓扑工作频率都为副边谐振频率w2；当输入为电流源时，最大传输效率与最大输出功率的工作频率相同，都为副边谐振频率w2，而在输入为电压源时，V-PP、V-PS拓扑最大输出功率工作在其他频率。此外文献[26]也考虑了八类拓扑在不同指标下，最优工作频率对耦合系数的敏感度，对于最大传输效率而言只有I-SS、I-PS、V-SS、V-PS拓扑的工作频率完全不受耦合系数影响，对于最大输出功率I-SP、V-SS、I-SS拓扑工作频率对耦合系数不敏感，此外在恒压输出下耦合系数对I-SS拓扑最优工作频率无影响，在恒流输出下I-SP、I-PS、V-SS拓扑工作频率跟耦合系数无关。
表4八种基本拓扑结构考虑不同目标下的最优工作频率
Tab.4Theoptimaloperatingfrequencyofeightbasictopologiesunderconsideringthedifferenttargets
指标最大传输效率最大输出功率①恒流输出①恒压输出①I-SS②④不存在I-SP③不存在I-PS②I-PP③V-SS②V-SP②V-PS②不存在V-PP③不存在
注：。①：忽略线圈内阻；②：；③：；④：。
图7高阶补偿网络
Fig.7Thehigh-ordercompensationnetworks
图8LCC补偿网络等效电路
Fig.8TheequivalentcircuitofLCCtopology
表5[38,41,48-49]列出了在输入电压、互感M恒定并忽略线圈内阻的情况下，各种补偿网络的输出特性及工作条件。不同的补偿拓扑有其各自的优缺点，对系统的传输特性影响也各不相同，可根据负载的充电需求选择合适的拓扑结构以获得更好的传输性能。
表5补偿网络输出特性及其工作条件
Tab.5Theoutputcharacteristicsandworkingconditionsofcompensationnetwork
补偿网络工作条件输出电流输出电压输出特性SS恒流SP恒压
（续）
补偿网络工作条件输出电流输出电压输出特性S-LCL恒压LCL-S恒压LCL-P恒流LCL-LCL恒流LCC-LCC恒流
注：V为输入正弦交流电源有效值。
在大多数工业应用场合，通常只能获得工频的交流电，所以对于电动汽车无线充电系统而言，功率变换器需要把50/60Hz的交流电变换成几十kHz的高频交流电。主要有两种实现方式：
（1）通过两级变换器级联。首先将50/60Hz的交流电整流成直流电，再通过高频逆变器将直流电转变成高频交流电，即AC-DC-AC，此种方式容易控制输入电流，实现单位功率因数，但变换器级联数增加，效率降低。
（2）通过单级变换器。直接实现50/60Hz交流电到高频交流电的转变，即AC-AC，此种方式主要的难点在于需要通过一级变压器实现多目标的控制，包括负载功率需求、输入侧功率因数校正、逆变器软开关等，优点则是去掉了直流侧的大电容、减少了开关器件，提高了系统效率。
目前AC-DC-AC变换器仍是电动汽车无线充电系统中应用最为广泛的结构，图9是典型的电动汽车无线充电用AC-DC-AC变换器结构框图。
图9电动汽车无线充电用AC-DC-AC变换器结构框图
Fig.9BlockdiagramofaAC-DC-ACconverterforwirelesschargingofEV
首先，第一级是单位功率因数校正电路，实现整流和调压，第二级是高频逆变电路，为发射线圈提供高频电源，通过这种结构可以很容易实现对电源侧功率因数、输出功率、软开关等多目标的控制。
表6AC-AC变换器控制方式及其特性
Tab.6ThecontrolmethodandcharacteristicofAC-ACconverter
拓扑结构年份频率/kHz控制方式动态模型输入侧电流质量开关器件数目软开关功率等级/W单相-单相[50]201230变频能量注入法和自由振荡/需要过零检测无—4个有，所有器件ZCS10三相-单相[51]201450固定频率、移相控制无—4个双向开关—300三相-单相[52]201612.3变频无THD：14.3%PF：0.59～0.676个反相阻断开关/1个常规开关有，所有器件ZCS267单相-单相[53]201720固定频率，变占空比/需过零检测无THD：正向4.8%；反向5.1%PF：0.924个双向开关—1000单相-单相[58]201850固定频率，变占空比有THD＜5%单位功率因数4个双向开关有，2个器件ZCS和ZVS1200单相-单相[59]2018300—无PF：0.962个有，所有器件ZVS60
国内外对磁场耦合式无线充电系统模型的建立主要基于电路理论[27]和耦合模理论[60-61]。电路建模方法以电压、电流为变量，物理概念清晰，易于掌握，适用于低频和集中参数电路的分析与设计[62]；耦合模理论以储能元件上电压、电流为复变量，在数学上属于微扰分析的一种形式[63]，能够反映能量传递的本质和过程，耦合模型源于光学中光的传递规律，2007年MIT将其引入无线电能传输系统的分析中[60]，是一种近似的建模方法，在一些复杂系统建模中更具优势。在一定条件下，耦合模型和电路模型可以互相等效[63-64]。
