课题承担单位：哈尔滨工业大学
1 研究背景
在无线充电技术普及后，必然会存在多厂家、多产品、多技术路线并存的局面。在无线充电技术推广应用中 ，特别是在多车型、多设备厂商投入后的规模化应用阶段，各类充电系统的互操作性是最重要的技术环节。如果不同模块/参数/拓扑的无线充电系统之间不能满足互操作性要求，一方面可能造成极大的电力资源浪费（充电效率低下），甚至完全无法充电；另一方面则可能造成安全隐患（计费失误、保护失效、电磁泄漏等） ，甚至造成设备与人身危害。因此，确保充电系统的互操作性是产业发展壮大的关键因素之一。
基于阻抗和磁通量的互操作性测试方法分别从电气性能和磁场性能两方面对互操作性进行测试 。对比测试源和待测产品的阻抗及磁通量，即可得到待测产品和测试源的性能对比。以上互操作性评价思路已被国内外企业认可，但评价方法还需要经过进一步的研究。目前国外标准研究机构已经完善了基于标准源和功率效率测量的互操作性测试方法，同时也在积极探索基于阻抗和磁通量的互操作性测试方法 。
（1）研究用于磁通量测量的量规设备设计方法 ；研究用于磁通量测量的圆形 、DD型量规线圈设计方法；
（2）研究阻抗参量与电动汽车无线充电系统互操作性强耦合性关联的分析模型 ；研究阻抗高精度测量方法；
（3）研究基于阻抗和磁通量的互操作性评价判据及验证方法 。研究基于阻抗和磁通量的电动汽车无线充电系统互操作性测试方法。
i）研究阻抗与磁通量与无线充电系统互操作性的相互关系 ；
ii）研究用于磁通量测量的量规设备关键参数设计与制备方法；
iii）研究不同功率等级（WPT1 、WPT2、WPT3）、不同传能距离（Z1 、Z2 、Z3）无线充电系统互操作时阻抗映射关系及标准阻抗集合的确定方法；
iv）建立基于阻抗与磁通量的电动汽车无线充电互操作性通过评估体系 ，明确互操作性测试流程及通过性评判依据 ；
v）为完善国家标准《电动汽车无线充电系统 第7部分：互操作性要求与测试-车辆端》提供理论支撑与数据验证 ，并就国内其他相关标准制定形成有效建议。
通过有限元迭代仿真的方法，得出了圆形与DD型量规线圈的设计方法与参数 。此成果形成技术报告一《互操作性评价判断据及验证研究报告》。提出了一种圆形量规设备优化设计方法 ，发表《中国汽车》期刊论文1篇“基于磁通量互操作性评价的量规设备优化设计”。
经研究得出圆形量规设备的参数如下：
1）量规线圈尺寸：明确VA尺寸的情况下，量规应与VA的线圈尺寸相近 。
2）量规线圈个数：在实验条件允许的情况下 ，个数应选择3-5个；条件非常好 ，可以选择6-9个。
3）量规线圈匝数 ：在量规线圈个数一定时，量规线圈匝数为2匝。
4）磁芯：可以考虑实际需求，去掉磁芯以及铝板 。
1）磁芯：长条形磁芯 ；
2）长宽比：长宽比为8:5 。
实验所用的圆形和DD型量规设备如图4-1所示。
（a） 圆形量规 （b） DD型量规
实验结果显示 ，国内标准发射端和接收端正对时，满功率输出3.3kW，系统耦合线圈间的最大效率可达95%。
DD型发射端和接收端进行功率效率测试的实验结果如图4-3。实验结果显示，保证满功率输出3.3kW时 ，国内标准发射端和接收端在正对位置 ，系统耦合线圈的最大效率可达91%。
优化后的圆形量规设备及实验装置如图4-4所示 ，测试结果如图4-5所示 。
图4-4 量规设备实验装置
图4-5 实验测试结果
从图中可以看出，设计的量规设备与标准量规设备相比 ，在不同偏移条件下 ，二者具有相同的变化趋势，因此设计的新型量规设备可以代替标准量规设备进行互操作性评价。此部分内容发表中国汽车期刊论文一篇《基于磁通量互操作性评价的量规设备优化设计》。
建立了阻抗与互操作性关联模型。研究了阻抗高精度测量方法并研究阻抗标准表征集合的确定方法。此成果形成技术报告二《基于阻抗法的互操作性评价方法研究报告》 。并形成标准建议书1份 ：国家标准GB/T 38775.7《电动汽车无线充电系统 第7部分：互操作性要求与测试 车辆端》修订建议报告。
