电动汽车无线充电系统DDDQ型磁耦合结构研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.06.001

摘要/Abstract

摘要：

磁耦合结构作为无线充电系统中的关键部件，极大程度上决定了电动汽车无线充电系统的整体性能。本文提出了一种双正交DD线圈（DDDQ线圈）型磁耦合结构，其不仅可以通过线圈间的耦合互补，提高无线充电系统的抗偏移能力，还可以兼容静态无线充电场景及动态无线充电场景。为了验证所提出的耦合结构系统性能，本文首先分别建立了静态及动态无线充电系统仿真模型进行分析。仿真结果证明，DDDQ型磁耦合结构能够提升静态无线充电系统在偏移时的耦合能力，减小了动态无线充电过程中的耦合波动；其次，选用LCC-S补偿拓扑结构对系统进行功率补偿，分别搭建并比较不同磁耦合结构的静态无线充电系统的输出特性，结果表明基于DDDQ型磁耦合结构的系统存在偏移时仍能保持良好的传输能力，继而将DDDQ型磁耦合结构应用于动态无线充电场景，通过配置相关补偿参数后实现了系统高效的谐振传输；最后，按照相关标准选取了车内外多个监测点对系统在不同场景下的电磁安全性进行了仿真评估。结果表明DDDQ型磁耦合结构符合电磁安全标准。

关键词: 电动汽车, 无线充电, 补偿拓扑, 磁耦合结构, 电磁安全

Abstract:

The magnetic coupling mechanism， as the key component in the wireless charging system for electric vehicles， greatly determines the overall performance of the system. In this paper， a double D double Quadrature （DDDQ） magnetic coupled structure is proposed， which can not only improve the anti-offset capability of wireless charging system through coupling and complementing of the coils， but also be compatible with static wireless charging scenarios and dynamic wireless charging scenarios. To verify the performance of the proposed coupling structure， in this paper firstly simulation models for both static and dynamic wireless charging systems are established for testing and analysis. The simulation results show that the DDDQ magnetic coupling structure enhances coupling capability under offset conditions in static wireless charging and reduces coupling fluctuations in dynamic wireless charging. Secondly， the LCC-S compensation topology is chosen to compensate the power of system， and the output characteristics of static wireless charging system with different magnetic coupled structures are built and compared respectively， it is shown that wireless charging system based on the DDDQ magnetic coupled structure can still maintain better transmission capability in the case of misalignment. Then， the DDDQ magnetic coupled structure is applied to dynamic wireless charging scenario， and efficient resonant transmission is realized after configuring parameters. Finally， multiple test simulation points inside and outside the vehicle are selected according to relevant standards to evaluate the electromagnetic safety of the system in different scenarios. The results show that the DDDQ magnetic coupling structure meets electromagnetic safety standards.

Key words: electric vehicles, wireless charging, compensation circuit topology, magnetic coupled structure, electromagnetic safety

杨阳,章治,许博,董扬. 电动汽车无线充电系统DDDQ型磁耦合结构研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(6): 1007-1021.

Yang Yang,Zhi Zhang,Bo Xu,Yang Dong. Research on the DDDQ Magnetic Coupled Structure of the Wireless Charging System for Electric Vehicles[J]. Automotive Engineering, 2025, 47(6): 1007-1021.

