电动汽车动态无线充电用宽软开关范围双输出高频逆变器的设计与实现

《Wireless Power Transfer》：Design and implementation of a high-frequency inverter with wide soft-switching range for dynamic wireless charging of electric vehicles

本文提出一种用于电动汽车动态无线充电的双输出零电压开关（ZVS）高频逆变器，旨在解决多发射器无线功率传输（WPT）系统需多个逆变器及复杂相位同步控制的问题。该逆变器可产生两个相同输出电压以同步驱动两段发射线圈，从而减少系统所需逆变器和开关数量，并简化控制。文章分析了逆变器输出电压增益特性，构建了系统等效数学模型，并研究了其软开关工作状态。理论分析与实验结果表明，基于该逆变器的WPT系统在接收线圈移动过程中能保持高效率传输，最高效率超过90%。

　　

引言

无线功率传输（WPT）技术利用电力电子技术与现代控制理论，通过软介质实现非接触式无线能量传输，被世界经济论坛（WEF）连续两年列为对世界影响最大、最有可能为全球挑战提供答案的十大新兴技术之一。它解决了传统接触式输电方式的诸多问题，尤其在极端、恶劣和复杂环境（如深海、深空、易燃易爆工作环境）下的设备供电问题，满足了人们对电气设备安全性、灵活性和可靠性的要求。WPT技术因其安全、方便、灵活、不受结构和拓扑限制等优点成为研究热点，近年来逐渐应用于移动负载（如电动汽车无线充电、物流系统中的运输车辆、仓储系统中的传输机构、变电站中的巡检机器人等），即动态WPT系统。

拓扑结构与工作模式分析

双输出逆变器的电路结构

所提出的用于WPT系统的双输出ZVS逆变器拓扑如图所示。该双输出逆变器由两个开关S₁、S₂，电感L₀和电容C₀构成。能量发射端采用具有恒流输出特性的LCC谐振补偿网络，由补偿电容C_a1、C_a2、C_p1、C_p2以及补偿电感L_a1和L_a2组成。L_s表示接收线圈，C_s表示串联谐振补偿电容，R为系统等效负载电阻。M₁₂表示L_p1与L_p2之间的交叉互感；M₁和M₂分别为L_s与L_p1、L_p2之间的互感。

工作原理

为分析逆变器工作原理，作如下假设：电感和电容为理想元件，C₀足够大以保持其两端电压恒定；所有开关的内阻和压降为零；各能量发射器参数对称。考虑交叉互感影响，系统谐振角频率ω₀和谐振频率f₀的表达式如文中公式所示。当开关频率f_S等于f₀时，逆变器关键工作波形如图所示。该逆变器在一个工作周期内有11种工作模式，详细分析了每种模式的电流换流过程及软开关实现条件。分析表明，S₁和S₂均能实现ZVS开通，其条件分别为i_S2(t₀) > 0和i_S1(t₅) > 0。

性能分析

电压增益分析

基于工作原理，推导出电感L₀的电压表达式，并应用伏秒平衡定理得到电容C₀电压V_C0和逆变器输入电压幅值V_B的表达式。通过对两个输出电压v_o1和v_o2进行傅里叶级数展开，得到其基波分量有效值。定义逆变器输出电压增益M_v-p为基波分量有效值与输入电压V_in之比。M_v-p与占空比D呈正相关，当D=0.5时，M_v-p为0.9003，最大增益M_v-pmax为1.391。

对比分析

将所提出的双输出逆变器与现有典型逆变器（如电压型半桥、全桥、矩阵变换器、多电平和三相逆变器）进行对比。结果表明，所提逆变器具有更宽的电压增益范围，且能以更少的开关器件实现双输出，适用于同步驱动更多发射线圈。

功率系统输出功率分析

应用基波等效原理，将系统简化为互感等效电路。基于基尔霍夫电压定律（KVL），推导出系统电压与电流的关系矩阵。在谐振状态下，求解得到各支路电流表达式。分析发现，i_p1和i_p2幅值相等、相位相同，且与R、M₁和M₂无关，从而无需复杂相位同步控制即可在两发射线圈中产生同相高频电流。系统输出功率P_out表达式表明，P_out与占空比D以及互感之和M₁+ M₂的平方呈正相关。

软开关工作条件

开关S₁和S₂的电压应力均为V_B。通过分析开关电流表达式，并结合LCC网络在高次谐波下的简化模型，计算得到开关开通时刻的电流值。分析表明，i_S2(t₀)始终为正，确保S₁在任何接收线圈位置都能实现ZVS开通。而i_S1(t₅)的极性取决于M₁+ M₂和D的值；当M₁+ M₂较大（接收线圈靠近发射线圈中心）时，易于实现S₁的ZVS关断；当M₁+ M₂较小（接收线圈靠近发射线圈边缘）时，易于实现S₂的ZVS开通。无论如何，逆变器总能实现两种软开关状态，降低开关损耗。

实验验证

实验原型配置

为验证理论分析的正确性以及所提双输出逆变器的可行性与优越性，根据主要系统参数搭建实验平台。实验装置包括DSP和FPGA控制器、双输出逆变器、谐振补偿网络、耦合机构和负载电阻。耦合机构示意图及互感M₁、M₂、M₁₂随位置x的变化关系经测量得出。

稳态特性测试

在不同x位置和D值下，测量逆变器输出电压和发射线圈电流的实验波形。结果表明，两发射线圈电流i_Lp1和i_Lp2的幅值和相位基本一致，验证了同步驱动能力。随着D增大，输出电压V_B和轨线电流有效值相应增加，验证了逆变器的电压输出能力。开关波形测试显示，S₁和S₂在不同x和D下均能实现ZVS开通。系统输出功率P_out和效率η的特性曲线表明，P_out随接收线圈移动而波动，在x = -7.5 cm和x = 7.5 cm（接收线圈正对发射线圈）时达到最大值，与理论分析一致。效率η也随x波动，但在不同x和D下均能保持较高水平，最高效率超过90%，最低约85%。

动态特性测试

在D=0.5和x=-7.5 cm条件下，测试系统负载变化时的波形。结果表明，负载变化时，除i_L0相应调整外，其余参数保持稳定。系统对负载变化的响应时间仅为几毫秒，表现出快速的动态响应。

讨论

所提出的高频双输出逆变器代表了电动汽车动态WPT领域的重要进展。其宽输出电压增益范围和ZVS特性有效降低了系统复杂度和开关损耗。实验验证了系统的高传输效率和快速动态响应。然而，输出功率波动抑制这一动态WPT系统中的关键问题尚未完全解决，未来研究将聚焦于开发有效的抑制技术以提升系统稳定性。

结论

本文提出了一种用于电动汽车动态WPT的宽软开关范围高频双输出逆变器。该逆变器能产生两个相同输出电压以同步驱动两段发射线圈，减少所需逆变器数量并简化控制。其输出电压增益范围为[0, 1.39]，能以较少开关器件保证电压输出能力。开关器件能实现零电压软开关，最小化开关损耗。实验表明，基于该逆变器的WPT系统在接收线圈不同位置均能保持高传输效率，最高效率超90%，且具有快速动态响应。未来研究将集中于电动汽车动态无线充电系统的输出功率波动抑制技术。