陳志鑫 張 獻(xiàn) 沙 琳 楊慶新 孫 于 劉立東

基于頻率調(diào)節(jié)的電動(dòng)汽車無線充電互操作性提升方法研究

陳志鑫1張 獻(xiàn)1沙 琳2楊慶新1孫 于3劉立東4

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)） 天津 300131 2. 天津市電氣裝備智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津工業(yè)大學(xué)） 天津 300387 3. 中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì) 北京 100055 4. 橫店集團(tuán)東磁股份有限公司 金華 322118）

隨著電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的普及，如何實(shí)現(xiàn)不同廠家、不同型號(hào)的地面端與車輛端設(shè)備之間的互聯(lián)互通，已成為制約無線充電技術(shù)推廣和規(guī)?；年P(guān)鍵性問題。該文首先通過定義歸一化角頻率和電路類品質(zhì)因數(shù)、表征系統(tǒng)頻率與系統(tǒng)固有參數(shù)特性，提出一種電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)模型的簡(jiǎn)化方法，并對(duì)系統(tǒng)頻率特性進(jìn)行分析研究；然后提出基于頻率調(diào)節(jié)提升電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)互操作性的方法；最后搭建大功率電動(dòng)汽車無線充電互操作性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過頻率調(diào)節(jié)提升互操作性的正確性。該文對(duì)電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的推廣與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了理論支撐與技術(shù)參考。

無線充電 互聯(lián)互通 互操作性 頻率調(diào)節(jié) 歸一化角頻率

0 引言

隨著電動(dòng)汽車的普及，無線充電（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)帶來的便利性是顯而易見的，其靈活性、可靠性、無接觸式充電等特點(diǎn)使無線充電成為未來電動(dòng)汽車主流充電方式之一[1-2]。在國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者以及科研院所、汽車企業(yè)對(duì)無線充電技術(shù)深入研究的過程中，出現(xiàn)了多廠家、多標(biāo)準(zhǔn)、多技術(shù)路線的情況，導(dǎo)致不同廠家、相同廠家不同型號(hào)的車輛端設(shè)備和地面端設(shè)備之間難以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通[3-6]。設(shè)備間互操作性較差使電動(dòng)汽車的充電效率低、安全性能差等問題也很凸顯，成為制約電動(dòng)汽車無線充電設(shè)施推廣的一個(gè)重要因素[7-9]。

電動(dòng)汽車無線充電互操作性是指：相同或不同型號(hào)、版本的無線充電系統(tǒng)地面設(shè)備與車輛設(shè)備通過信息交互和過程控制，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車無線充電互聯(lián)互通的能力[10-12]。根據(jù)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，其互操作性主要分為以下三個(gè)部分：耦合線圈互操作性、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)互操作性和通信互操作性。無線充電互操作性示意圖如圖1所示，圖中L、C（=1, 2, ···,）表示系統(tǒng)不同補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的電感、電容。

通信互操作性是指通信設(shè)備可以保證電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的地面端和車輛端設(shè)備之間具備無線信息交互能力，通過信令實(shí)現(xiàn)無線充電過程的控制以及相關(guān)必要信息的交互，以確保電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。對(duì)于通信控制方式而言，當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要采用雙邊控制策略，國(guó)外主要采用單邊控制方式，其特點(diǎn)見表1。但通信互操作性屬于通信領(lǐng)域而非電氣領(lǐng)域，因此本文不對(duì)通信互操作性進(jìn)行研究。

表1 單邊、雙邊控制方式比較

Tab.1 Comparison of unilateral and bilateral control methods

圖1 電動(dòng)汽車無線充電互操作性示意圖

耦合線圈互操作性是指在規(guī)定的偏移范圍內(nèi)，地面端線圈可以產(chǎn)生足夠磁通，同時(shí)車輛端線圈可以捕獲到足夠磁通[13-16]。常見的用于電動(dòng)汽車無線充電的三種線圈結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)見表2和圖2[17-20]。

表2 三種常見耦合線圈結(jié)構(gòu)