表7最大输出功率下的互感和传输效率
Tab.7Themutualinductanceandefficiencyundermaximumoutputpower
系统最大功率时的互感传输效率系统无功全补偿发射、接收线圈单独无功补偿系统无功全补偿发射、接收线圈单独无功补偿SS型50%50%SP型50%50%PP型PS型
图10系统动态模型的一般建模过程
Fig.10Generalmodelingprocessofdynamicmodel
现有研究对于无线充电系统动态模型的建立也有了一定的成果，文献[73]基于状态空间平均法建立了双向无线供电系统的动态模型，所提出的模型可实现对系统动态行为的准确预测，但文中未考虑系统中的非线性器件，无法得到解析式。文献[74]首先基于广义状态空间法建立了系统的大信号模型，在此基础上，利用扰动法建立了小信号模型，并应用于系统控制，提高了负载电压的动态响应。文献[77]利用Laplace向量变换法建立了系统的大信号模型，分析了系统对负载变化和输出电容变化瞬态响应。但相比于稳态模型，这些动态模型的阶数往往较高，文献[78]利用耦合模和平均化思想使系统阶次得到降低。文献[72]则基于动态向量法建立了系统的动态模型，并借助S域方程近似表达系统的线性部分，降低了系统模型的阶次。
总之，精确的模型是分析系统稳态特性和动态特性的基础，是实现系统优化设计与鲁棒性控制的前提，因此，有必要对系统模型进行进一步的研究与完善。
由于电动汽车无线充电应用场合比较复杂，系统参数容易受到环境影响，且在无线充电过程中，电池等效电阻会发生变化，另外受用户停车位置的影响，原、副边线圈的耦合系数也很容易偏移设定值，因此有必要对系统进行优化与控制，保证系统能稳定运行于最佳状态。
针对负载和耦合系数都变化的情况，文献[84]采用原边控制的方法，基于逆变器前级的DC-DC变换器对原边线圈电流大小进行控制，实现了系统最大效率跟踪以及恒定的输出电压，但需要原、副边的通信。文献[85]采用双边控制，原理与文献[82]类似，都是基于对原边前级和副边后级DC-DC变换器的控制，来实现最大效率跟踪，但文献[85]提出了耦合系数在线测量的方法，克服了控制策略对耦合系数的依赖，但依然需要原、副边通信。文献[79]基于双有源半桥结构，原、副边均采用Delta-sigma控制器产生脉冲密度调制信号来控制有源半桥，实现最大效率跟踪，该方法不仅免去了原、副边通信，而且双侧均实现了软开关。
针对失谐的情况，文献[86]分析了系统的失谐机理，提出基于自适应PI控制的可变模全数字锁相环的频率跟踪控制方法，实现了频率的快速跟踪。文献[87]提出通过控制副边单相有源整流桥的移相角和脉冲宽度来调整等效负载阻抗的实部和虚部的方法，调节虚部抵消失谐带来的电抗，调节实部以跟踪最大效率，原边侧通过PI控制器调节逆变器的驱动脉宽，实现输出电压的恒定。
此外，滑模控制器[88-89]、H∞控制器[90-93]等方法也被用来提高系统的动态响应。其中，文献[89]提出原边侧利用基于爬山搜索的相位控制来寻找输入电流的最小值，副边侧采用离散滑模控制器对DC-DC变换器控制的方法，实现了快速的最大效率跟踪和恒压控制，控制器框图[89]如图11所示。文献[92]对感应耦合电能传输系统高阶滑模控制算法进行了深入研究，实现了输出电压的鲁棒控制。文献[90]和文献[91]分别针对CLC型和π型谐振感应电能传输系统，应用广义状态空间平均法，建立了系统的扰动模型，并基于频域设计了H∞控制器，实现了系统的输出鲁棒控制，反馈控制框图[91]如图12所示。
图11离散滑模控制器框图
Fig.11ControlblockdiagramoftheDSMCforWPTsystem
图12混合灵敏度H∞输出反馈控制框图
Fig.12OutputfeedbackH∞controlschemewithmixedsensitivity
但总体来说，目前对于静态无线电能传输的控制策略大多数还是基于稳态模型，而电动汽车无线充电系统在应对一些突发情况时，通常要求有较快的动态响应，如何结合系统的动态模型，加强系统多参数摄动下的快速鲁棒性控制、实现系统优化、提升系统动态响应，具有重要意义。
综合国内外电动汽车静态无线充电技术的研究现状，可以看出，该项技术在各方面都已经得到了较为充分的研究，但仍有不少问题尚待解决。主要表现在以下几个方面：
（2）系统的环境敏感度。电动汽车无线充电应用场合较为复杂，系统线圈内阻、谐振频率等固有参数容易受到外界环境的影响而发生变化，尤其是汽车金属机身等对于线圈内阻、固有频率的影响较大，而谐振式无线输电技术对于固有频率的变化又十分敏感，目前关于金属物对谐振频率的影响通常是采用铁氧体等磁性材料进行屏蔽，或是通过电容矩阵、变频控制进行频率跟踪等方式进行改善，但这些无疑增加了系统的体积、质量与成本，如何提高系统抗谐振频率等固有参数变化的能力，降低系统对环境的敏感度，从原理上提出更加先进、经济有效的方法，仍然是电动汽车无线充电技术未来重要的研究方向之一。
