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本研究由福州大学电气工程与自动化学院的张艺明（Yiming Zhang）教授团队主导，作者包括潘文彬（Wenbin Pan）、刘超（Chao Liu）、沈志伟（Zhiwei Shen）、吴远超（Yuanchao Wu）、庄一展（Yizhan Zhuang），以及湖南工业大学铁路运输学院的李中奇（Zhongqi Li）。该研究成果于2024年1月8日在线发表，并刊登在同年12月出版的《IEEE Transactions on Transportation Electrification》第10卷第4期上，论文标题为《基于三个解耦非重叠单极发射线圈的电动汽车无线充电系统互操作性研究》（Interoperability Study of Electric Vehicle Wireless Charging System Based on Three Decoupled Nonoverlapping Unipolar Transmitting Coils）。

在学术背景方面，该研究立足于电动汽车无线充电技术领域。随着电动汽车的快速发展，便捷、高效、安全的无线功率传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术成为学术界和工业界关注的焦点。然而，无线充电的商业化推广面临一个核心挑战，即互操作性（Interoperability）问题。互操作性指的是不同制造商生产的发射端（Transmitting side, TX side）和接收端（Receiving side, RX side）设备之间的兼容性。由于各厂商在磁耦合器（Magnetic Coupler）设计上可能采用不同的线圈结构，如单极线圈（Unipolar Coil）、垂直双极线圈（Vertical Bipolar Coil）和水平双极线圈（Horizontal Bipolar Coil），当不同结构的线圈配合工作时，可能因解耦而导致无法传输能量，严重影响用户体验。现有的解决方案如移动线圈位置、叠加不同线圈等方法存在实用性差、线圈尺寸大或不能兼容所有三类主流线圈等局限性。因此，本研究旨在设计一种新型的发射线圈结构，能够同时兼容上述三种不同类型的接收线圈，实现磁耦合器的互操作性，并具备一定的抗偏移（Anti-misalignment）能力。

在研究工作流程方面，该研究主要分为三个步骤：磁路设计、系统拓扑与建模、以及实验验证。 第一步是磁路设计。研究团队首先提出了一种由三个单极线圈（线圈A、B、C）以非重叠方式组成的发射线圈阵列。为了解决三个发射线圈之间存在较大交叉耦合（Cross Coupling）从而降低系统效率和输出功率的问题，团队提出并验证了一种新颖的嵌套解耦方法（Nested Decoupling Method）。具体而言，线圈A由三个绕组（LAA、LAB、LAC）构成，线圈B由两个绕组（LBB、LBC）构成，线圈C由两个绕组（LCC、LCB）构成。其解耦原理以线圈A和B为例：线圈A被分解为绕组LAA和绕组LAB、LAC，其中LAA与线圈B的互感（Mutual Inductance）为负，而LAB和LAC与线圈B的互感为正，通过精确调节嵌入绕组（如LAB, LBC等）的匝数和所围成的面积，使正负互感相互抵消，从而实现相邻线圈之间的解耦。基于此方法，实现了三个空间相邻、非重叠发射线圈的完全解耦。研究中使用的接收线圈尺寸为300×300毫米，匝数为10，传输距离为100毫米。团队分别对三种接收线圈进行了兼容性仿真分析和实测：对于单极接收线圈，在x和y方向偏移下，三个发射线圈之间几乎无耦合，且总耦合系数保持在合理水平；对于垂直双极接收线圈，仅在x方向偏移时耦合良好；对于水平双极接收线圈，仅在y方向偏移时耦合良好。这为后续不同工作模式的设计提供了依据，并且确定了互操作性判断的主要依据，即单极线圈考察x和y偏移，垂直双极线圈考察x偏移，水平双极线圈考察y偏移。

第二步是系统拓扑与数学建模。为实现对三个解耦发射线圈的独立控制，系统采用了电感-电容-电容-串联（Inductor–Capacitor–Capacitor–Series, LCC-S）补偿拓扑。逆变器采用三相独立控制的半桥逆变器（Half-bridge Inverter），通过改变逆变器的输出时序来改变三个发射线圈的电流方向，从而使系统能工作于三种不同模式。模式一（Mode I）对应单极接收线圈：三相逆变器中，开关S1、S3、S5和S2、S4、S6互补导通，三个发射线圈产生同向磁场，共同向接收线圈传输能量。通过基尔霍夫电压定律（Kirchhoff’s Voltage Law, KVL）推导出其输出电压与三个发射线圈与接收线圈的互感之和成正比。模式二（Mode II）对应垂直双极接收线圈：开关S1和S2常关，S3/S6与S4/S5互补导通，仅线圈B和C工作，且电流方向相反，形成与垂直双极接收线圈匹配的磁场。其输出电压与两个线圈的互感之差成正比。模式三（Mode III）对应水平双极接收线圈：所有开关工作，其中线圈A的电流方向与线圈B、C的电流方向相反，从而将三个线圈重构为一个水平方向的双极磁场。其输出电压与线圈A的互感减去线圈B和C的互感之和的差值成正比。

第三步是实验验证。为验证理论，团队搭建了一台实验样机，发射线圈整体尺寸为390×400毫米。实验结果表明，在完全对准状态下，系统对三种不同接收线圈的输出功率水平保持相对一致，且系统效率均超过85%，最高效率达到93.67%。在偏移性能方面，对于单极接收线圈，在x和y方向偏移时效率均高于80%；对于垂直双极接收线圈，在x方向偏移时效率保持在80%以上；对于水平双极接收线圈，在y方向偏移时效率也保持在80%以上。功率损耗分布显示，由于实现了零电压开关（Zero Voltage Switching, ZVS），逆变器损耗较小，而磁耦合结构是主要损耗来源。

本研究的核心结论与价值在于，成功提出并验证了一种基于三个解耦非重叠单极发射线圈的电动汽车无线充电系统。该系统的科学价值在于提出了一种创新的嵌套解耦方法，在不增加耦合器整体尺寸的前提下，实现了多线圈间的解耦。其应用价值在于，该系统通过调整三相逆变器的控制时序，能灵活切换三种工作模式，从而首次实现了单一发射端对单极、垂直双极和水平双极三种主流接收线圈的全兼容与高效率传输，并具备满足SAE J2954标准所需的特定方向抗偏移能力。这为无线充电的标准化和商业化扫除了一项关键技术障碍。

该研究的亮点主要体现在三个方面。第一，提出了创新的嵌套解耦技术，该方法巧妙且易于实现，是磁路设计上的一个重要贡献。第二，其发射线圈首次实现了对三种最常见线圈结构的全面互操作，解决了此前研究中未能同时兼容水平双极线圈的问题。第三，系统通过软件控制（改变半桥逆变器时序）而非物理开关来切换磁场模式，这种方法在不同系统之间具有广泛的适用性。此外，研究人员指出，未来可以通过优化逆变器、整流桥以及磁耦合结构来进一步提升系统效率。