Tab.2 Three common coupling coil structures

圖2 三種主流線圈類型

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)互操作性是指地面端與車輛端設(shè)備匹配工作時(shí)，一方面是要保證系統(tǒng)產(chǎn)生的無功分量盡可能小，以滿足效率要求；另一方面需要保證輸出功率能達(dá)到電動(dòng)汽車的用電需求。根據(jù)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中電容、電感的數(shù)量以及連接方式的不同，分為串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償兩種基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以及如LLC、LCC、LCL等高階復(fù)合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[21-25]。其中GB/T 38775推薦的為L(zhǎng)CC-LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，SAE J2954推薦的為TMN型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖3a、圖3b所示。圖中，S為系統(tǒng)等效電壓，L為等效負(fù)載，1與P為地面端線圈，GA與f1為地面端補(bǔ)償電感，VA與f2為車輛端補(bǔ)償電感，2與b為車輛端線圈，1a、1b、p、f1均為地面端補(bǔ)償電容，2a、2b、s、f2均為車輛端補(bǔ)償電容，其中VA可調(diào)節(jié)。

圖3 電動(dòng)汽車無線充電主流補(bǔ)償拓?fù)?/p>

圖3所示的LCC-LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)具有抗偏移能力強(qiáng)、參數(shù)設(shè)計(jì)靈活、大功率下諧振電容電壓較低、地面端電流恒流等特點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)汽車無線充電的應(yīng)用場(chǎng)景具有較高的技術(shù)契合度；TMN(tunable matching networks)型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)通過在地面端與車輛端添加可調(diào)電抗GA、VA的方式來適應(yīng)不同補(bǔ)償參數(shù)或線圈變化帶來的不利影響，通過對(duì)其電路進(jìn)行化簡(jiǎn)分析其本質(zhì)依然是LCC-LCC型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。因此本文選取LCC-LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。

本文首先針對(duì)LCC-LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)多、階數(shù)高、分析復(fù)雜的問題，定義了歸一化角頻率、電路類品質(zhì)因數(shù)、f，得到電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)模型的簡(jiǎn)化方法；然后提出了通過頻率調(diào)節(jié)提升系統(tǒng)互操作性的方法；最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文互操作性提升方法的正確性，為推進(jìn)不同廠家、不同型號(hào)之間的電動(dòng)汽車互聯(lián)互通，推動(dòng)電動(dòng)汽車無線充電規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供理論支撐。

1 LCC-LCC參數(shù)特性建模

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的地面端與車輛端可能會(huì)存在以下問題：①地面端與車輛端生產(chǎn)廠家、技術(shù)路線不同，導(dǎo)致其相互之間補(bǔ)償參數(shù)存在較大差異；②現(xiàn)有生產(chǎn)條件存在一定的局限性，導(dǎo)致生產(chǎn)的產(chǎn)品參數(shù)與預(yù)設(shè)值之間存在差距；③停車充電時(shí)車輛端與地面端發(fā)生偏移，導(dǎo)致線圈自感發(fā)生變化，偏離線圈預(yù)設(shè)值。

上述問題均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無功分量增加，無功分量成為影響系統(tǒng)互操作性的主要因素?？紤]到線圈內(nèi)阻對(duì)系統(tǒng)的有功損耗很小，因此當(dāng)不同參數(shù)的系統(tǒng)進(jìn)行橫向?qū)Ρ葧r(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算而忽略線圈內(nèi)阻損耗；同時(shí)對(duì)于前、后級(jí)的控制電路采用基波分析法進(jìn)行處理，忽略其高次諧波的影響。得到簡(jiǎn)化后的LCC-LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖4 LCC-LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化模型

根據(jù)圖4列寫系統(tǒng)全局KVL方程為

諧振條件為

式中，0為系統(tǒng)固有諧振角頻率，0=2π0；0為系統(tǒng)固有諧振頻率；1、2分別為地面端與車輛端主線圈的電感值，1、2、f1、f2、f1、f2分別為車輛端與地面端的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的電感、電容；下標(biāo)1表示地面端，2表示車輛端。設(shè)歸一化角頻率為/0，為簡(jiǎn)化公式，設(shè)其倒數(shù)0/=，的物理意義在于可以表征系統(tǒng)實(shí)際工作頻率與系統(tǒng)固有頻率0之間的偏離程度，當(dāng)0=時(shí)，=1；當(dāng)0＞時(shí)，＞1；當(dāng)0＜時(shí)，＜1。