（3）系统结构的优化。传统电动汽车无线充电系统的结构多是基于多级变换器，如AC-DC-AC变换器等，且通常会加入DC-DC变换器对系统进行功率调节等，但这增加了系统的体积与成本，降低了系统的整体效率。优化系统结构，研究高性能的AC-AC等电力电子变换器，减少系统变换器的级联数，利用控制策略以替代DC-DC变换器对系统功率等的调节，将更有利于系统性能的整体提升。
（4）系统动态模型的建立与鲁棒性控制。在电动汽车无线充电系统的实际应用中，通常需要实现快速的起、停机等操作，另外开关器件的开通与关断、电池等效电阻的变化等也给系统带来了复杂的非线性特性，这些都给系统的稳定性造成了较大的威胁。但当前对于无线充电系统特性的分析与控制，大都是基于系统的稳态模型，对于系统暂态响应、非线性特性的分析还较为缺乏。建立系统精确的动态模型并提出相应的控制策略，对系统动态行为进行控制，提升系统的稳定性，是今后的研究方向之一。
本文从磁耦合机构、补偿网络、电力电子变换器以及系统的建模与特性、优化与控制等方面对基于磁耦合式的电动车无线充电的关键技术问题进行了总结与归纳，并指出了该项技术有待解决的问题以及未来的研究发展方向，可以看到，电动汽车静态无线充电技术已得到广泛的研究，并取得了一定的进展，但仍有许多关键技术有待解决，如系统抗偏移能力、对环境的敏感度问题、系统结构的优化设计以及稳定性控制等。目前电动汽车静态无线充电技术的研究正处在攻坚克难的阶段，仍需进一步完善和应用现有理论，乃至原理上的创新与突破。
参考文献
[1]赵争鸣,张艺明,陈凯楠.磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展[J].中国电机工程学报,2013,33(3):1-13.
ZhaoZhengming,ZhangYiming,ChenKainan.Newprogressofmagnetically-coupledresonantwirelesspowertransfertechnology[J].ProceedingsoftheCSEE,2013,33(3):1-13.
[2]赵争鸣,刘方,陈凯楠.电动汽车无线充电技术研究综述[J].电工技术学报,2016,31(20):30-40.
ZhaoZhengming,LiuFang,ChenKainan.Newprogressofwirelesschargingtechnologyforelectricvehicles[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2016,31(20):30-40.
[3]BudhiaM,CovicG,BoysJ.AnewIPTmagneticcouplerforelectricvehiclechargingsystems[C]//IECON36thAnnualConferenceonIEEEIndustrialElectronicsSociety,Glendale,2010:2487-2492.
[4]PatilD,McdonoughMK,MillerJM,etal.Wirelesspowertransferforvehicularapplications:overviewandchallenges[J].IEEETransactionsonTrans-portationElectrification,2018,4(1):3-37.
[5]BudhiaM,CovicGA,BoysJT.Designandoptimizationofcircularmagneticstructuresforlumpedinductivepowertransfersystems[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2011,26(11):3096-3108.
[6]BudhiaM,BoysJT,CovicGA,etal.Developmentofasingle-sidedfluxmagneticcouplerforelectricvehicleIPTchargingsystems[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2013,60(1):318-328.
[7]NguyenT,LiS,LiW,etal.Feasibilitystudyonbipolarpadsforefficientwirelesspowerchargers[C]//IEEEAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition(APEC),FortWorth,2014:1676-1682.
