互操作性评价新方法，加速电动汽车无线充电规模化应用

目前，电动汽车无线充电技术是电气工程领域前沿热点问题之一。电动汽车无线充电技术存在多方面问题，随着研究的不断深入，电动汽车无线充电系统间的互操作性问题日益突出。电动汽车无线充电互操作性是指任意供电设备和电动汽车之间可以在符合相关规范的基础上，通过磁场以安全、高效的方式进行无线电力传输的能力。

在电动汽车无线充电系统中，存在多个方面的互操作性问题：不同电路拓扑之间、不同线圈类型之间、不同功率等级之间、不同距离等级之间、不同厂家产品之间等。互操作性是电动汽车无线充电实用化、规模化应用最为关键的环节，需要经过大量严谨的研究及测试数据，以保证国内外相关行业产品的技术路线能够相互兼容、互联互通，形成标准化规定，进而推动我国电动汽车无线充电产业的规模化应用进程。

据了解，不同厂家地面端设备和车载端设备的互操作性是实现无线充电商业化的关键问题之一。首先，电动汽车无线充电系统自身存在较多的分类，对于不同线圈、参数、拓扑的无线充电系统需提出互操作性要求，只有满足了这些要求，地面设备才能够给电动汽车进行无线充电；其次，电动汽车无线充电的商业化，使得该领域存在多个厂家的产品，但用户关心的是否有合适的充电位为电动汽车进行无线充电，而不是哪个供应厂商的设备。

互操作性标准化是保证符合要求的任意地面设备可给任意车载设备提供安全、稳定的无线充电，因此推动电动汽车无线充电系统互操作性的实现至关重要。

国内外研究学者针对电动汽车无线充电系统的互操作性问题做了大量的研究工作：密歇根大学的J. C.White等研究了单极线圈和DD线圈之间的互操作性，他们得出单线圈与DD线圈之间的耦合系数与偏移、原副边形状、尺寸有关的结论；新西兰奥克兰大学的D. Thrimawithana提出了一种增大线圈偏移的混合系统，该系统使用LCL和CL谐振补偿网络，有效克服了线圈之间未对准所造成的不利影响，适用于静止和动态无线充电；哈尔滨工业大学的朱春波教授团队提出了一种自适应相位控制发射机，它可与不同的接收线圈互操作，可用于电动汽车无线充电。

针对电动汽车无线充电系统中相同电路补偿拓扑、不同线圈结构之间的互操作性问题，天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室的研究人员，通过分析影响系统传输功率和效率的关键参数，将系统间互操作性分为电气互操作性和磁场互操作性，并从电气互操作性的角度，定义了二端口电路阻抗接口，推导出阻抗接口ZGA和ZVA的表达式，提出了一种基于电路二端口阻抗来评价电动汽车无线充电系统不同线圈结构之间互操作性的新方法。

图1 电动汽车无线充电互操作性实验系统

据介绍，该方法需要设计参考的地面端和车载端设备，并给出参考的阻抗区域，这样不同无线充电汽车厂家产品之间的互操作性问题就变成了不同车载端设备与参考地面端设备之间的互操作性问题。检测该车载端设备与参考地面端设备耦合后产生的阻抗区域是否全部落在参考区域内，如果是，便验证了两者之间的互操作能力。

具体实施方法：双边串联谐振式无线充电系统，方形-方形线圈组合作为参考地面端设备，根据理论推导得出参考阻抗区域ZGA，然后分别将相同规格的圆形、DD型线圈与该方形线圈耦合得到相应的阻抗区域，并将这两个阻抗区域与参考阻抗区域进行对比，得出两者之间的公共部分，基于两者的公共部分定义了一个用于评价系统间互操作性的参数，该参数将重合区域的点数作为标准来评价不同结构耦合线圈之间的互操作性。

在此基础上，他们对比了方形、圆形、DD型线圈之间的互操作性，通过仿真和实验相结合的方法，验证了所提出的用于评价相同电路补偿拓扑不同结构耦合线圈间互操作性方法的正确性，为互操作性研究工作的推进提供了参考。

值得注意的是，该方法构建了电动汽车无线充电系统互操作性实验平台，为电动汽车无线充电系统不同结构线圈间互操作的研究提供了参考。

本文编自2020年第19期《电工技术学报》，论文标题为“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”，作者为张献、白雪宁 等。