由于本文分析過程忽略線圈內(nèi)阻，為實(shí)現(xiàn)公式的“去量綱化”，對(duì)式（1）中等號(hào)兩端依次同時(shí)除以負(fù)載電阻L，定義類品質(zhì)因數(shù)1,2=01,2/L、f1,2=0f1,2/L，其優(yōu)點(diǎn)在于可以有效對(duì)復(fù)雜高階的系統(tǒng)進(jìn)行化簡(jiǎn)，減少參數(shù)，便于結(jié)果分析；同時(shí)還可以改善數(shù)值運(yùn)算過程中的穩(wěn)定性，防止數(shù)據(jù)的溢出。同時(shí)記，其中表示線圈1、2的耦合系數(shù)。

根據(jù)GB/T 38775標(biāo)準(zhǔn)族和SAE J2954規(guī)定，電動(dòng)汽車無線充電傳輸頻段為79～90kHz，對(duì)應(yīng)的取值范圍為[0.944, 1.076]；同時(shí)在電動(dòng)汽車無線充電的實(shí)際工作場(chǎng)景中，耦合系數(shù)的取值范圍為[0.1, 0.3]。根據(jù)方程中各部分參量間數(shù)量級(jí)的關(guān)系，結(jié)合式（3），推出系統(tǒng)中各部分電流的簡(jiǎn)化表達(dá)式為

但電流的大小只能間接地反映系統(tǒng)能量的流動(dòng)變化規(guī)律，不能直觀準(zhǔn)確地反映出系統(tǒng)是否具有互操作性。根據(jù)文獻(xiàn)[10-13]可知，系統(tǒng)的輸出功率out和系統(tǒng)效率是直接評(píng)價(jià)系統(tǒng)是否具有互操作性的重要指標(biāo)，因此需進(jìn)一步將out、轉(zhuǎn)換為關(guān)于、f、的表達(dá)式，即

2 系統(tǒng)頻率特性變化規(guī)律

本文主要研究變化的系統(tǒng)頻率對(duì)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)互操作性的影響，因此為簡(jiǎn)化分析，假定電網(wǎng)電源經(jīng)過整流逆變后為高頻交流恒壓源輸入，且電動(dòng)汽車負(fù)載電池相同?；谏鲜鰲l件對(duì)系統(tǒng)頻率變化對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響進(jìn)行分析。

2.1 系統(tǒng)頻率對(duì)輸出功率的影響

根據(jù)式（5）可知，out受歸一化角頻率1/即系統(tǒng)頻率的影響極大，out與的關(guān)系如圖5所示。

圖5 A-Pout關(guān)系示意圖

同時(shí)利用式（5）對(duì)求偏導(dǎo)，除去首尾兩端，得到3的值，其簡(jiǎn)化后的表達(dá)式為

根據(jù)式（7）、式（8）可知，LCC-LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)輸出功率的極值點(diǎn)由系統(tǒng)中、f決定。由此可見，對(duì)于不同的系統(tǒng)而言，其輸出功率隨系統(tǒng)頻率的變化曲線的增減區(qū)間是不同的，但其變化趨勢(shì)是相同的。根據(jù)上述分析，結(jié)合圖4得到系統(tǒng)簡(jiǎn)化后的out隨的變化區(qū)間見表3。

表3out隨的變化區(qū)間

Tab.3 Pout change interval with A

根據(jù)前文的分析可知，對(duì)于不同系統(tǒng)而言，其out的極值點(diǎn)需要根據(jù)具體的、f來確定；當(dāng)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)確定后，各部分元器件是不變的，因此只能采用調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的方法來改變out，使其滿足互操作性要求。