图/表 29

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参考文献 28

1	邓衍辉，李剑，卢国强，等. 考虑分区域动态电价机制引导的电动汽车充电优化策略［J］. 电力系统保护与控制， 2024， 52 （7）： 33-44. DOI：10.19783/j.cnki.pspc.230931.
	DENG Y H， LI J， LU G Q， et al. Optimization strategy of electric vehicle charging considering the guidance of sub-regional dynamic tariff mechanism［J］. Power System Protection and Control， 2024， 52（7）： 33-44. DOI：10.19783/j.cnki.pspc.230931.
2	姜晓锋，魏巍，王永灿，等.“车—路—网”协同优化下的电动汽车有序充电引导策略［J］.电力科学与技术学报，2023，38（5）：44-56. DOI：10.19781/j.issn.1673-9140.2023.05.005.
	JIANG X F， WEI W， WANG Y C， et al. An orderly charging guidance strategy for electric vehicles under vehicle-road-network cooperative optimization［J］. Journal of Electric Power Science and Technology， 2023， 38（5）： 44-56. DOI：10.19781/j.issn.1673-9140.2023.05.005.
3	吴忠强，张长兴.考虑配电网负荷的电动汽车分布式充电控制［J］.汽车工程， 2023， 45（4）： 598-608. DOI：10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.008.
	WU Z Q，ZHANG C X. Distributed charging control of electric vehicles considering distribution network load［J］. Automotive Engineering， 2023，45（4）：598-608. DOI：10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.008.
4	左世全.解读新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）［J］.智能网联汽车， 2020（6）： 21-23.
	ZUO S Q. Interpretation of new energy automobile industry development plan （2021-2035）［J］. Intelligent Networked Vehicles， 2020（6）： 21-23.
5	崔淑梅，宋贝贝，王志远.电动汽车动态无线供电磁耦合机构研究综述［J］.电工技术学报，2022，37（3）：537-554. DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201543.
	CUI S M，SONG B B，WANG Z Y. A review of research on dynamic wireless supply electromagnetic coupling mechanism for electric vehicles［J］. Journal of Electrotechnology， 2022， 37（3）： 537-554. DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201543.
6	李延杰，李峰，周思齐，等.大传输距离下电动汽车无线充电系统优化［J］.北京工业大学学报，2024，50（4）：405-416.
	LI Y J，LI F，ZHOU S Q，et al.Optimization of wireless charging system for electric vehicles with large transmission distance［J］. Journal of Beijing Institute of Technology， 2024， 50（4）： 405-416.
7	吴理豪，张波.电动汽车静态无线充电技术研究综述（上篇）［J］.电工技术学报， 2020， 35（6）： 1153-1165. DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190106.
	WU L H， ZHANG B. A review of static wireless charging technology for electric vehicles （Part I）［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2020， 35（6）： 1153-1165. DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190106.
8	吴理豪，张波.电动汽车静态无线充电技术研究综述（下篇）［J］.电工技术学报， 2020， 35（8）： 1662-1678. DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190107.
	WU L H， ZHANG B. A review of static wireless charging technology for electric vehicles （Part II）［J］. 2020， 35（8）： 1662-1678. DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190107.
9	QIN R Y， LI J，SUN J J， et al. Shielding design for high-frequency wireless power transfer system for EV charging with self-resonant coils［J］.IEEE Transactions on Power Electronics， 2023， 38（6）： 7900-7909.
10	WANG Y D，WANG F Y，TIAN Y， et al. Surrogate-assisted multiobjective optimization of double-D coil for inductive power transfer system with LCC-LCC compensation network［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2023：1-13.
11	张献，白雪宁，沙琳，等. 电动汽车无线充电系统不同结构线圈间互操作性评价方法研究［J］. 电工技术学报， 2020， 35（19）： 4150-4160. DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191225.
	ZHANG X， BAI X N， SHA L，et al. Study on the evaluation method of interoperability between coils of different structures of wireless charging system for electric vehicles［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2020， 35（19）： 4150-4160. DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191225.
12	ADITYA K， SOOD V K， WILLIAMSON S S. Magnetic characterization of unsymmetrical coil pairs using Archimedean spirals for wider misalignment tolerance in IPT systems［J］. IEEE Transactions on Transportation Electrification， 2017， 3（2）： 454-463.
13	ZAHEER A， HAO HAO， COVIC G A， 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.
14	李砚玲，杜浩，何正友. 基于双 D 形正交混合拓扑的感应电能传输系统恒流输出研究［J］. 中国电机工程学报， 2020， 40（3）： 942-950. DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.182321.
	LI Yanling， DU Hao， HE Zhengyou. Research on constant current output of inductive power transmission system based on double D-shape orthogonal hybrid topology ［J］. Proceedings of the CSEE， 2020， 40（3）： 942-950. DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.182321.
15	ZAHEER A， COVIC G A， KACPRZAK D. A bipolar pad in a 10-kHz 300-W distributed IPT system for AGV applications［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014， 61（7）： 3288-3301.
16	AHMAD A， ALAM M S， MOHAMED A A S. Design and interoperability analysis of quadruple pad structure for electric vehicle wireless charging application［J］. IEEE Transactions on Transportation Electrification， 2019， 5（4）： 934-945.
17	张艺明，王辉，沈志伟，等. 利用混合拓扑实现强抗偏移性能的紧凑型电动汽车无线充电系统［J］. 中国电机工程学报， 2022， 42（8）： 2979-2986. DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.220290.
	ZHANG Yiming， WANG Hui， SHEN Zhiwei， et al. Compact electric vehicle wireless charging system with strong offset resistance based on hybrid topology ［J］. Proceedings of the CSEE， 2022， 42（8）： 2979-2986. DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.220290.
18	刘旭，曹宇鹏，夏晨阳，等.基于四矩形正交线圈的无线电能传系统混合式补偿拓扑优化及其抗偏移性［J/OL］.电工技术学报，1-12. https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.242124.
	LIU X， CAO Y P， XIA C Y et al. Hybrid compensation topology optimization of radio energy transfer system based on four rectangular orthogonal coils and its migration resistance ［J/OL］. Transactions of Electrotechnical Society， 1-12. https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.242124.
19	周熙炜，汪贵平，王会峰，等.车-路协同电动汽车动态无线充电的路权调度控制［J］.电子学报， 2021， 49（5）： 904-911.
	ZHOU X W， WANG G P， WANG H F，et al. Right-of-way scheduling control for dynamic wireless charging of vehicle-road cooperative electric vehicles［J］. Journal of Electronics， 2021， 49（5）： 904-911.
20	GENG Y Y，GUO Q，YANG Z P，et al. Design and optimization of real-time strong coupling coil ofdynamic wireless power transfer for electrical vehicle［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2023， 72（9）： 11495-11504.
21	HUANG C Y D. Design of IPT EV battery charging systems for variable coupling applications［D］. Auckland： The Universty of Auckland， 2011.
22	赵锦波. 分段式动态无线充电的抗偏移及中继接力方法研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2016.
	ZHAO Jinbo. Research on anti-migration and relay relay method of segmented dynamic wireless charging ［D］. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2016.
23	CHEN W T，LIN F Y，COVIC G A. A modified DDQ track for interoperable EV dynamic charging［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2023， 38（10）： 11738-11750.
24	SHEN T，MENG F，LIU X L， et al.Design of a three-coil-based wireless charging system for electric vehicles［C］. 2023 IEEE International Conference on Image Processing and Computer Applications （ICIPCA）. Changchun， China： IEEE，2023：11-17.
25	WANG Z Y，CUI S M，HAN S L， et al. A novel magnetic coupling mechanism for dynamic wireless charging system for electric vehicle［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2018， 67（1）： 124-133.
26	赵军，赵毅航，武志军，等.电动汽车无线充电系统对心脏起搏器的电磁兼容与热效应影响［J］.电工技术学报， 2022， 37（S1）： 1-10. DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90366.
	ZHAO J， ZHAO Y H， WU Z J， et al. Electromagnetic compatibility and thermal effects of electric vehicle wireless charging system on pacemakers［J］. Journal of Electrotechnology， 2022， 37（S1）： 1-10. DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90366.
27	杨阳，章治，吴雪钰，等. 采用改进遗传算法的无线电能传输系统参数优化设计［J］. 西安交通大学学报， 2025： 1-12.
	YANG Yang， ZHANG Zhi， WU Xueyu， et al. Parameter optimization design of radio energy transmission system using improved genetic algorithm ［J］. Journal of Xi 'an Jiaotong University， 2025： 1-12.
28	ZHOU S J， MI C C. Multi-paralleled LCC reactive power compensation networks and their tuning method for electric vehicle dynamic wireless charging［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2016， 63（10）： 6546-6556.

