北京
引用論文
張保坤, 鄧鈞君, 王震坡, 陳德亮, 李藍(lán)天, 李明洋. 電動(dòng)汽車雙向無線電能傳輸系統(tǒng)研究綜述[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(8): 170-192.
ZHANG Baokun, DENG Junjun, WANG Zhenpo, CHEN Deliang, LI Lantian, LI Mingyang. Review of Bidirectional Wireless Power Transfer Systems for Electric Vehicles[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(8): 170-192.
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隨著電動(dòng)汽車保有量的持續(xù)增長和車網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，亟需電動(dòng)汽車雙向充放電接口的研究與開發(fā)。憑借便捷、靈活、互動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，雙向無線電能傳輸系統(tǒng)得到了日益廣泛的關(guān)注 。北京理工大學(xué)王震坡教授團(tuán)隊(duì)綜述了電動(dòng)汽車雙向無線電能傳輸系統(tǒng)的重要技術(shù)、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，首先，總結(jié)了基于兩級(jí)式和單級(jí)式功率變換的主功率拓?fù)涞南嚓P(guān)研究。其次，對(duì)比了主流的補(bǔ)償拓?fù)浼疤匦裕治隽搜a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與互操作性的關(guān)系。再次，歸納了系統(tǒng)建模和控制方法，梳理了效率優(yōu)化策略的發(fā)展脈絡(luò)，匯總了無線信號(hào)傳輸?shù)南辔煌郊夹g(shù)。最后，針對(duì)現(xiàn)有研究的局限性，提出了技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和研究思路；以期促進(jìn)雙向無線電能傳輸系統(tǒng)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新及推廣應(yīng)用 。
本文作為《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2025年第8期的封面文章發(fā)表，期望相關(guān)工作為電動(dòng)汽車雙向無線電能傳輸系統(tǒng)研究提供參考。
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研究背景
在碳中和背景下，電動(dòng)汽車的大規(guī)模接入給電網(wǎng)帶來了功率波動(dòng)等挑戰(zhàn)，促使車網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)（V2G）快速發(fā)展。本文圍繞電動(dòng)汽車雙向無線電能傳輸（BWPT）系統(tǒng)展開研究，該系統(tǒng)因其非接觸、高自動(dòng)化、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為替代傳統(tǒng)有線充放電的關(guān)鍵方案。論文系統(tǒng)綜述了國內(nèi)外在BWPT領(lǐng)域的研究進(jìn)展，深入剖析了其核心組成（如主功率拓?fù)洹⒀a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與控制通信等關(guān)鍵技術(shù)），并基于當(dāng)前成果提出未來的發(fā)展方向，為推動(dòng)智能、高效、低碳的車網(wǎng)融合提供理論支撐與技術(shù)參考。
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電動(dòng)汽車 BWPT 系統(tǒng)及研究進(jìn)展
通過詳細(xì)分析BWPT系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡明了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充放電雙向能量流動(dòng)所需的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與轉(zhuǎn)換策略，指出系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高效率功率傳輸與智能控制方面的技術(shù)路徑。論文系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外在BWPT系統(tǒng)的研究進(jìn)展，包括德國、美國、法國及中國等地的典型樣機(jī)參數(shù)和性能數(shù)據(jù)，顯示出當(dāng)前系統(tǒng)最高效率可達(dá)93%，氣隙可達(dá)28cm，功率水平最高為22 kW，充分展示出BWPT系統(tǒng)技術(shù)的可行性與先進(jìn)性。
此外，歸納了全球主要研究機(jī)構(gòu)（如奧克蘭大學(xué)、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)、中科院電工所等）及其在系統(tǒng)建模、功率拓?fù)洹⒖刂撇呗浴o線通信等方面的代表性成果和研究方向，展現(xiàn)出該領(lǐng)域正在由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證向?qū)嶋H應(yīng)用邁進(jìn)。盡管當(dāng)前成本較高，仍具備顯著的發(fā)展?jié)摿Γ侵悄茈妱?dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵突破口與熱點(diǎn)前沿。
