动态无线充电系统效率与功率优化中的占空比饱和效应及电磁行为建模研究

《Sustainability》：Toward Sustainable E-Mobility: Optimizing the Design of Dynamic Wireless Charging Systems Through the DEXTER Experimental Platform Giulia Di Capua, Nicola Femia, Antonio Maffucci, Sami Barmada and Nunzia Fontana

　　

研究人员针对动态无线充电（DWPT）系统在车辆行驶过程中因耦合系数变化导致的控制不稳定与效率下降问题，建立了包含发射端（TX）与接收端（RX）占空比、电池电压、互电感及系统阻抗参数的解析模型。通过分析占空比饱和对电池功率传输的影响机制，提出了基于平均耦合系数的最优参考电流与等效交流电阻设定方法，以避免饱和并提升系统性能。研究结合有限元仿真（FEM）与行为建模技术，构建了考虑三维位移的互电感预测模型，并通过实验验证了模型精度与控制策略的有效性。结果表明，合理的占空比管理可在保证可控性的同时实现功率与效率的优化平衡。

研究背景与意义

动态无线充电（Dynamic Wireless Power Transfer, DWPT）技术是实现电动汽车连续续航的关键路径之一，其核心挑战在于车辆移动过程中发射（TX）与接收（RX）线圈间的互电感（Mutual Inductance, M）随位置动态变化，导致系统耦合系数波动，进而影响逆变器占空比、功率传输稳定性及整体效率。现有研究多聚焦于静态工况下的参数优化，对动态过程中占空比饱和（Duty-Cycle Saturation）引发的控制失稳、效率骤降及功率受限等问题缺乏系统性分析，亦未建立可兼顾计算效率与精度的电磁行为模型。因此，揭示占空比饱和的物理机制并构建高精度互电感模型，对提升DWPT系统的实用性与可靠性具有重要意义。该研究成果发表于《Sustainability》，为动态充电系统的工程化设计提供了理论支撑。

关键技术方法

研究人员采用解析建模与实验验证相结合的方法：首先，基于电路理论推导了TX与RX占空比（D_TX、D_RX）、电池功率（P_bat）及系统效率（η）的数学关系，明确占空比饱和的临界条件；其次，利用Ansys Maxwell 2024 R2开展磁准静态（Magneto-Quasi-Static, MQS）有限元仿真，以分段铁氧体磁芯的线圈结构为对象，获取不同三维位移（x, y, z）下的互电感数据集；进而，基于MATLAB R2024b曲线拟合工具箱（CFTool）识别行为模型参数，建立指数形式的互电感解析表达式；最后，通过DEXTER实验平台验证模型精度与控制策略的有效性。

研究结果

2.1 系统级控制分析与占空比饱和效应

研究人员通过建立包含电池电压（V_bat）、输入电压（V_in）、TX参考电流（I_TX,ref）及等效交流电阻（r_ac,ref）的解析方程组，揭示了D_TX饱和对系统性能的双重影响：一方面，D_TX升高可提升P_bat，适度饱和有助于最大化瞬时功率；另一方面，D_TX饱和会引发D_RX陡变，降低系统可控性与效率。研究表明，最优r_ac,ref应满足r_ac,ref= √(1 + m_av)，其中m_av为轨迹平均耦合系数，此时可实现效率最大化。

2.2 电磁行为建模

针对传统互电感模型计算复杂度高的问题，研究人员提出了一种基于指数函数的行为模型：M_bhv(x,y,z) = a₀exp(a₁|x|^a₂+ a₃|y|^a₄)，其中系数a_i（i=0,…,4）为垂直位移z的二次函数。该模型通过有限元数据训练获得，在保留物理特性的同时将计算量降低两个数量级，可直接集成至电路仿真工具（如PSIM、Simulink）中。实验验证表明，模型预测误差小于3%，适用于动态WPT系统的电磁兼容（EMC）与人体暴露分析。

讨论与结论

研究证实，D_TX饱和是制约DWPT系统性能的核心因素：非饱和状态下双变换器控制平滑，而饱和会导致占空比瞬态陡增，降低可控性并引发效率损失。通过优化I_TX,ref与r_ac,ref的组合，可使D_TX在大部分轨迹中维持饱和以最大化功率，同时确保D_RX不饱和。所提出的互电感行为模型突破了传统解析法与有限元法在计算效率与精度间的权衡瓶颈，为动态充电系统的实时控制与优化设计提供了高效工具。研究成果为DWPT技术的工程化落地提供了重要的理论与实验依据。