2.2 系統(tǒng)頻率對(duì)系統(tǒng)效率的影響

根據(jù)式（6）可知?dú)w一化角頻率1/即系統(tǒng)頻率同樣對(duì)具有較大影響，根據(jù)式（6）繪制與的關(guān)系如圖6所示。

圖6 A-η關(guān)系示意圖

圖6中同樣選取了多組、f值，其曲線的升降變化規(guī)律一致，隨著的變化，出現(xiàn)一個(gè)極大值點(diǎn)，一個(gè)極小值點(diǎn)。同時(shí)在本文的模型條件下，極小值點(diǎn)4=0.775，極大值點(diǎn)5=1，其中4會(huì)隨著系統(tǒng)參數(shù)變化而發(fā)生偏移。隨著的變化的變化趨勢(shì)及增減區(qū)間見表4。

表4隨的變化區(qū)間

Tab.4 η change interval with A

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，車輛端與地面端設(shè)備正對(duì)時(shí)，系統(tǒng)效率需滿足≥85%；車輛端與地面端設(shè)備偏移時(shí)，系統(tǒng)效率需滿足≥80%。當(dāng)滿足上述條件時(shí)，系統(tǒng)滿足互操作性的效率要求。

值得注意的是，本文對(duì)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)僅做定性分析，本節(jié)中參數(shù)分析前提條件是地面端與車輛端參數(shù)對(duì)稱的情況。當(dāng)?shù)孛娑伺c車輛端參數(shù)非對(duì)稱時(shí)，除5≡1為效率的極大值點(diǎn)不會(huì)發(fā)生改變，前文所提的具有特殊性質(zhì)的點(diǎn)1～4均會(huì)發(fā)生偏移，同時(shí)在數(shù)值上也會(huì)出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)，但整體顯著的增減趨勢(shì)不會(huì)發(fā)生變化。通過上述對(duì)系統(tǒng)頻率特性的分析可知，頻率調(diào)節(jié)可以有效改變系統(tǒng)的out、，進(jìn)而影響系統(tǒng)互操作性。

2.3 系統(tǒng)頻率對(duì)互操作性影響仿真

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景而言，系統(tǒng)的電容值不會(huì)因充電環(huán)境改變等問題發(fā)生明顯變化，然而系統(tǒng)耦合線圈1、2或補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中補(bǔ)償電感f1、f2的電感值會(huì)由于車輛之間的相對(duì)偏移、線圈加工工藝以及周圍是否存在鐵磁性金屬異物等問題產(chǎn)生較大浮動(dòng)，影響系統(tǒng)的互操作性。

因此為模擬不同廠家地面端或車輛端設(shè)備中，電感參數(shù)存在差異導(dǎo)致系統(tǒng)互操作性差的問題，選定GB/T 38775中的推薦值為系統(tǒng)的初始值，同時(shí)考慮到不同廠家的設(shè)備之間盡管參數(shù)存在誤差，但該誤差不會(huì)過大，因此選取國(guó)標(biāo)推薦值以及該值中電感參數(shù)分別增減3%、5%時(shí)的數(shù)據(jù)作為仿真與實(shí)驗(yàn)參數(shù)，見表5。

表5 多組不同系統(tǒng)參數(shù)

Tab.5 Multiple groups of different system parameters

為驗(yàn)證前文理論的可行性，進(jìn)行仿真。選取電壓源（逆變后）恒壓輸入S=200V，負(fù)載電阻L=12.5Ω，線圈內(nèi)阻1,2=0.1Ω，諧振頻率=85.5kHz，耦合系數(shù)=0.185。在改變系統(tǒng)頻率的條件下系統(tǒng)輸出功率與系統(tǒng)效率如圖7、圖8所示。

圖7 不同系統(tǒng)參數(shù)下Pout與f的關(guān)系示意圖

圖8 不同系統(tǒng)參數(shù)下η與f的關(guān)系示意圖

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，在系統(tǒng)頻率變化的條件下，out、均會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)的輸出功率要求不同。當(dāng)輸出功率達(dá)到車輛端的用電需求時(shí)，系統(tǒng)滿足互操作性的功率要求，否則就不具有互操作性；同理國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)需滿足正對(duì)時(shí)≥85%，偏移時(shí)≥80%的條件，當(dāng)達(dá)到效率要求時(shí)，系統(tǒng)滿足互操作性的效率要求，否則系統(tǒng)將不具有互操作性。因此對(duì)于不同廠家、不同型號(hào)的地面端與車輛端而言，在一定范圍內(nèi)可以通過調(diào)節(jié)頻率的方法改變out、，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互操作性的提升。

