把手机无线充电链路的功率放大五百倍，再把气隙从 3 mm 增加到 150 mm。物理规律没有变，几乎每一个工程决策却都变了。
最直接的结果是耦合系数从大约 0.5 降到约 0.15。弱耦合并不是一个可以忽略的小扰动：它会改变适用的补偿网络，让对位从用户体验问题上升为系统级问题，也让杂散磁场大到必须把“检测车底下的猫”纳入安全要求。
本文以一个气隙为 150 mm 的 7.7 kW、85 kHz 链路为例展开分析。
这是设计研究，不是符合标准的产品设计。 可互操作的电动汽车无线充电受 SAE J2954 与 IEC 61980 系列等已发布标准约束；这些标准规定了几何尺寸、测试方法、电磁场限值和检测要求。本文不能替代标准本身。
阅读路线：尺寸放大后哪里失效 → 标准化工作点 → 为什么 SS 不再够用 → LCC → 偏移 → 数值算例 → 检测与电磁场 → 动态充电 → 验证。
1. 尺寸放大后哪里失效
系统放大到电动汽车尺度后，有三件事发生了变化：
耦合显著下降。 当气隙为 150 mm、线圈盘直径约为 350 mm 时，\(k\) 通常只有 0.1–0.3。根据手机篇公式（1），\(M=k\sqrt{L_1L_2}\)；有用的耦合项缩小了，线圈电抗却没有随之减小。
电流开始决定结构。 线圈中会流过数十安培的 RMS 电流。利兹线结构、电容器 RMS 电流额定值和充电盘热设计不再是细节。
杂散磁场逸出系统。 手机充电板的磁场会被手机结构约束，而直径 350 mm 的充电盘跨越 150 mm 气隙工作时，会在车辆投影之外产生可测量的磁场，因此人体暴露限值必须进入设计闭环。
2. 标准化工作点
要实现互操作，各方必须就频率、功率等级和几何尺寸达成一致。SAE J2954 规定了：
- 频率：标称 85 kHz，工作频带为 81.38–90 kHz。
- 功率等级：WPT1（3.7 kVA）、WPT2（7.7 kVA）和 WPT3（11.1 kVA）。
- 离地间隙等级：Z1、Z2 与 Z3，车载组件高度大致覆盖 100–250 mm。
- 对位容差：横向约 ±75 mm，纵向约 ±100 mm。
85 kHz 是一个折中点，而不是理论最优点。提高频率能增大 \(Q\) 并缩小磁性元件，但也会增加开关损耗、电容应力和 EMC 难度；降低频率则相反，并会让充电盘大到不实用。这个频带还必须落在可用于该用途的频谱区域内。
功率与高度等级的意义比看上去更大。如果一辆 Z3 离地间隙的车辆停在 Z1 地面充电盘上，实际气隙会远超任一组件的设计点。因此链路必须在一个耦合范围内规定性能，而不能只在单个工作点上给出指标。
3. 为什么串联—串联不再是显然的选择
对于谐振状态下的串联—串联网络，副边电流为
\[I_2=\frac{V_1}{\omega M}, \tag{1}\]它与负载无关，因此天然呈现适合电池充电的电流源特性。
问题在于分母。\(M\) 会随停车位置和车身高度变化，于是公式（1）意味着输出电流取决于车停在了哪里。更糟的是，当 \(M\to0\) 时，理论电流趋于无穷；除非控制系统及时介入，否则空载或严重偏移的链路会让原边趋向短路工况。
串联—串联结构还会让逆变器电流直接受负载影响。在手机充电场景中这尚可接受；但在 7.7 kW 系统中，\(R_{\mathrm{ref}}=(\omega M)^2/(R_2+R_L)\) 会在允许的对位范围内变化一个数量级，这就不再合适了。
4. 双边 LCC
把两侧分别调谐为
\[\omega L_{f1}=\frac{1}{\omega C_{f1}},\qquad \omega\left(L_1-L_{f1}\right)=\frac{1}{\omega C_1}, \tag{2}\]副边也采用对称条件。在公式（2）成立时，原边线圈电流为
\[I_1=\frac{V_1}{\omega L_{f1}}, \tag{3}\]它既不取决于负载，也不取决于耦合。输出电流则满足
\[I_{\mathrm{out}}\propto\frac{M\,V_1}{\omega^2L_{f1}L_{f2}}, \tag{4}\]因此传输功率与 \(M\) 成正比，而不是与它成反比。
这把故障模式反了过来。串联—串联系统一旦失去对位，就会要求更大的电流；LCC 系统失去对位时，只会在保持线圈电流不变的情况下减少输出功率——链路会平稳降额，而不是失控上升。双边 LCC 在电动汽车无线充电中常见，主要原因正是这一性质，而不只是效率。
代价也很实际：要增加两个承载全部线圈电流的电感、两个高电流电容，而且公式（2）的调谐条件必须在温度变化和器件容差下仍然成立。失谐会表现为逆变器的无功负载增加，以及软开关丢失。
5. 偏移
曲线上的两个特征主导了设计：
可接受区域是一段平台，而不是一个点。 在约 ±75 mm 的范围内，\(M\) 只下降约 12%，控制器很容易吸收这个变化。因此普通停车精度足以满足标准的对位容差。
曲线上存在零点。 偏移足够大时，耦合会穿过零并反向。如果控制环把输出功率下降简单地解释为需要增加激励，它就会在一个“再加激励也无济于事”的区域里持续加大驱动。因此必须测量并门控对位状态，不能仅根据已传输功率去推断。