[8]ZaheerA,KacprzakD,CovicGA.AbipolarreceiverpadinalumpedIPTsystemforelectricvehiclechargingapplications[C]//IEEEEnergyConversionCongressandExposition(ECCE),Raleigh,2012:283-290.
[9]KimS,CovicGA,BoysJT.TripolarpadforinductivepowertransfersystemsforEVcharging[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2017,32(7):5045-5057.
[10]MoonS,KimB,ChoS,etal.Analysisanddesignofawirelesspowertransfersystemwithanintermediatecoilforhighefficiency[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2014,61(11):5861-5870.
[11]ChoiSY,HuhJ,LeeWY,etal.AsymmetriccoilsetsforwirelessstationaryEVchargerswithlargeLateraltolerancebydominantfieldanalysis[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2014,29(12):6406-6420.
[12]AhnS,PakJ,SongT,etal.Lowfrequencyelectromagneticfieldreductiontechniquesfortheon-lineelectricvehicle(OLEV)[C]//IEEEInternationalSymposiumonElectromagneticCompatibility,FortLauderdale,2010:625-630.
[13]ParkC,LeeS,JeongSY,etal．UniformpowerI-typeinductivepowertransfersystemwithDQpowersupplyrailsforon-lineelectricvehicles[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2015,30(11):6446-6455.
[14]LeeWY,HuhJ,ChoiSY,etal.Finite-widthmagneticmirrormodelsofmonoanddualcoilsforwirelesselectricvehicles[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2013,28(3):1413-1428.
[15]ShinJ,ShinS,KimY,etal.Designandimplementationofshapedmagnetic-resonance-basedwirelesspowertransfersystemforroadway-poweredmovingelectricvehicles[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2014,61(3):1179-1192.
[16]ChigiraM,NagatsukaY,KanekoY,etal.Small-sizelight-weighttransformerwithnewcorestructureforcontactlesselectricvehiclepowertransfersystem[C]//IEEEEnergyConversionCongressandExposition,Phoenix,2011:260-266.
[17]TakanashiH,SatoY,KanekoY,etal.Alargeairgap3kWwirelesspowertransfersystemforelectricvehicles[C]//IEEEEnergyConversionCongressandExposition(ECCE),Raleigh,2012:269-274.
[18]ZhangWei,WhiteJC,AbrahamAM,etal.LooselycoupledtransformerstructureandinteroperabilitystudyforEVwirelesschargingsystems[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2015,30(11):6356-6367.
[19]胡超.电动汽车无线供电电磁耦合机构能效特性及优化方法研究[D].重庆:重庆大学,2015.
[20]陈振伟.电动汽车非接触充电系统用松耦合变压器设计与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.
[21]张献,杨庆新,崔玉龙,等.大功率无线电能传输系统能量发射线圈设计、优化与验证[J].电工技术学报,2013,28(10):12-18.
ZhangXian,YangQingxin,CuiYulong,etal.Designoptimizationandverificationonthepowertransmittingcoilinthehigh-powerwirelesspowertransmissionsystem[J].TransactionsofChinaElec-trotechnicalSociety,2013,28(10):12-18.
[22]谭林林,黄学良,赵俊锋,等.一种无线电能传输系统的盘式谐振器优化设计[J].电工技术学报,2013,28(8):1-6.
TanLinlin,HuangXueliang,ZhaoJunfeng,etal.Optimizationdesignfordiscresonatorsofawirelesspowertransmissionsystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2013,28(8):1-6.
[23]WeiNi,CollingsIB,XinWang,etal.Radioalignmentforinductivechargingofelectricvehicles[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics,2015,11(2):427-440.
[24]AhmadA,AlamMS,ChabaanR.Acomprehensivereviewofwirelesschargingtechnologiesforelectricvehicles[J].IEEETransactionsonTransportationElectrification,2018,4(1):38-63.
[25]BiZ,KanT,MiCC,etal.Areviewofwirelesspowertransferforelectricvehicles:prospectstoenhancesustainablemobility[J].AppliedEnergy,2016,179:413-425.
[26]SohnYH,ChoiBH,LeeES,etal.Generalunifiedanalysesoftwo-capacitorinductivepowertransfersystems:equivalenceofcurrent-sourcessandspcompensations[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2015,30(11):6030-6045.
[27]WangCS,CovicGA,StielauOH.Powertransfercapabilityandbifurcationphenomenaoflooselycoupledinductivepowertransfersystems[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2004,51(1):148-157.
[28]周雯琪,马皓,何湘宁.感应耦合电能传输系统不同补偿拓扑的研究[J].电工技术学报,2009,24(1):133-139.
ZhouWenqi,MaHao,HeXiangning.Investigationondifferentcompensationtopologiesininductivelycoupledpowertransfersystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2009,24(1):133-139.