2.4 調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率對(duì)提升互操作性方法

圖9 調(diào)節(jié)頻率提升互操作性流程

3 頻率調(diào)節(jié)提升系統(tǒng)互操作性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述理論分析的正確性，本文采用表5中系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。搭建3.7kW大功率無線充電互操作性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由：穩(wěn)壓電源、上位機(jī)、電子負(fù)載、地面端與車輛端逆變模塊、地面端與車輛端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、地面端與車輛端耦合線圈等組成，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。

圖10 3.7kW電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)互操作性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均由上位機(jī)自動(dòng)采集，但為了清晰地表示系統(tǒng)在頻率調(diào)節(jié)過程中的波形變化情況及系統(tǒng)諧振狀態(tài)，選取地面端逆變輸出的電壓S與電流S波形進(jìn)行分析，如圖11所示。圖11中的波形為表5中第5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的波形，此時(shí)占空比為0.5。根據(jù)電路原理可知，當(dāng)電路處于完全諧振狀態(tài)下，后級(jí)電路呈阻性，此時(shí)的S與S的相位差為0，系統(tǒng)互操作性最佳；當(dāng)實(shí)驗(yàn)中S相位超前于S相位時(shí)，系統(tǒng)的控制電路處于硬開通狀態(tài)，這對(duì)于系統(tǒng)而言非常危險(xiǎn)，因此實(shí)驗(yàn)前根據(jù)仿真與計(jì)算得到本組參數(shù)最佳諧振頻率為83.28kHz，根據(jù)本文中所提出的頻率調(diào)節(jié)方法，在83.5kHz處進(jìn)行上電實(shí)驗(yàn)，選取步長(zhǎng)為0.5kHz。在83.5kHz處發(fā)現(xiàn)S相位略滯后于S相位，為盡可能地體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的完整度，在83kHz處進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在83kHz處S相位略超前于S相位，此時(shí)盡管存在硬開關(guān)現(xiàn)象，但其電壓與電流仍在器件的應(yīng)力范圍之內(nèi)，卻不能長(zhǎng)時(shí)間在該狀態(tài)下運(yùn)行。由此確定實(shí)驗(yàn)的最佳諧振點(diǎn)位于83～83.5kHz之間，與仿真和計(jì)算結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

同時(shí)可以觀察到隨著頻率的變化，S的幅值及相位均發(fā)生變化。S幅值出現(xiàn)了明顯的下降；S相位滯后于S相位的相位差越來越大。因此在83～86.5kHz的區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)“失諧—諧振—失諧”的動(dòng)態(tài)變化過程，該過程也符合式（6）中在該頻段下對(duì)于系統(tǒng)效率的描述。

圖11 地面端逆變輸出部分電壓、電流波形

多組參數(shù)下實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12、圖13所示。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以觀察到：對(duì)于輸出功率而言，隨著系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，輸出功率在某一頻率范圍內(nèi)不但可以滿足互操作性的要求（85%、80%分別為耦合線圈正對(duì)、偏移時(shí)的要求），而且還可以通過小范圍的調(diào)節(jié)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的互操作性；對(duì)于系統(tǒng)效率而言，盡管在小范圍內(nèi)系統(tǒng)效率均滿足互操作性基本要求，但仍可以通過頻率調(diào)節(jié)的方式進(jìn)一步改善系統(tǒng)的互操作性。

圖12 多組參數(shù)下Pout與f的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖13 多組參數(shù)下η與f的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