建立了阻抗参量与互操作之间的关系。地面侧与车辆侧线圈等效阻抗有如下关系：
如下图所示，无线充电系统被等效为包含ZGA和ZVA的简单电路 ，且ZGA和ZVA可以相互转化，得到对应的取值区域。
图4-6 阻抗具体定义
分别得到车辆侧和地面侧阻抗映射区域如下图所示。其中：
结合上述公式可得 ：
ZRefl为ZGA重要组成部分，该值与失谐、负载和耦合程度相关，可以充分反映系统复杂参数发生变化时系统输出情况的变化趋势。
图4-7 车辆侧（左）与地面侧（右）阻抗区域
提出了一种基于功率分解的阻抗计算方法。该方法框图如图4-8所示 。
图4-8 功率分解算法图
通过a*c*和b*d*的相加得到直流信号 ，其均方根值易于测量。该方法不依赖高精度探头的相位测量结果。因此，相位角测量不引入误差，可以提高阻抗计算的精度。
如图4-9所示，参考国际标准SAE J2954中对多家国际产品厂商反馈数据的融合 ，将边界容忍值定为±5% ，即将原有标准表征集合的边界扩展5% 。
图4-9 考虑±5%容忍区域的ZGA标准表征集合
图4-9中 ，酒红色条纹：计算/测试得到的ZGA；黑色区域： ZGA容忍区域；红色线：ZGA的边界 。
研究得到了磁通量与阻抗参量标准表征集合及其容忍区域的确定方法 ，分析并得到了基于阻抗和磁通量的电动汽车无线充电系统互操作性测试方法。此成果形成技术报告三《互操作性评价判断据及验证研究报告》 。
采用层次分析法对测试约束条件进行研究如图4-10所示。
图4-10 基于层次分析法的互操作性测试约束条件研究
具体的测试项目与通过性评判指标如表4-1所示。
表4-1 互操作性测试通过性评判指标
测试项目 | 通过性评判指标 |
输出功率 | 满足WPT1~3 |
传输效率 | 无偏移位置不低于85%，最大偏移位置不低于80% |
EMC/EMF曝露水平 | 低于ICNIRP标准值 |
频率 | 81kHz~90kHz |
功率因数 | 大于0.95 |
对不同功率等级、不同传输距离情况下系统谐波 、电压波动情况进行测试，结果如图4-11和图4-12所示。不难看出，系统整体输入谐波含量低，谐波畸变率低，电压纹波系数峰值也满足±3%。因此 ，可认为具有较好的互操作性。
图4-11 系统输入谐波分布
图4-12 输出电压波动
a）GA侧效率由δ、ξ与rGA决定 。为满足特定的效率阈值，δ取值应尽量接近零，以保证车载端回路完全谐振。ξ取值应尽量大，以保证反射阻抗实部尽可能大 。同时，尽可能小的rGA也是实现高效率的关键。
b）VA侧效率由δ决定，随δ减小而上升 ，车载端回路完全谐振时效率最高 。由标准规定的效率阈值可得到δ的取值范围，进一步缩小传统参考阻抗区域。
c）系统效率独立于输出功率，因此δ与ξ作为限制条件，适用于全阻抗平面 ，这是参考阻抗区域重构的基础条件。
量化标准表征集合时按照图4-13所示流程 ，采用理论计算与实际测试相结合的方法。
图4-13 确定标准表征集合思路
具体地 ，针对ZVA与ZGA采用不同方式处理。对于ZGA标准表征集合
1) 设置系统电气工作点 ，输出电压Uout=[280-480]V，变化幅度20V；
2) 计算第1步中所有的偏移点处的磁参数集合；
3) 根据原边线圈两端电压Uin，线圈两端电流Iin，相位差θ1，计算得到ZGA；
4) 重复计算 ，得到全偏移范围内的ZGA范围 。
图4-14 计算ZGA标准表征集合方法示意图
对于ZVA标准表征集合
1) 设置系统功率等级和等效负载范围；
2) 根据副边线圈两端电压U2，线圈两端电流I2，相位差θ2，计算得到ZVA；
3) 重复计算 ，得到全偏移范围内的ZVA范围。
图4-15 计算ZVA标准表征集合方法示意图
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