高抗偏移边缘增强阶梯线圈结构在动态无线电能传输系统中的设计与优化研究

《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》：Design and Optimization of High Misalignment Edge-Enhanced Stepped Coil Structure for Dynamic Wireless Power Transfer System

　　本文针对电动汽车动态无线供电系统中耦合线圈互感变化导致输出波动大的问题，提出了一种边缘增强阶梯线圈（EESC）结构。研究人员通过建立EESC结构模型，基于毕奥-萨伐尔定律提出了阶梯线圈互感计算方法，并采用最小化互感波动原则优化了线圈和磁芯参数。实验结果表明，该结构在Y轴方向偏移发射线圈外径50%（362 mm）时，互感波动率不超过5%，系统传输效率高达93.92%，输出电流波动率小于5%，为动态无线充电系统提供了可靠的抗偏移解决方案。

　　

随着电动汽车产业的快速发展，动态无线供电技术（WPT）因其非接触式能量传输的优势备受关注。然而，在实际应用过程中，车辆行驶导致的耦合线圈位置偏移会引起互感变化，进而造成系统输出功率剧烈波动，严重影响充电效率和系统稳定性。这一技术瓶颈制约了动态无线供电技术的商业化应用进程。

在《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》最新发表的研究中，Chenxi ZHANG等研究人员提出了一种创新性的边缘增强阶梯线圈结构（EESC）。该研究通过理论分析、数值计算和实验验证相结合的方法，系统解决了动态无线供电系统中的抗偏移技术难题。

研究人员采用的关键技术方法包括：基于毕奥-萨伐尔定律的阶梯线圈互感计算方法，通过分段积分和磁场叠加原理精确计算复杂线圈结构的互感特性；基于最小互感波动原则的参数优化策略，对线圈尺寸和磁芯结构进行多目标优化；ANSYS Maxwell有限元仿真与500W实验平台相结合的验证方法，确保理论设计与实际性能的一致性。

EESC结构模型分析

研究团队构建的三维结构模型显示，该结构由主阶梯线圈和两侧边缘补偿线圈组成。当接收线圈沿Y轴偏移时，通过磁通叠加效应，补偿线圈有效增强了边缘区域的磁场强度，使互感在较大偏移范围内保持准恒定。仿真结果表明，在ΔY=0.25L_tx-o偏移时，补偿线圈T_x3的互感贡献显著增加，有效抵消了主线圈互感的下降趋势。

阶梯线圈互感计算

针对传统方法难以计算阶梯线圈互感的问题，研究团队提出了基于毕奥-萨伐尔定律的解析计算方法。通过将阶梯线圈分解为20个线段单元，分别计算各线段在接收平面产生的磁感应强度，再通过面积分得到总互感。该方法将接收线圈离散化为N_L×N_W个微元，通过数值积分实现精确计算，理论计算与实验结果的误差小于3.16%。

线圈参数优化

以最小化互感波动率为目标函数，研究人员建立了包含L₁-L₃、W₁-W₃等9个参数的优化模型。通过遍历算法在给定约束范围内搜索最优解，最终确定阶梯线圈最佳尺寸为L₃=360mm，W₃=100mm，补偿线圈尺寸L_txs=50mm，实现了在362mm偏移范围内互感波动率不超过5%的设计目标。

磁芯结构优化

针对传统磁芯结构导致互感波动率高达150%的问题，研究团队创新性地提出了发射侧分离式磁芯与接收侧骨架式磁芯的组合方案。优化后的磁芯结构使互感波动率降至3.27%，同时节省了38.8%的磁材用量。实验数据显示，带磁芯系统的互感值从对齐时的89.10μH降至最大偏移时的86.19μH，波动率仅为3.27%。

实验验证结果

500W实验平台的测试数据表明，无磁芯系统在全程偏移范围内保持91.3%的传输效率，输出电流波动率小于5%；带磁芯系统更是实现了93.92%的峰值效率。与现有技术相比，EESC结构将最大允许偏移距离提升至362mm，同时将互感波动率控制在5%以内，显著优于文献报道的DQDD结构（55%波动率）和ISC结构（3.81%波动率）。

本研究通过理论创新和结构优化，成功解决了动态无线供电系统中的抗偏移技术难题。EESC结构结合优化磁芯设计，实现了在50%偏移范围内的准恒定互感特性，为电动汽车动态充电提供了可靠的技术方案。该研究不仅发展了阶梯线圈互感计算方法，还为高抗偏移无线供电系统设计建立了完整的优化方法论，对推动动态无线充电技术产业化具有重要指导意义。未来研究方向将聚焦于提升X轴方向的抗偏移性能，进一步拓展该技术的应用场景。