充电盘几何形状是最主要的设计杠杆。圆形盘对称、简单；DD、DDQ、双极等极化结构会让磁通从充电盘向外拱起，而不是在局部闭合，因此能在相同气隙下提高耦合，并扩大某一轴向的容差，代价是杂散磁场方向性更强。几何选择必须与屏蔽设计以及第 7 节的电磁场测量一起考虑。
6. WPT2 链路数值算例
取 \(L_1=L_2=100\ \mu\mathrm H\)、频率 85 kHz，则 \(\omega=5.34\times10^5\ \mathrm{rad/s}\)，\(\omega L=53.4\ \Omega\)。当 \(k=0.18\) 时：
\[M=kL=18\ \mu\mathrm H,\qquad \omega M=9.61\ \Omega. \tag{5}\]若利兹线圈在工作频率下的电阻为 \(R=0.15\ \Omega\)，则 \(Q=356\)，因此
\[kQ=64,\qquad \eta_{\max}=96.9\%. \tag{6}\]注意这组数意味着什么：弱耦合并不是效率的障碍。 与手机场景相比，\(k\) 降低了三倍，但 \(Q\) 提高了四倍以上，乘积反而更大。电动汽车尺度下，线圈对本身不是主要问题——正如 kQ 曲线所示，\(kQ\approx50\) 以上已经进入平坦区域。
根据公式（3）为 LCC 定尺寸。取 \(L_{f1}=30\ \mu\mathrm H\)（\(\omega L_{f1}=16.0\ \Omega\)），直流母线电压为 600 V；全桥输出基波 RMS 电压 \(V_1=540\ \mathrm V\)，于是
\[I_1=\frac{540}{16.0}=33.7\ \mathrm A_{\mathrm{rms}},\qquad I_2=\frac{P}{\omega MI_1}=\frac{7700}{9.61\times33.7}=23.8\ \mathrm A_{\mathrm{rms}}. \tag{7}\]线圈导通损耗为 \((33.7^2+23.8^2)\times0.15=255\ \mathrm W\)，线圈间传输效率为 96.8%，与公式（6）一致。
剩余损耗分散在其他每一个环节：同样承载 34 A 电流的补偿电感、流过数十安培的电容 ESR、逆变器、整流器和 PFC 前端。对于良好对位的 WPT2 链路，电网到电池 90%–93% 的效率是现实目标；它与 96.8% 之间的差距，才是工程工作的真正所在。
7. 检测不该出现在这里的东西
有两个经常被混为一谈、但性质不同的问题：
异物检测（FOD）针对气隙中的导电物体——硬币、易拉罐或工具。小金属物体中的涡流加热温度可能超过 200 °C。绝对危险与手机充电场景相同，但功率算术更糟：一枚硬币吸收几瓦，只占 7.7 kW 的零点几个百分点，完全落在功率测量误差之内。因此在这一功率等级上，只靠功率损耗核算远远不够；通常需要专用传感，例如在充电盘表面下布置小型感应线圈阵列，检测局部磁场扰动。
活体保护（LOP）针对进入充电盘周围区域的动物或人体肢体。这是另一类传感问题：目标更大、基本不导电，而且往往位于气隙之外而不是之内。雷达、电容传感和摄像头都可用于此目的。
电磁场暴露是第三项独立要求。ICNIRP 2010 指南给出的 3 kHz–10 MHz 一般公众磁通密度参考水平为 27 µT RMS，相关标准会规定车辆周围哪些位置必须满足该限值。这会约束充电盘几何、屏蔽，以及允许满功率工作的偏移范围——严重偏移的链路不仅传输功率更低，漏磁场也更大。
这三项要求既与效率相冲突，也会彼此牵制。感应线圈阵列会在气隙中引入额外损耗；屏蔽会增加涡流损耗；提高耦合的极化充电盘又可能让某一轴向的场分布更差。
8. 动态充电
边行驶边充电可以从根本上解除续航约束；这一技术已在配套测试道路和短距离公共路段上完成演示。
其困难更多是结构性的，而不是电气性的。埋入道路的线圈必须分段并单独供电，因为给没有车辆覆盖的路段通电既浪费能量，也会产生辐射。每个线圈段与车辆只耦合几分之一秒，因此检测、握手与功率爬升必须在这个时间窗内反复完成。在路面下安装和维护电力电子设备的土建成本主导了整体经济性，而埋地变换器一旦失效，维修代价很高。
这是一个拥有真实示范项目的真实研究方向。但就目前而言，它还不是已经部署的静态充电替代方案；明确区分这两者很重要。
9. 需要验证什么
- 整个工作包络内的耦合。 使用开路/短路法，在完整横向、纵向和高度范围内测量 \(k\)，包括法规允许的 GA 与 VA 等级最不利组合。
- 温度变化下的调谐。 检查补偿电容升温后公式（2）是否仍成立。应报告由此产生的逆变器相角，而不只是电容量。
- 极限条件下的软开关。 在最小和最大耦合、最低和最高电池电压以及功率爬升过程中验证软开关。
- 检测性能。 在规定位置测试规定异物，也要在较低功率下测试，因为此时相对检测信号最小。
- 电磁场测量。 在标准规定的测量点、最不利对位和满功率条件下测量。
- 直流端口效率。 从电网输入测到电池端子，并说明对位状态和电池荷电状态。其他口径只是披着系统指标外衣的线圈测量。
水下无线电能传输篇会把同一类链路放进导电介质中；在那里，拯救了本文效率的品质因数，恰好成了受到攻击的参数。