圖1 典型的電動(dòng)汽車BWPT系統(tǒng)框圖
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主功率拓?fù)?/strong>
AC-DC-AC 兩級(jí)式
主功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)通常包括AC-DC變換單元（功率因數(shù)校正模塊）和DC-AC高頻變換單元，直流鏈路使用直流支撐電容器以減少電壓紋波。
電壓源型與電流源型變換器：電壓源型變換器適用于直流電壓穩(wěn)定輸出，而電流源型需要大電感并能提供更好的電流應(yīng)力和短路保護(hù)，但增大了系統(tǒng)體積和成本。
全橋變換器：在BWPT系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，因其開關(guān)管電壓較低，功率大，并可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但控制較復(fù)雜且損耗較大。
多電平變換器：適合高壓、大功率應(yīng)用，通過降低諧波含量和開關(guān)電壓應(yīng)力提高系統(tǒng)效率，然而其控制復(fù)雜，且成本較高。
系統(tǒng)挑戰(zhàn)：包括高功率損耗，復(fù)雜的控制策略，及中間直流支撐電容的使用對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
圖2 DC-AC 高頻變換器的基本類型
AC-AC 單級(jí)式
矩陣變換器：這種變換器可實(shí)現(xiàn)AC-AC功率轉(zhuǎn)換，并能控制功率流動(dòng)方向。其缺點(diǎn)包括需要復(fù)雜的換向算法和較多的功率開關(guān)器件，增加了系統(tǒng)的控制難度。
控制策略：包括移相調(diào)制技術(shù)，用于調(diào)節(jié)功率傳輸?shù)姆较蚝痛笮。捎谟查_關(guān)狀態(tài)，存在較高的諧波失真。也有研究采用能量注入與自由振蕩技術(shù)來減少換流復(fù)雜度，改進(jìn)系統(tǒng)效率。
優(yōu)化設(shè)計(jì)：提出了新型單級(jí)AC-AC變換器設(shè)計(jì)，減少了功率開關(guān)數(shù)量，并在一定條件下保持較高的效率和較低的總諧波失真。
研究成果：基于不同的變換器拓?fù)淙缇仃囎儞Q器和集成功率級(jí)變換器，研究了功率因數(shù)校正和效率優(yōu)化等目標(biāo)。
圖3 基于矩陣變換器的 BWPT 系統(tǒng)
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補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)
補(bǔ)償拓?fù)漕愋?/strong>
補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的作用：補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)能夠在松耦合的電動(dòng)汽車無線電能傳輸系統(tǒng)中，增強(qiáng)能量傳輸效率，降低無功功率，并提高功率傳輸能力。常見的補(bǔ)償拓?fù)浒ù?lián)(S)、并聯(lián)(P)、LCL、電感-電容-電感(LCC)補(bǔ)償?shù)阮愋汀?/p>
補(bǔ)償拓?fù)鋵?duì)性能的影響：
SS拓?fù)?/strong>：簡潔的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但在弱耦合條件下效率較低，且線圈存在過流風(fēng)險(xiǎn)。
雙邊LCL拓?fù)?/strong>：常用于恒流輸出，能實(shí)現(xiàn)較高的功率因數(shù)，盡管存在諧波影響，但系統(tǒng)傳輸效率較高。
雙邊LCC拓?fù)?/strong>：補(bǔ)償電感較小，輸出功率較高，適用于輕載條件下，同時(shí)在偏移時(shí)具有較好的安全性能。
LCC-S拓?fù)?/strong>：提供較高的設(shè)計(jì)自由度，在正向和反向傳輸時(shí)可調(diào)節(jié)功率流向，但對(duì)相位差敏感，且在電池短路時(shí)不具備安全性。
拓?fù)溥x擇的依據(jù)：根據(jù)應(yīng)用需求和車載端的緊湊化要求選擇相應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。例如，輕量化要求下選擇SS補(bǔ)償，而要實(shí)現(xiàn)恒壓輸出則推薦使用LCC-S補(bǔ)償。
圖4 BWPT 系統(tǒng)常用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)
互操作性
互操作性概述：互操作性指的是不同型號(hào)和版本的無線電能傳輸設(shè)備，在不同工況下能夠兼容工作，保證充電安全并滿足性能需求。其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括在不同氣隙、負(fù)載條件下的功率輸出和系統(tǒng)效率。
互操作性的三個(gè)方面：
通信互操作性：確保地面端和車載端設(shè)備的通信層可互操作。
磁路互操作性：傳能線圈的耦合效果是影響互操作性的關(guān)鍵因素。地面端和車載端通常采用相同類型的線圈，以確保充分的磁通量傳輸。