圖12、圖13中虛線表示依據(jù)理論與仿真分析得到的近似趨勢(shì)，實(shí)線表示實(shí)驗(yàn)中實(shí)際測(cè)量值。這是由于系統(tǒng)頻率小于該系統(tǒng)的諧振頻率時(shí)，會(huì)出現(xiàn)地面端逆變器輸出電流相位超前于電壓相位的情況，即硬開關(guān)。這對(duì)于大功率實(shí)驗(yàn)而言非常危險(xiǎn)，由于超前于電壓的電流反向流經(jīng)二極管，一旦超出了器件的耐受值，易發(fā)生系統(tǒng)損毀甚至是爆炸的危險(xiǎn)。在這種情況下的實(shí)驗(yàn)毫無意義，但為完整地表述前文所提趨勢(shì)，采用理論與仿真結(jié)合的方法對(duì)諧振點(diǎn)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到83～90kHz區(qū)間內(nèi)完整的變化曲線。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難看出，系統(tǒng)的輸出功率與傳輸效率會(huì)隨系統(tǒng)頻率變化，即系統(tǒng)的互操作性會(huì)根據(jù)頻率進(jìn)行改變。當(dāng)系統(tǒng)頻率等于諧振頻率時(shí)，輸出功率與傳輸效率均達(dá)到最大值，系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，其變化趨勢(shì)同樣符合式（5）、式（6）的變化趨勢(shì)。因此證明了通過頻率調(diào)節(jié)的方法提升系統(tǒng)互操作性的可行性。但相較于仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值較低且諧振點(diǎn)均向右側(cè)偏移了0.25～0.5kHz，其主要原因有以下四點(diǎn)：

1）實(shí)驗(yàn)器件在配置過程中存在些許不可控誤差，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的金屬同樣會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。

2）電路存在損耗，如線圈分布電容、導(dǎo)線內(nèi)阻、磁屏蔽層等。

3）仿真系統(tǒng)搭建不完善，不能1:1還原實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境，造成實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果存在一定誤差。

4）控制電路內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生部分損耗，同時(shí)上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)工況的采集存在延時(shí)，造成統(tǒng)計(jì)誤差。

4 結(jié)論

針對(duì)不同廠家、不同型號(hào)的電動(dòng)汽車無線充電設(shè)備由于系統(tǒng)參數(shù)偏差導(dǎo)致互操作性不高的問題，本文首先針對(duì)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)進(jìn)行有效化簡(jiǎn)，定義了歸一化角頻率；之后利用的物理特性，通過改變實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)互操性提升，在此基礎(chǔ)上提出了一種通過頻率調(diào)節(jié)提升系統(tǒng)互操作性的方法。

本文搭建了電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)互操作性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過變頻的方式分析不同參數(shù)下，系統(tǒng)輸出功率及傳輸效率與的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)誤差控制在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了通過頻率調(diào)節(jié)提升系統(tǒng)互操作性的正確性，為電動(dòng)汽車無線充電互聯(lián)互通提供理論支撐和技術(shù)參考。

[1] 楊慶新, 章鵬程, 祝麗花, 等. 無線電能傳輸技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)與技術(shù)瓶頸問題[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(5): 1-8. Yang Qingxin, Zhang Pengcheng, Zhu Lihua, et al. Key fundamental problems and technical bottlenecks of the wireless power transmission technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(5): 1-8.

[2] 朱春波, 姜金海, 宋凱, 等. 電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2017, 41(2): 60-72. Zhu Chunbo, Jiang Jinhai, Song Kai, et al. Research progress of key technologies for dynamic wireless charging of electric vehicle[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(2): 60-72.

[3] 張波, 疏許健, 吳理豪, 等. 無線電能傳輸技術(shù)亟待解決的問題及對(duì)策[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2019, 43(18): 1-12. Zhang Bo, Shu Xujian, Wu Lihao, et al. Problems of wireless power transmission technology urgent to be solved and corresponding countermeasures[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(18): 1-12.

[4] 黃學(xué)良, 王維, 譚林林. 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)研究動(dòng)態(tài)與應(yīng)用展望[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2017, 41(2): 2-14. Huang Xueliang, Wang Wei, Tan Linlin. Technical progress and application development of magnetic coupling resonant wireless power transfer[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(2): 2-14.

[5] 吳理豪, 張波. 電動(dòng)汽車靜態(tài)無線充電技術(shù)研究綜述（上篇）[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(6): 1153-1165. Wu Lihao, Zhang Bo. Overview of static wireless charging technology for electric vehicles: part i[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(6): 1153-1165.