[29]孙跃,夏晨阳,戴欣,等.感应耦合电能传输系统互感耦合参数的分析与优化[J].中国电机工程学报,2010,30(33):44-50.
SunYue,XiaChenyang,DaiXin,etal.Analysisandoptimizationofmutualinductanceforinductivelycoupledpowertransfersystem[J].ProceedingsoftheCSEE,2010,30(33):44-50.
[30]李阳,董维豪,杨庆新,等.过耦合无线电能传输功率降低机理与提高方法[J].电工技术学报,2018,33(14):3177-3184.
LiYang,DongWeihao,YangQingxin,etal.Mechanismofpowerdecreasingandimprovementmethodforwirelesspowertransfersysteminovercoupledregime[J].TransactionsofChinaElectro-technicalSociety,2018,33(14):3177-3184.
[31]AdityaK,WilliamsonSS.Comparativestudyofseries-seriesandseries-parallelcompensationtopo-logiesforelectricvehiclecharging[C]//IEEE23rdInternationalSymposiumonIndustrialElectronics(ISIE),Istanbul,2014:426-430.
[32]孙跃,廖志娟,叶兆虹,等.基于振动理论的MCR-WPT系统频率分裂特性研究[J].电工技术学报,2018,33(13):3140-3148.
SunYue,LiaoZhijuan,YeZhaohong,etal.ResearchonfrequencysplittingcharacteristicofMCR-WPTsystemsbasedonvibrationtheory[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2018,33(13):3140-3148.
[33]FengHao,CaiTao,DuanShanxu,etal.Adual-side-detunedseries-seriescompensatedresonantconverterforwidechargingregioninawirelesspowertransfersystem[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2018,65(3):2177-2188.
[34]WangCS,CovicGA,StielauOH.InvestigatinganLCLloadresonantinverterforinductivepowertransferapplications[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2004,19(4):995-1002.
[35]BorageM,TiwariS,KotaiahS.AnalysisanddesignofanLCL-Tresonantconverterasaconstant-currentpowersupply[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2005,52(6):1547-1554.
[36]KissinM,HuangC,CovicGA,etal.Detectionofthetunedpointofafixed-frequencyLCLresonantpowersupply[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2009,24(4):1140-1143.
[37]KeelingNA,CovicGA,BoysJT.Aunity-power-factorIPTpickupforhigh-powerapplications[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2010,57(2):744-751.
[38]MadawalaUK,ThrimawithanaDJ.AbidirectionalinductivepowerinterfaceforelectricvehiclesinV2Gsystems[J].IEEETransactionsonIndustrialElec-tronics,2011,58(10):4789-4796.
[39]VillaJL,SallanJ,SanzOsorioJF,etal.High-misalignmenttolerantcompensationtopologyforICPTsystems[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2012,59(2):945-951.
[40]LiWeihan,ZhaoHan,LiSiqi,etal.IntegratedLCCcompensationtopologyforwirelesschargerinelectricandplug-inelectricvehicles[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2015,62(7):4215-4225.
[41]LiSiqi,LiWeihan,DengJunjun,etal.Adouble-sidedLCCcompensationnetworkanditstuningmethodforwirelesspowertransfer[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2015,64(6):2261-2273.
[42]ZhangWei,MiCC.Compensationtopologiesofhigh-powerwirelesspowertransfersystems[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2016,65(6):4768-4778.
[43]KanT,NguyenT,WhiteJC,etal.AnewintegrationmethodforanelectricvehiclewirelesschargingsystemusingLCCcompensationtopology:analysisanddesign[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2017,32(2):1638-1650.
[44]SamantaS,RathoreAK.Anewcurrent-fedCLCtransmitterandLCreceivertopologyforinductivewirelesspowertransferapplication:analysis,design,andexperimentalresults[J].IEEETransactionsonTransportationElectrification,2015,1(4):357-368.
[45]WangYijie,YaoYousu,LiuXiaosheng,etal.S/CLCcompensationtopologyanalysisandcircularcoildesignforwirelesspowertransfer[J].IEEETransactionsonTransportationElectrification,2017,3(2):496-507.
[46]KanTianze,LuFei,NguyenT,etal.IntegratedcoildesignforEVwirelesschargingsystemsusingLCCcompensationtopology[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2018,33(11):9231-9241.
[47]周豪,姚钢,赵子玉,等.基于LCL谐振型感应耦合电能传输系统[J].中国电机工程学报,2013,33(33):9-16.
ZhouHao,YaoGang,ZhaoZiyu,etal.LCLresonantinductivelycoupledpowertransfersystems[J].ProceedingsoftheCSEE,2013,33(33):9-16.
