这是一篇关于电动汽车无线充电系统的原创性研究论文，以下为详细学术报告。

主要作者与发表信息

本研究由福州大学电气工程与自动化学院的潘文斌（Wenbin Pan）、刘超（Chao Liu）、唐宏敏（Hongmin Tang）、庄一展（Yizhan Zhuang，IEEE会员）和张一鸣（Yiming Zhang，IEEE高级会员）共同完成。其中，张一鸣和庄一展为通讯作者。该论文于2023年12月19日正式发表，刊登在电力电子领域顶级期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》2024年3月刊第39卷第3期上，页码为3864至3872页。

研究背景与研究目的

该研究属于无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术领域，具体聚焦于电动汽车（Electric Vehicles, EVs）无线充电系统。当前，电动汽车无线充电的商业化进程面临两大紧迫的技术难题：互操作性（Interoperability）和抗偏移容忍度（Misalignment Tolerance）。互操作性问题指的是，由于目前市场上存在多种主流线圈结构，例如方形线圈（Square Coil）、沿X方向或Y方向绕制的双D线圈（Double-D coil, DD coil）以及四极线圈（Quadrupole Coil），这些不同结构的线圈在完全对准时，其磁场相互解耦，若发射线圈和接收线圈型号不匹配，则无法进行有效的电能传输。这就好比不同接口的电子设备无法共用充电器一样，给用户和制造商造成了极大不便。与此同时，在实际停车充电场景中，发射端和接收端几乎不可能完美对齐，特别是在车门到车门的方向（即Y方向）极易发生偏移，导致互感急剧下降，系统效率和传输功率大打折扣。已有的一些解决方案，如设计特定的相对位置、采用三线圈交叠结构或混合拓扑控制等，要么操作困难不切实际，要么系统过于复杂，且无法同时兼容上述四种主流线圈。为了解决这些挑战，本研究旨在提出一种新型的磁耦合机构，能够在保证与多种主流发射线圈兼容的同时，具备良好的抗偏移特性。

详细研究工作流程与实验设计

该研究的核心工作流程分为系统拓扑与数学建模、新型线圈结构的磁路设计、互操作性与抗偏移性能仿真分析，以及实验样机验证四个阶段。

在第一阶段，研究团队首先提出了一个完整的无线电能传输系统拓扑。该系统的创新之处在于接收端采用了一对相互拼接的解耦双D接收线圈（Mutually Spliced Double-D Receiving Coils），标记为线圈A和线圈B。然而，与常规的线圈连接方式不同，这两个接收线圈并非在线圈端直接串联，而是分别通过独立的整流器后，在直流侧（DC side）进行串联连接。这种拓扑设计的精妙之处在于，总体等效互感（Total Equivalent Mutual Inductance, Mtr）等于发射线圈与线圈A的互感（Mtra）绝对值，加上发射线圈与线圈B的互感（Mtrb）绝对值之和，即Mtr = |Mtra| + |Mtrb|。为了精确描述系统行为，研究人员建立了详细的等效电路模型，并基于基尔霍夫电压定律推导了谐振状态下的数学模型，得出了输出电压、输出功率和系统效率的解析表达式。该数学模型揭示了一个关键的设计准则：系统的输出电压与总等效互感Mtr成正比，故只需在设计上保证Mtr在偏移过程中保持稳定且处于合理范围，即可实现互操作性和抗偏移。同时，输出功率和效率与接收线圈之间的交叉耦合（Mrab）成反比，因此实现两个接收线圈间的高度解耦是提高效率的必要前提。

第二阶段是论文的核心创新点，即提出并优化了一种新型线圈结构。研究人员设计了一种由四个绕组（laa、lab、lba、lbb）构成的复合线圈，其中laa和lab串联组成线圈A，lba和lbb串联组成线圈B。通过精心设计这四组绕组的长度、宽度及匝数，利用绕组间正、负耦合的相互抵消原理，最终实现了线圈A与线圈B之间的完全解耦。研究团队测试了四种不同的线圈结构设计（结构I至结构IV），并绘制了详细的设计流程图。通过对比分析不同结构在偏移情况下接收线圈间的耦合系数，研究表明，无论采用哪种结构，线圈A与线圈B的耦合系数在整个偏移范围内都保持在极低水平，证明了该解耦方法的高度鲁棒性。最终，经过对比，结构IV因其能够实现最佳的全对准位置互操作性而被选为最优接收线圈方案。该接收线圈的整体尺寸为300毫米乘以400毫米。

