電動汽車無線充電耦合器綜述

董福祿，凌順和，陳淑偉

(1.北京中建建筑設計院有限公司山東分公司，山東青島266071;2.中鐵建工集團青島工程有限公司，山東青島266000;3.中電科二十二所天博信息科技公司，山東青島266000)

電動汽車無線充電耦合器綜述

董福祿1，凌順和2，陳淑偉3

(1.北京中建建筑設計院有限公司山東分公司，山東青島266071;2.中鐵建工集團青島工程有限公司，山東青島266000;3.中電科二十二所天博信息科技公司，山東青島266000)

近年來，電動汽車吸引了越來越多的關注，但是它們仍然不是消費者主要的選擇。這可能是許多原因造成的包括電動汽車價格和行程，這些因數主要是受目前電池技術以及充電速率的限制。與傳統的插入式充電系統相比，無線充電系統更方便，安全。動態無線充電能減少車載的電池容量，可以幫助降低電動汽車的價格。然而無線充電仍受耦合器的限制—他們目前傳輸功率和效率較低，本文闡述了目前無線充電耦合器的主要設計方案。

電動汽車;無線充電;蓄電池

1 引言

由于化石燃料導致的環境問題日趨嚴重，電動汽車因其環保優勢越來越受到重視，電動汽車的廣泛運用可以有效減少城市和街道污染［1］。然而，由于目前的電池技術和電網連接等技術問題，這些問題會影響電動汽車的行程和充電時間，因此尚未被消費者廣泛接受。

由于目前的電池能量密度低，為了獲得足夠的車載電量，電池的重量和成本都會很高。同時，為了增加電池的壽命和效率以及安全問題，必須限制充電電流，導致充電時間漫長。為了降低車載電池的數量，需要電動汽車能夠在行駛中充電，這就迫切需求對自動化WPT技術。現實中，我們只能在主干道而不能在所有道路而安裝電源，所以電動汽車必須有一定的車載電池容量。因此電能存儲與靜止和移動(在線)充電的結合是必需的。相對于有線充電，WPT不需要接觸器和裸露終端，因而更簡潔、更安全。

目前，電動汽車普遍采用插入式充電(有線充電)，比如特斯拉電動跑車，有53千瓦時的車載電池容量，使用240V，40A充電器需要大約7小時，使用240V，70A的充電器，需要4.5小時［2］。但插入式充電會受到天氣的影響，濕插頭和接觸器有產生沖擊電流和電弧的危險。WPT通過電磁感應技術提供了內在的隔離，即電源和車輛之間有氣隙，這增加了充電系統的安全性。WPT系統能夠完全自動化，而且更容易使用高的傳輸頻率。然而WPT仍然受耦合器的限制—它們傳輸功率和效率較低，本文主要闡述目前無線充電耦合器的設計方案。

2 無線充電系統結構與分類

典型的WPT系統如圖1，首先通過AC－DC變換器把電網的交流電整流到直流;而后通過DC－AC逆變電路把直流逆變成高頻(10～150kHz)的方波交流電;經過發射端諧振補償電路，發射端線圈中產生恒定的激磁電流，接收端線圈通過感應發射端線圈形成的高頻強磁場得到感應電動勢(AC);最后，通過ACDC整流器給EV電池充電。

圖1 典型的EVs用WPT系統

電動汽車無線充電可以分為固定無線充電和在線/運動中無線充電［3－4］。固定無線充電系統在電動汽車停止或泊車時充電，通常是在當車輛不使用時充電。電動汽車停止在耦合器正確對齊的位置時，系統開始電能傳輸。通常使用的耦合機制歸納為感應電能傳輸(inductive power transfer，IPT)、磁諧振耦合傳輸(magnetic resonance coupling transfer，MRCT)或永磁聯軸器傳輸(permanent magnet coupling transfer，PMPT)三種方法。在線/運動充電系統在電動汽車高速公路上行駛時充電，一次側嵌入在路面之下和車載二側能夠在移動中接收電能。在下面幾節中對當前不同WPT耦合器的設計方案中的技術和發展趨勢進行了闡述。

3 固定無線充電

當電動汽車停在停車場、車庫或當這輛車在短時間內固定在三岔路口，甚至在未來的充電站時，采用固定WPT系統充電。要在短時內充電，車載電池或能量存儲單元(如超級電容)必須能夠迅速和有效地儲存了能量。WPT消除了耦合器之間有線連接，能夠完全自動的完成。這意味著，可以利用每一個可能的機會給電動汽車電池充電，即使只是短暫的停止。耦合器的一次側需要嵌入在地面下，二次側需要放置在電動車的下面以減少電磁泄漏以及與其他車輛和對象之間的干擾。

3.1 感應電能傳輸(IPT)