[48]LiuFong,ZhangYiming,ChenKainan,etal.Acomparativestudyofloadcharacteristicsofresonancetypesinwirelesstransmissionsystems[C]//IEEEAsia-PacificInternationalSymposiumonElectromagneticCompatibility(APEMC),Shenzhen,2016:203-206.
[49]QuXiaohui,HanHongdou,WongSiu-chang,etal.HybridIPTtopologieswithconstantcurrentorconstantvoltageoutputforbatterychargingappli-cations[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2015,30(11):6329-6337.
[50]LiHL,HuAP,CovicGA.AdirectAC-ACconverterforinductivepower-transfersystems[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2012,27(2):661-668.
[51]XuanBacN,VilathgamuwaDM,MadawalaUK.ASiC-basedmatrixconvertertopologyforinductivepowertransfersystem[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2014,29(8):4029-4038.
[52]MoghaddamiM,AnzalchiA,SarwatAI.Single-stagethree-phaseAC-ACmatrixconverterforinductivepowertransfersystems[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2016,63(10):6613-6622.
[53]WeerasingheS,MadawalaUK,ThrimawithanaDJ.Amatrixconverter-basedbidirectionalcontactlessgridinterface[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2017,32(3):1755-1766.
[54]KusumahPP,KyyraJ.MinimizingcoilpowerlossinadirectAC/ACconverter-basedcontactlesselectricvehiclecharger[C]//IEEE19thEuropeanConferenceonPowerElectronicsandApplications(EPE'17ECCEEurope),Warsaw,2017:1-10.
[55]KusumahFP,KyyraJ.Bi-directionalpowertransferofacontactlesselectricvehiclechargerusingdirectthree-phasetosingle-phaseAC/ACconverter[C]//IEEE20thEuropeanConferenceonPowerElectro-nicsandApplications(EPE'18ECCEEurope),Riga,2018:1-10.
[56]KusumahFP,VuorsaloS,KyyraJ.Adirectthree-phasetosingle-phaseAC/ACconverterforcontactlesselectricvehiclecharger[C]//201517thEuropeanConferenceonPowerElectronicsandApplications(EPE'15ECCE-Europe),Geneva,2015:1-10.
[57]KusumahFP,VuorsaloS,KyyraJ.Componentsselectionofadirectthree-phasetosingle-phaseAC/ACconverterforacontactlesselectricvehiclecharger[C]//The18thEuropeanConferenceonPowerElectronicsandApplications(EPE'16ECCEEurope),Karlsruhe,2016:1-10.
[58]SamantaS,RathoreAK.AnewinductivepowertransfertopologyusingdirectAC-ACconverterwithactivesourcecurrentwaveshaping[J].IEEETransa-ctionsonPowerElectronics,2018,33(7):5565-5577.
[59]黄雅琪.应用于无线输电系统的单相单级AC-AC谐振变换器[D].广州:华南理工大学,2018.
[60]KursA,KaralisA,MoffattR,etal.Wirelesspowertransferviastronglycoupledmagneticresonances[J].Science,2007,317(5834):83-86.
[61]LiHongchang,WangKangping,HuangLang,etal.Dynamicmodelingbasedoncoupledmodesforwirelesspowertransfersystems[J].IEEETransa-ctionsonPowerElectronics,2015,30(11):6245-6253.
[62]疏许健,张波.感应耦合无线电能传输系统的能量法模型及特性分析[J].电力系统自动化,2017,41(2):28-32.
ShuXujian,ZhangBo.Energymodelandcharacteri-sticanalysisforinductivelycoupledpowertransfersystem[J].AutomationofElectricPowerSystems,2017,41(2):28-32.
[63]黄学良,曹伟杰,周亚龙,等.磁耦合谐振系统中的两种模型对比探究[J].电工技术学报,2013,28(增刊2):13-17.
HuangXueliang,CaoWeijie,ZhouYalong,etal.Comparativestudyonthetwokindsofmodelsinthetechnologyofmagneticcouplingresonancesystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2013,28(S2):13-17.
[64]KianiM,GhovanlooM.Thecircuittheorybehindcoupled-modemagneticresonance-basedwirelesspowertransmission[J].IEEETransactionsonCircuitsandSystemsI:RegularPapers,2012,59(9):2065-2074.
[65]张波,黄润鸿,疏许健.无线电能传输原理[M].北京:科学出版社,2018.
[66]傅文珍,张波,丘东元.频率跟踪式谐振耦合电能无线传输系统研究[J].变频器世界,2009(8):41-46.