第三阶段的理论分析对比了所设计线圈与传统线圈的性能差异。分析指出，传统的单一接收线圈，例如一个单纯的DD线圈，只能与同类型的发射线圈（如同为DD线圈）在正对时产生耦合，而与另两种类型的发射线圈在整个偏移范围内的耦合几乎为零。相比之下，由于构成新型线圈的两个子绕组绕向相反，其复合磁场能够有效捕获来自方形、X向DD、Y向DD以及四极线圈这四种发射端的磁场。仿真数据具体展示了在不同Y方向偏移下总体等效互感的波动情况。结果表明，结构IV在提供全互操作性的同时，其互感随Y方向偏移的波动曲线比传统线圈更为平滑，预示着优越的抗偏移性能，尤其是在实际应用中挑战更大的车门方向。在X方向偏移的分析中，研究也承认了互感的较大波动，但这与实际停车操作中X方向本就不需要极高抗偏移性的工程需求相契合。

主要实验结果与论证

为验证理论分析的有效性，团队制作了一台实验样机。样机参数包括：发射线圈尺寸为300毫米乘300毫米，传输距离（充电距离）为100毫米，单匝导线宽度为4.25毫米。实验共使用了四种标准的发射线圈，分别测试所提出的接收线圈IV的性能。

实验结果与计算值高度吻合，强有力地支撑了设计方案。在全对准情况下，所提出的接收线圈能够对四种完全不同类型的发射线圈均实现有效的功率传输，直观地证实了其优秀的互操作性。在关于抗偏移性能的测试中，数据显示，对于最关键的Y方向偏移，当偏移在一定范围内变化时，系统仍能保持较高的直流-直流效率（DC-DC efficiency）。具体而言，使用方形发射线圈时达到的最高效率为92.49%；使用Y方向DD发射线圈时，最高效率为90.56%；使用X方向DD发射线圈时，最高效率为90.57%；使用四极发射线圈时，最高效率为87.23%。所提系统在搭配四种传统发射线圈时均实现了超过85%的高效率，这表明该系统在兼容多类型线圈的同时，还能有效遏制因偏移导致的性能衰退。另外，实验波形图还显示，由于接收端两个整流桥串联，即使两侧输出电压幅值因偏移而不同，其叠加后的总输出电压仍能保持相对稳定，从而实现了稳定的功率输出，并且逆变器在全过程中都能实现零电压开关（Zero Voltage Switching, ZVS），进一步降低了开关损耗。

研究结论、价值与亮点

本研究成功提出并验证了一种基于相互拼接双D线圈的无线充电系统，为解决电动汽车无线充电的互操作性和抗偏移两大难题提供了极具竞争力的方案。其科学价值在于，揭示了一种通过直流侧串联解耦线圈实现互感绝对值相加的新机制，并通过数学建模阐明了输出电特性与等效总互感、交叉耦合之间的直接关系，为后续的线圈设计提供了清晰的理论指导。在应用价值上，该技术方案无需繁琐的控制策略或复杂的混合拓扑，仅通过优化线圈本身的物理结构，即可实现与目前市场上主流的方形、DD、四极线圈的全面兼容，并天然具备良好的Y方向抗偏移能力，这对于统一充电标准、降低充电基础设施成本、提升用户充电体验具有重要意义。

本研究的主要亮点可总结为三方面。第一，方法的新颖性：创造性地提出了“直流侧串联”的整流器连接方式，实现了多接收线圈互感的绝对值叠加，从根本上改变了接收端电参数的设计思路。第二，研究的完整性：工作涵盖了从理论建模、多版本结构选型的优化设计流程、详细的各种线圈磁场耦合分析，到最终的实机实验全流程验证，逻辑链条严密。第三，研究对象的特殊性：所设计的线圈结构具有很高的灵活性，它不仅能与文章中所提的四种线圈互联，文中还指出其磁路特性使其有潜力兼容螺线管线圈（Solenoidal Coils），为未来的扩展研究留下了广阔的空间。