電氣互操作性：通過端口阻抗來衡量設(shè)備在不同工作條件下的電氣性能。如果兩端電路拓?fù)淦ヅ洌隳苡行鬏斈繕?biāo)功率。
提升電氣互操作性的方法：
使用可調(diào)諧補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)電抗元件來彌補(bǔ)設(shè)計(jì)中的變化。
在高頻變換單元中使用可控功率開關(guān)器件，或者增加DC-DC變換器來調(diào)整和增強(qiáng)電氣互操作性。
LCC補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)：LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)因其設(shè)計(jì)靈活、功率流動(dòng)特性好、且具有高安全性與強(qiáng)互操作性，成為適用于電動(dòng)汽車BWPT系統(tǒng)的優(yōu)選之一。
圖5 提高電氣互操作性的方法
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控制與通信
系統(tǒng)建模方法
穩(wěn)態(tài)模型是分析系統(tǒng)穩(wěn)定條件下的傳輸特性以及設(shè)計(jì)、優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)的重要工具，廣泛采用耦合模理論和電路互感理論進(jìn)行建模。
動(dòng)態(tài)模型是分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及設(shè)計(jì)控制器的基礎(chǔ)，理想的動(dòng)態(tài)模型應(yīng)具有連續(xù)、線性、時(shí)不變等特性，常用方法包括廣義狀態(tài)空間平均法、擴(kuò)展描述函數(shù)法和動(dòng)態(tài)相量變換法。
圖6 建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的一般步驟
系統(tǒng)控制方法
控制對(duì)象為高頻變換單元，其控制自由度包括頻率、相位和占空比等。具體分為能量注入與自由振蕩控制、變頻控制、脈沖密度控制、變脈寬控制和多自由度控制。
控制對(duì)象為DC-DC變換器，其控制自由度為占空比，一方面可以調(diào)節(jié)輸出電壓/電流，另一方面可視作直流變壓器，通過改變等效負(fù)載阻抗來優(yōu)化效率。
控制對(duì)象為可變諧振網(wǎng)絡(luò)，其控制自由度為諧振網(wǎng)絡(luò)及參數(shù)。具體分為混合補(bǔ)償拓?fù)洹⒖芍貥?gòu)補(bǔ)償拓?fù)洹⒖勺冄a(bǔ)償參數(shù)。
圖7 可變電容方案：并聯(lián)電容陣列和開關(guān)控制電容
相位同步技術(shù)
主要分為以下三類方法：① 在接收端放置輔助線圈實(shí)現(xiàn)相位同步；② 基于接收端變換器端口的有功和無功功率實(shí)現(xiàn)相位同步；③ 基于接收端電流實(shí)現(xiàn)相位同步。
近年來，利用能量傳輸通道同時(shí)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)臒o線能量與信息并行傳輸技術(shù)（又稱作能信同傳技術(shù)）也得到了愈發(fā)廣泛的關(guān)注。
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趨勢(shì)與展望
從電動(dòng)汽車入網(wǎng)技術(shù)落地應(yīng)用與無線電能傳輸產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)多功率等級(jí)互操作、寬功率范圍高效、雙向功率流雙端協(xié)同控制是雙向無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。這有賴于各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的探索以解決雙向無線電能傳輸系統(tǒng)高效運(yùn)行、協(xié)同控制和多設(shè)備互操作等問題。
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團(tuán)隊(duì)研究方向
團(tuán)隊(duì)長期從事新能源運(yùn)載裝備無線電能傳輸?shù)幕A(chǔ)理論與應(yīng)用研究工作，重點(diǎn)開展了電磁耦合機(jī)構(gòu)多目標(biāo)設(shè)計(jì)、高階諧振變換拓?fù)錁?gòu)建、寬工況范圍高效調(diào)控等研究；提出了磁集成線圈多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、基于雙傳能通道的可重構(gòu)磁耦合諧振拓?fù)洌约叭葡嗾{(diào)制結(jié)合開關(guān)電容調(diào)諧的諧振變換器高效調(diào)控技術(shù)，研制了3-30 kW系列化電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)裝備，突破了寬功率范圍高效、單車位兼容多車型、行-泊-充一體化自動(dòng)無線充電等技術(shù)難題，并在北京冬奧首鋼園、國網(wǎng)江蘇電科院等地開展了示范應(yīng)用。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