FuWenzhen,ZhangBo,QiuDongyuan.Studyonfrequence-trackingwirelesspowertransfersystembyresonantcoupling[J].TheWorldofInverters,2009(8):41-46.
[67]SampleAP,MeyerDA,SmithJR.Analysis,experimentalresults,andrangeadaptationofmagneticallycoupledresonatorsforwirelesspowertransfer[J].IEEETransactionsonIndustrialElectro-nics,2011,58(2):544-554.
[68]ZhangYiming,ZhaoZhengming.Frequencysplittinganalysisoftwo-coilresonantwirelesspowertransfer[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,2014,13:400-402.
[69]HuangRunhong,ZhangBo,QiuDongyuan,etal.Frequencysplittingphenomenaofmagneticresonantcouplingwirelesspowertransfer[J].IEEETransa-ctionsonMagnetics,2014,50(11):1-4.
[70]ZhangYiming,ZhaoZhengming,ChenKainan.Frequency-splittinganalysisoffour-coilresonantwirelesspowertransfer[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2014,50(4):2436-2445.
[71]张献,杨庆新,陈海燕,等.电磁耦合谐振式传能系统的频率分裂特性研究[J].中国电机工程学报,2012,32(9):167-173.
ZhangXian,YangQingxin,ChenHaiyan,etal.Researchoncharacteristicsoffrequencysplittinginelectromagnetic[J].ProceedingsoftheCSEE,2012,32(9):167-173.
[72]LiHongchang,FangJ,TangY.Dynamicphasor-basedreducedordermodelsofwirelesspowertransfersystems[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2015,30(11):6245-6253.
[73]SwainAK,NeathMJ,MadawalaUK,etal.Adynamicmultivariablestate-spacemodelforbidirectionalinductivepowertransfersystems[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2012,27(11):4772-4780.
[74]林天仁,李勇,麦瑞坤.基于LCL-S拓扑的感应电能传输系统的建模与控制方法[J].电工技术学报,2018,33(1):104-111.
LinTianren,LiYong,MaiRuikun.ModelingandcontrolmethodofinductivepowertransfersystembasedonLCL-Stopology[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2018,33(1):104-111.
[75]ZahidZU,DalalaZ,LaiJ.Small-signalmodelingofseries-seriescompensatedinductionpowertransfersystem[C]//IEEEAppliedPowerElectronicsCon-ferenceandExposition(APEC),FortWorth,2014:2847-2853.
[76]ZhouJiali,ZhangBo,XiaoWenxun,etal.Nonlinearparity-time-symmetricmodelforconstantefficiencywirelesspowertransfer:applicationtoadrone-in-flightwirelesschargingplatform[J].IEEETransa-ctionsonIndustrialElectronics,2019,66(5):4097-4107.
[77]LeeS,ChoiB,RimCT.DynamicscharacterizationoftheinductivepowertransfersystemforonlineelectricvehiclesbyLaplacephasortransform[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2013,28(12):5902-5909.
[78]LiHongchang,WangKangping,HuangLong,etal.Dynamicmodelingbasedoncoupledmodesforwirelesspowertransfersystems[J].IEEETransa-ctionsonPowerElectronics,2015,30(11):6245-6253.
[79]LiHongchang,FangJingyang,ChenShuxin,etal.Pulsedensitymodulationformaximumefficiencypointtrackingofwirelesspowertransfersystems[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2018,33(6):5492-5501.
[80]SongKai,LiZhenjie,JiangJinhai,etal.Constantcurrent/voltagechargingoperationforseries-seriesandseries-parallelcompensatedwirelesspowertransfersystemsemployingprimary-sidecontroller[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2018,33(9):8065-8080.
[81]LovisonG,SatoM,ImuraT,etal.Secondary-side-onlysimultaneouspowerandefficiencycontrolfortwoconvertersinwirelesspowertransfersystem[C]//IEEEIECON2015-41stAnnualConferenceoftheIEEEIndustrialElectronicsSociety,Yokohama,2015:4824-4829.
[82]LiHongchang,LiJie,WangKongping,etal.Amaximumefficiencypointtrackingcontrolschemeforwirelesspowertransfersystemsusingmagneticresonantcoupling[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2015,30(7):3998-4008.
[83]LiZhenjie,SongKai,JiangJinhai,etal.Constantcurrentchargingandmaximumefficiencytrackingcontrolschemeforsupercapacitorwirelesscharging[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2018,33(10):9088-9100.
[84]YeoT,KwonD,KhangS,etal.Designofmaximumefficiencytrackingcontrolschemeforclosed-loopwirelesspowerchargingsystememployingseriesresonanttank[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2017,32(1):471-478.