[6] 吳理豪, 張波. 電動(dòng)汽車靜態(tài)無線充電技術(shù)研究綜述（下篇）[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(8): 1662-1678. Wu Lihao, Zhang Bo. Overview of static wireless charging technology for electric vehicles: part II[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(8): 1662-1678.

[7] Yang Guang, Song Kai, Sun Ying, et al. Interoperability improvement for rectangular pad and DD pad of wireless electric vehicle charging system based on adaptive position adjustment[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, 57(3): 2613-2624.

[8] 薛明, 楊慶新, 章鵬程, 等. 無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(8): 1547-1568. Xue Ming, Yang Qingxin, Zhang Pengcheng, et al. Application status and key issues of wireless power transmission technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(8): 1547-1568.

[9] 賈金亮, 閆曉強(qiáng). 磁耦合諧振式無線電能傳輸特性研究動(dòng)態(tài)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(20): 4217-4231. Jia Jinliang, Yan Xiaoqiang. Research tends of magnetic coupling resonant wireless power transfer characteristics[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(20): 4217-4231.

[10] 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局, 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 38775.1—2020 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)第１部分：通用要求[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2020.

[11] SAE J2954_201904. Wireless power transfer for light-duty plug-in/electric vehicles and alignment methodology wireless power transfer for light-duty plug-in/electric vehicles and alignment methodology[S]. 2019.

[12] IEC 61980-1: 2015/COR1: 2017 Corrigendum 1-Electric vehicle wireless power transfer (WPT) systems-Part 1: General requirements[S]. 2017.

[13] Seho K, Grant A C, John T B. Tripolar pad for inductive power transfer systems for EV charging[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(7): 5045-5057.

[14] Grant A J E, Grant A C, Dariusz K, et al. A new concept: asymmetrical pick-ups for inductively coupled power transfer monorail systems[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2006, 42(10): 3389-3391.

[15] 張獻(xiàn), 白雪寧, 沙琳, 等. 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)線圈間互操作性評(píng)價(jià)方法研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(19): 4150-4160. Zhang Xian, Bai Xuening, Sha Lin, et al. Design and optimization of circular magnetic structures for lumped inductive power transfer systems[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(19): 4150-4160.

[16] 楊光, 宋凱, 黃曉華, 等. 用于電動(dòng)汽車無線充電線圈互操作性評(píng)價(jià)的量規(guī)設(shè)備研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(增刊2): 363-370. Yang Guang, Song Kai, Huang Xiaohua, et al. Research on the gauge device for coil interoperability evaluation of wireless electric vehicle charging[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(S2): 363-370.

[17] Mickel B, Grant A C, John T B. Design and optimization of circular magnetic structures for lumped inductive power transfer systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(11): 3096-3108.

[18] Mickel B, John T B, Grant A C, et al. Development of a single-sided flux magnetic coupler for electric vehicle IPT charging systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(1): 318-328.

[19] Adeel Z, Hao H, Grant A. C, et al. Investigation of multiple decoupled coil primary pad topologies in lumped IPT systems for interoperable electric vehicle charging[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(4): 1937-1955.

[20] Abiezer T, Seho K, Lin Feiyang, et al. A hybrid solenoid coupler for wireless charging applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(6): 5632-5645.

[21] Zhu Qingwei, Wang Lifang, Liao Chenglin. Compensate capacitor optimization for kilowatt-level magnetically resonant wireless charging system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(12): 6758-6768.

[22] Li Siqi, Li Weihan, Deng Junjun, et al. A double-sided LCC compensation network and its tuning method for wireless power transfer[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2015, 64(6): 2261-2273.

[23] Li Weihan, Zhao Han, Deng Junjun, et al. Comparison study on SS and double-sided LCC compensation topologies for EV/PHEV wireless chargers[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(6): 4429-4439.

[24] Yan Zhengchao, Zhang Yiming, Zhang Kehan, et al. Fault-tolerant wireless power transfer system with a Dual-Coupled LCC-S topology[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2019, 68(12): 11838-11846.