线圈形状	横向抗偏移性	纵向抗偏移性	复杂度	静动态兼容性
CP	差	差	低	无
DD	差	较差	较低	无
DDQ	较差	较差	较高	无
BP	较差	较差	中	无
QD	中	中	较高	无
QDPD	较好	较好	高	无
QRPD	较好	较好	高	无

线圈形状	结构名称	尺寸/mm	数量
CP	CP	R=500×4	15匝
CP	铁芯	245×15×15	12根
DDQ	DD	1000×500×4	15匝
	Q	500×500×4	15匝
	铁芯	1100×15×15	3根

线圈形状	结构名称	尺寸/mm	数量
DDDQ	DD	1000×500×4	15匝
	YR1	750×500×4	15匝
	YR2	750×500×4	15匝
	铁氧体	1100×15×15	6根

结构参数	数值	结构参数	数值
底板长度	500 mm	支柱高度	90 mm
底板宽度	200 mm	顶板长度	400 mm
底板高度	20 mm	顶板宽度	200 mm
支柱长度	100 mm	顶板高度	10 mm
支柱宽度	200 mm	线圈匝数	10匝

参数	数值	参数	数值
L_T	530 μH	R_T	47 mΩ
L_X	530 μH	R_X	47 mΩ
L₁	0.64 μH	R_L	50 Ω
C_T	57 nF	M_X	129 μH
C₁	7.48 nF	U_in	220 V
C_X	6.6 nF