王震坡， 北京理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心(教育部“2011計(jì)劃”)常務(wù)副主任，入選國家高層次人才。近年來主持了國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家863計(jì)劃項(xiàng)目多項(xiàng)，發(fā)表第一作者或通訊作者SCI論文數(shù)十篇，獲授權(quán)發(fā)明專利數(shù)十項(xiàng)，第一作者出版專(譯)著多部。獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、省部級(jí)科研一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì) 。
鄧鈞君，北京理工大學(xué)長聘副教授、博士生導(dǎo)師。長期從事新能源汽車領(lǐng)域車網(wǎng)互動(dòng)、無線充電和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等方向的理論研究和工程技術(shù)攻關(guān)工作。近年來主持了國家科技重大專項(xiàng)子課題、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目多項(xiàng)；以第一或通訊作者發(fā)表SCI/EI論文40余篇；獲省部級(jí)、行業(yè)級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)和教育教學(xué)成果獎(jiǎng)多項(xiàng)；擔(dān)任《Green Energy and Intelligent Transportation》編委，擔(dān)任中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)無線電能傳輸技術(shù)專業(yè)委員會(huì)委員等 。
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團(tuán)隊(duì)近2年代表論著
[1] Wang Z，Li L，Deng J，et al. Magnetic coupler robust optimization design for electric vehicle wireless charger based on improved simulated annealing algorithm[J]. Automotive Innovation，2022，5(1)：29-42.
[2] Chen D，Deng J，Wang W，et al. A dual-transformer-based hybrid dual active bridge converter for plug-in electric vehicle charging to cope with wide load voltages[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2023，70(2)：1444-1454.
[3] Zhang B，Deng J，Wang W，et al. Multiobjective thermal optimization based on improved analytical thermal models of a 30-kW IPT system for EVs[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification，2023，9(1)：1910-1926.
[4] Fu N，Deng J，Wang Z，et al. An LCC-LCC compensated WPT system with switch-controlled capacitor for improving efficiency at wide output voltages[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2023，38(7)：9183-9194.
[5] Li M，Deng J，Zhang Z，et al. A hybrid modulation strategy based on tandem-half-bridge WPT converter for efficiency optimization within wide operation range[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2024，39(4)：4824-4836.
[6] Wang W，Deng J，Li M，et al. Arbitrary power distribution and efficiency optimization for dual-receiver inductive power transfer system with variable coupling[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2024, 11(1): 302-313.
作 者：王震坡
責(zé)任編輯：杜蔚杰
責(zé)任校對(duì)：張 強(qiáng)
審 核：張 強(qiáng)
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JME學(xué)院是由《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》編輯部2018年創(chuàng)建，以關(guān)注、陪伴青年學(xué)者成長為宗旨，努力探索學(xué)術(shù)傳播服務(wù)新模式。首任院長是中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)監(jiān)事會(huì)監(jiān)事長、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》中英文兩刊主編宋天虎。
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