[25] Li Weihan, Zhao Han, Li Siqi, et al. Integrated LCC compensation topology for wireless charger in electric and plug-in electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(7): 4215-4225.

[26] 張獻(xiàn), 楊慶新, 陳海燕, 等. 電磁耦合諧振式傳能系統(tǒng)的頻率分裂特性研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(9): 167-173. Zhang Xian, Yang Qingxin, Chen Haiyan, et al. Research on characteristics of frequency splitting in electromagnetic coupling resonant power transmission systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(9): 167-173.

Research on Improving Interoperability of Electric Vehicle Wireless Power Transfer Based on Frequency Adjustment

Chen Zhixin1Zhang Xian1Sha Lin2Yang Qingxin1Sun Yu3Liu Lidong4

（1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin 300131 China 2. Tianjin Key Laboratory of Electrical Equipment Intelligent Control Tiangong University Tianjin 300387 China 3. China Electrotechnical Society Beijing 100055 China 4. Hengdian Group DMEGC Magnetics Co. Ltd Jinhua 322118 China）

In recent years, electric vehicle wireless power transfer technology has been popularized and promoted due to its advantages of high safety, high reliability, high energy efficiency and high adaptability. However, with the development of the technology, it will inevitably lead to the coexistence of multiple manufacturers, models and technical routes. There are obvious differences in power level, transmission distance, coil type, compensation structure, control mode, packaging process, communication and other aspects. Therefore how to realize the interoperability between ground terminal equipments and vehicle terminal equipment which comes from different manufacturers and models has become the key to the development of electric vehicle wireless wireless power transfer technology. This paper proposes a method to improve system interoperability based on frequency regulation. And according to this method the output characteristics of systems without interoperability or with poor interoperability can be improved in a wide range.

Firstly, the fundamental wave analysis method is used to construct the KVL equation for the wireless power transfer system of LCC-LCC type electric vehicle. By defining the normalized angular frequency, the circuit similar quality factorandfto characterize the system frequency and the inherent parameter characteristics and simplify the equation of the system. Then simplify the expressions of the system output power and system efficiency by using the relationship of the order of magnitude under. According to the above study, the change curves of the output power and system efficiency under different system parameters are determined.

The above analysis proves theoretically the influence of system frequency on interoperability. A method to improve the interoperability of the wireless power transfer system based on frequency regulation is proposed.S,S,L,Lis the power supply voltage, power supply current, load voltage and load current respectively. First, determine the optimal resonance point of the system through simulation and record the system frequency at this point as0. The experiment starts from0,at the same time, determine the maximum valuesoutmaxandmaxofoutand, and the maximum allowable error rangesPandηofoutandaccording to the simulation.Then the system frequency was adjusted. During the experiment, theS,S,L,Lin the circuit was measured and calculateoutand.Select the frequency change step as Δ(Δ＞0) .Set the system frequency to0+Δ(=0, 1, 2,…) and it is called forward frequency modulation.Recordoutmax-out=εandmax-=ε, and judge the relationship betweenεandε, εandε.If the value satisfiedε≤εandε≤ε, then the system has met the interoperability requirements. If not, continue to stack the steps. When the frequency changes to the critical point of the specified frequency range, if interoperability has not been achieved, reverse frequency modulation will be carried out like forward adjustment.

The experimental results show that the output power and transmission efficiency of the system will change with the change of system frequency and the interoperability of the system will change according to the frequency too. This provides the feasibility of improving system interoperability through frequency regulation. However, compared with the simulation results, the experimental results are relatively low and the resonance points are shifted to the right by 0.25～0.5 kHz. The main reasons are environmental interference, device loss, statistical error, etc.

Wireless power transfer, interconnection, interoperability, frequency adjustment, normalized angular frequency

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52122701，51977147，51807138）。

2021-10-30

2021-12-24

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211746

TM724

陳志鑫 男，1995年生，博士研究生，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸技術(shù)，工程電磁場(chǎng)與磁技術(shù)等。E-mail：chenzhixintgd@163.com

張 獻(xiàn) 男，1983年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸技術(shù)，工程電磁場(chǎng)與磁技術(shù)等。E-mail：zxshow1983@163.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）