[85]DaiXin,LiXiaofei,LiYanling,etal.Maximumefficiencytrackingforwirelesspowertransfersystemswithdynamiccouplingcoefficientestimation[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2018,33(6):5005-5015.
[86]刘帼巾,李义鑫,崔玉龙,等.基于FPGA的磁耦合谐振式无线电能传输频率跟踪控制[J].电工技术学报,2018,33(14):3185-3193.
LiuGuojin,LiYixin,CuiYulong,etal,FrequencytrackingcontrolofwirelesspowertransferviamagneticresonancecouplingbasedonFPGA[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2018,33(14):3185-3193.
[87]MaiRaikun,LiuYeyan,LiYong,etal.Anactive-rectifier-basedmaximumefficiencytrackingmethodusinganadditionalmeasurementcoilforwirelesspowertransfer[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2018,33(1):716-728.
[88]LingR,WangL,SunY,etal.Asecond-ordersliding-modecontrollerforinductivelycoupledpowertransfersystems[C]//IECON2017-43rdAnnualConferenceoftheIEEEIndustrialElectronicsSociety,Beijing,2017:6497-6503.
[89]YangYun,ZhongWenxing,KiratipongvootS,etal.Dynamicimprovementofseries–seriescompensatedwirelesspowertransfersystemsusingdiscreteslidingmodecontrol[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2018,33(7):6351-6360.
[90]戴欣,余奎,孙跃.CLC谐振型感应电能传输系统的H∞控制[J].中国电机工程学报,2010,30(30):47-54.
DaiXin,YuKui,SunYue.StudyonH∞controlmethodforCLCresonantinductivepowertransfersystem[J].ProceedingsoftheCSEE,2010,30(30):47-54.
[91]戴欣,周继昆,孙跃.具有频率不确定性的p型谐振感应电能传输系统H∞控制方法[J].中国电机工程学报,2011,31(30):45-53.
DaiXin,ZhouJikun,SunYue.H∞Controlmethodwithfrequencyuncertaintyforptyperesonantinductivepowertransfersystem[J].ProceedingsoftheCSEE,2011,31(30):45-53.
[92]王理智.感应耦合电能传输系统高阶滑模控制算法的研究[D].重庆:重庆大学,2017.
[93]罗博,陈丽华,李勇,等.基于滑模控制的感应耦合电能传输系统输出电压控制研究[J].电工技术学报,2017,32(23):235-242.
LuoBo,ChenLihua,LiYong,etal.Investigationofoutputvoltagecontrolfortheinductivepowertransfersystembasedonslidingmodecontroltheory[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2017,32(23):235-242.
[94]AssawaworraritS,YuXiaofang,FanShanhui.Robustwirelesspowertransferusinganonlinearparity-time-symmetriccircuit[J].Nature,2017,546(7658):387-390.
[95]疏许健,张波.降低整数阶无线电能传输谐振频率的分数阶方法[J].电工技术学报,2017,32(18):83-89.
ShuXujian,ZhangBo.Afractional-ordermethodtoreducetheresonantfrequencyofinteger-orderwirelesspowertransmissionsystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2017,32(18):83-89.
[96]JiangYanwei,ZhangBo.High-powerfractional-ordercapacitorwith1＜a＜2basedonpowerconverter[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2018,65(4):3157-3164.
[97]ShuXujian,ZhangBo.Theeffectoffractionalordersonthetransmissionpowerandefficiencyoffractional-orderwirelesspowertransmissionsystem[J].Energies,2018,11(7):1774-1782.
OverviewofStaticWirelessChargingTechnologyforElectricVehicles：PartⅡ
WuLihaoZhangBo
（SchoolofElectricPowerSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou510641China）
AbstractStaticwirelesschargingtechnologyforelectricvehicles(EV)havearousedextensiveattentionduetoitssafetyandconvenient.ThekeytechnologiesofwirelesschargingofEVareanalyzedindetailfromtheaspectsofmagneticcoupler,compensationnetworks,powerelectronicsconverters,andsystemmodeling-optimization-robustcontrolmethods.Inaddition,hotissuesandthefutureofstaticwirelesschargingtechnologyforEVwerediscussed,aimingtopointthewayfortheresearchofstaticwirelesschargingtechnologyforEV.
keywords：Electricvehicles,staticwirelesschargingtechnology,magneticcoupler,systemmodeling,robustcontrol
中图分类号：TM724
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190107
国家自然科学基金重点资助项目（51437005）。
收稿日期219-01-25
改稿日期2019-05-27
作者简介
吴理豪男，1994年生，博士，研究方向为电力电子与电力传动。E-mail:epwulh@mail.scut.edu.cn
张波男，1962年生，教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动。E-mail:epbzhang@scut.edu.cn（通信作者）