重庆理工大学谢诗云、黄杰 等：计及高次谐波影响下无线电能传输系统辅助线圈式动态调谐方法

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导语

感应耦合式无线电能传输技术将能量以非接触的方式传输，能解决传统插拔式取电所产生的机械磨损及安全隐患等问题，可满足各种恶劣环境的输电要求。IPT系统接收线圈在传能过程中会发生位置偏移、偏转。当线圈位置变化后，由于发射端与接收端铁心的存在，系统自感、互感参数会随着位置的变化而变化，从而导致 IPT 系统发射端不能运行在谐振状态。

重庆理工大学电气与电子工程学院的研究人员谢诗云、黄杰、彭春尧、刘睿杰和陈龙在《电工技术学报》2025年18期上撰文，提出了本文提出了一种利用辅助线圈对IPT系统进行动态调谐的方法，构建了以LCC-S 拓扑为传能通道而将辅助线圈作为调谐通道的IPT系统。通过线性调节调谐通道的输入电压可确保系统始终处于谐振状态，同时采用等效负载的阻抗匹配来抑制高次谐波占比，实现了偏移位置情况下抑制高次谐波的电动车无线充电系统的动态调谐。

研究背景

对于接收线圈位置偏移所造成的系统失谐问题，现有调谐方法可分为四种类型：采用可变电容或电感、调整系统运行频率、切换电容阵列、利用线圈结构实现自调谐。

通过现有方案的分析研究发现，现有调谐方法不能同时克服两类局限性：①未考虑传能通道中逆变输出电流所含的高次谐波；②无法兼顾耦合机构的抗偏移性能，偏移范围受到限制。

论文所解决的问题及意义

针对现有调谐方法未考虑传能通道中逆变输出电流所含的高次谐波以及接收机构的偏移范围受到限制的问题，本文提出一种IPT系统辅助线圈动态调谐方案。以LCC-S拓扑为传能通道，辅助线圈构建独立调谐通道，通过线性调节调谐通道输入电压维持谐振，并结合等效负载阻抗匹配抑制高次谐波，实现偏移场景下充电系统的稳定高效运行，为电动车无线充电的实用化提供新路径。

论文方法及创新点

1、一种基于辅助线圈的动态调谐方法

图1为辅助线圈式动态调谐IPT系统所采用的磁耦合机构示意图，其中，发射机构与接收机构均包含DD型线圈、导磁铁心及屏蔽铝板。发射机构还集成了扁平螺旋型线圈作为调谐辅助线圈。

图1 辅助线圈式磁耦合机构示意图

图2为所提出的辅助线圈式动态调谐IPT系统，调谐通道的逆变电路Ⅱ工作频率与逆变电路Ⅰ一致，借助DC-DC变换电路实时调节uc幅值，确保传能逆变电路Ⅰ的输出电压uet和电流i1t同相，实现对传能通道的动态调谐。

图2 辅助线圈式动态调谐IPT系统

2、一种基于阻抗匹配的谐波抑制方法

为了抑制电流高次谐波对系统谐振状态的影响，本文提出了一种基于阻抗匹配的谐波抑制方法，如图3。该方法通过匹配等效负载Reqo来降低逆变电流的谐波含量，从而使得逆变电流的基波分量占主导。

图3 基于Boost变换电路阻抗匹配等效图

为了实现在高次谐波下IPT系统的动态调谐，构建了基于辅助线圈的动态调谐控制系统，如图4。所构建控制系统首先实现高次谐波抑制，在谐波得到抑制后，驱动电路调节Sepic电路的PWM脉冲序列，从而改变调谐通道输入电压，并给出了动态调谐的具体控制流程，如图5所示。

图4 动态调谐控制系统图

图5 调谐控制流程图

3、实验验证

结合补偿电路的参数配置方法，搭建了传输间距120mm的500W实验平台，如图6所示，验证了所提的抑制高次谐波和动态调谐方法的可行性和正确性。实验结果表明：结果表明，在X轴±30%和Y轴±50%偏移情况下，所搭建系统的逆变输出相位差始终在8°以下，基波分量为高次谐波分量的10倍以上。

图6 实验平台

结论

本文提出了一种计及高次谐波影响的 IPT 系统辅助线圈式动态调谐方法，揭示了辅助线圈与传能线圈所在两路能道的功率分配机理，推导了传能通道高次谐波抑制比对应的负载等效电阻，给出了既能满足传能通道谐振条件又能实现高次谐波抑制的调谐通道输入电压控制方法。

实验结果表明：在设定的偏移范围内，所提出的动态调谐方法可确保IPT 系统始终处于谐振状态，同时高次谐波占比低于要求值。所构建的辅助线圈式动态调谐方法可实现传能通道的无级连续调谐，不改变传能通道的拓扑形式并且对拾取功率不存在影响。

团队介绍

研究团队隶属于重庆理工大学能源互联网工程技术研究中心。研究中心近年来承担了工信部重点科技项目、国家自然科学基金资助项目、重庆市基础与前沿重点项目、重庆市重点研发计划以及多项校企合作项目。研究中心长期致力于高温高压环境下旋转传动机构无线电能传输技术、高压输电线非接触取能、电动车无线充电的研究与应用。研究团队针对电动车充电技术及其辅助管理系统开展的科技项目累计50余项，围绕无线电能传输系统关键技术的科研及应用项目累计30余项，已在国内外知名学术期刊发表论文100余篇，获授权发明专利50余项。

谢诗云

副教授，硕士生导师，研究方向为电能变换与控制技术、无线电能传输技术、电动车智能充电技术等。

黄杰

硕士研究生，研究方向为无线电能传输技术。

彭春尧

硕士研究生，研究方向为无线电能传输技术。

刘睿杰

硕士研究生，研究方向为无线电能传输技术。

陈龙

讲师，研究方向为电能变换与控制技术、无线电能传输技术、无人机智能充电技术等。

本工作成果发表在2025年第18期《电工技术学报》，论文标题为“计及高次谐波影响下无线电能传输系统辅助线圈式动态调谐方法“。

引用本文

谢诗云, 黄杰, 彭春尧, 刘睿杰, 陈龙. 计及高次谐波影响下无线电能传输系统辅助线圈式动态调谐方法[J]. 电工技术学报, 2025, 40(18): 5742-5758. Xie Shiyun, Huang Jie, Peng Chunyao, Liu Ruijie, Chen Long. A Dynamic Tuning Method with an Auxiliary Coil for Wireless Power Transfer System Considering the Influence of Higher Harmonics. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(18): 5742-5758.

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