Wireless Power Transfer 无线电能传输

两线圈间互感 $M$ 和耦合系数 $k$:

$k$ 与距离关系 (简化):

• 紧贴 (< 10mm): $k$ ≈ 0.5-0.7
• 中等距离 (10-100 mm): $k$ ≈ 0.3-0.5
• EV 间隙 (100-250 mm): $k$ ≈ 0.1-0.3 (低)

非谐振系统:

低 k 时效率低:

• k = 0.5, Q = 100: η ~ 95%
• k = 0.2, Q = 100: η ~ 80%
• k = 0.1, Q = 100: η ~ 60%

所以低 k 必须:

1. 提高 Q (高 Q 线圈)
2. 谐振补偿 (电容)

加电容 C 与线圈 L 形成 LC 谐振:

谐振状态下:

• 等效阻抗最小,电流最大
• 能量在谐振线圈间高效交换
• k = 0.1 下仍能达 85-92% 效率

WiTricity (MIT 衍生) 2007 年开创谐振 WPT,SAE J2954 沿用这套思路。

SAE J2954:2020 定义:

• 频率: 85 kHz (统一,避免与广播段冲突)
• 功率等级: WPT 1 / 2 / 3 (3.7 / 7.7 / 11 kW), WPT 4 (22 kW) 提议
• 间隙等级: Z1 / Z2 / Z3 (100-150 mm / 140-210 mm / 170-250 mm)
• 效率目标: ≥ 85% (端到端)
• 对准容差: 75-150 mm 偏移可接受

EV WPT 完整链路 6 级 — Grid → PFC → 高频逆变 → 补偿网络 → 线圈 → 整流/Buck,任一级 1% 损失系统都达不到 85% 目标:

5 种主流拓扑:

• SS (Series-Series): 简单,但负载敏感
• SP (Series-Parallel): 中等复杂
• PS (Parallel-Series): 中等复杂
• PP (Parallel-Parallel): 双谐振,复杂
• LCC/LCL: 现代主流,负载和距离自适应性最好

EV J2954 主流用 LCC/LCC——稳定性好,效率高。

TX(地)与 RX(车)线圈在形状/尺寸/磁芯/屏蔽 4 维都不对称 — 因为安装环境差异巨大:

DD 形线圈: Double-D,2 个 D 形线圈并排,在间隙下产生水平磁场分量,对车底接收线圈对准容差好。

充电板上掉了硬币、钥匙、零钱、罐子等金属物:

• 金属在 85 kHz 磁场中涡流损耗 → 发热 → 烫伤 / 引火
• 也可能挡住磁通,降效率

法规要求: FOD 必须实时监测,有异物 → 立即停充。

FOD 主流方案是"多重叠加" — 不能靠单一方法,辅助线圈阵列 + Q 因子 + 温度三层验证最常见:

主流: 辅助线圈阵列 + Q 因子 + 温度监测 多重。

对准方法按"用户体验 vs 系统复杂度"分级 — 视觉辅助最简,自动驾驶最自动但要 L2+ 配合:

SAE J2954 要求容差 75-150 mm 偏移仍能正常工作 (效率允许下降):

• 偏移 < 75 mm: 95% 名义效率
• 偏移 75-150 mm: 85-90% 名义效率
• 偏移 > 150 mm: 警告,降级或停止

WPT EMI 治理覆盖 85 kHz 基波 + 多次谐波,屏蔽 / 滤波 / 谐振控制 3 手并用:

• CISPR 11 限值 (类似 CISPR 25)
• 85 kHz 基波 + 谐波 (170 kHz, 255 kHz, ...) 都要监测
• 屏蔽 + 滤波 + 谐振控制

ICNIRP 标准:

• 27 μT (rms) @ 85 kHz —— 一般公众
• 100 μT (rms) —— 职业暴露

EV WPT 在车外 800 mm 处磁场必须 < 这个限值。

实操: 屏蔽材料 + 几何优化 + 自动关闭 (有人靠近)。