IPT耦合器的充電器是松散耦合的變壓器，其中沒有連接一次和二次線圈的鐵心，因此這種耦合器必須通過空氣氣隙傳輸電能。運用到電動汽車充電方面，一二次側之間因為汽車和路面之間距離而存在較大的氣隙，這意味著耦合器漏感很大，因為漏感值是氣隙距離的增函數。在參考文獻［5］中，研究者發現在變壓器兩側添加串聯或并聯電容組成諧振補償結構能夠提高系統傳輸功率和效率。這是因為采用阻抗匹配技術解決了低耦合問題。變壓器兩側的電容和電感形成諧振電路，因此無功功率不會通過氣隙傳輸，這降低了開關損耗和電力電子轉換器的伏安比率。磁耦合系數k作為衡量一二次側之間的耦合程度。k定義為k，其中M是一二次側線圈的互感，L1是一次線圈自感，L2是二次線圈自感，顯然完美的耦合系數是1，但是實際應用中是不可能達到的。所以為了提高系統功率傳遞能力和效率，耦合器的耦合系數k越大越好。因此，為了實現高耦合系數線圈和核心的設計是非常重要的。

目前根據不同的需求，IPT系統耦合器有許多種核心形狀的設計方案，電動汽車用IPT系統中應用最廣泛的主要有兩種:圓形電磁耦合結構和雙矩形線圈結構(DD型)［2］，如圖2所示。在［5］中，使用的是長條形鐵氧體磁芯耦合器，直徑600mm的圓形耦合器在縱向距離200mm，無橫向偏移時，耦合率最大達到了0.15。通過有限元(Finite Element Analysis，FEA)仿真發現，為了得到更大的功率傳輸能力和耦合率，就需要增大圓形電磁耦合結構的直徑。文獻［6］使用板型鐵氧體磁芯，采用DD型耦合器結構，通過仿真發現采用600(長)/800(寬)mm DD型電磁耦合結構，總行距離200mm無橫向偏移時，耦合率達到了0.3。兩種結構耦合率的差別主要是由于兩者基本的通量路徑高度不同，圓形電磁耦合結構基本的通量路徑高度是直徑的四分之一，DD型耦合器的基本的通量路徑高度是其寬度的二分之一［7］。文獻［7］中，系統縱向距離200mm時，系統傳輸功率8.8kW，DC到DC效率達到了95.7%。

通過使用性能更好的磁性材料可以提高耦合器的耦合率，目前廣泛采用的主要有德國飛磁公司的MnZn鐵氧體，日本TDK公司的NiZn鐵氧體材料，未來隨著納米晶和非晶材料的廣泛應用，IPT系統耦合器的耦合率還可以進一步提高。

圖2 圓形和DD型電磁耦合結構圖

3.2 電磁諧振耦合傳輸

文獻［8］中提出了基于耦合模理論的電磁諧振耦合技術(MRCT)，如圖3所示，它能夠通過一個大的氣隙傳遞能量，MRCT系統在1m氣隙時，整體效率能達到90%。MRCT系統中耦合器的兩個天線有相同的諧振頻率，這里諧振的概念類似于IPT中諧振線圈。然而在MRCT系統中中，天線自感與電容形成諧振電路諧振頻率都是在MHz級別，而受目前半導體器件的限制，系統效率偏低。另外MRCT技術的功率傳輸能力較小，漏磁較為嚴重，在電動汽車WPT系統中的應用還處于初始研究狀態。

圖3 MRCT電動汽車充電系統

3.3 永磁鐵聯軸器

永磁聯軸器技術(PMPT)由哥倫比亞大學提出，它是基于“磁齒輪效應”，磁齒輪使用這種技術耦合:一次側永久磁化轉子旋轉使二級轉子以同樣的速度旋轉，此速度稱為同步轉速。文獻［9］采用PMPT技術的WPT系統，工作頻率在150Hz，一二次側氣隙為150mm時，系統整體效率達到了81%。但是，PMPT系統存在以下問題，比如噪音和振動問題。另外，PMPT系統包含一些機械部件，也可能有校準和保養問題。

4 在線/動態充電

電動汽車配備必需大量的車載電池容量，因為車輛需要連續電力來牽引和驅動，汽車加速也需要大量能量。有限的電池儲備可能無法有效的提供車輛需要的能量。道路在線/動態WPT系統能夠為移動電動汽車動態充電，進而減小車載電池容量要求，二次側接收的電能可以直接用于驅動，提高效率。其實，幾十年前就有在線有線功率傳輸用于供應無軌電車，有的城市目前仍然在使用。WPT在線/動態充電耦合器普遍采用集中墊結構［10］，固定充電墊集中形成一個沿著車道的功率帶，如圖4所示。電動汽車沿著功率帶移動時，一次側功率帶形成連續的磁場，二次側通過電磁感應與一次側磁場耦合，感生出電動勢，進而生成電流，功率穿過氣隙傳輸到電動汽車。道路在線/動態WPT系統需要精確的位置檢測技術，來打開和關閉充電襯墊:關閉通電但是沒有耦合的部分，減少損耗提高效率。

圖4 在線/動態充電

5 結論

電動汽車WPT系統的主要問題仍然是功率傳輸能力和效率。對IPT、PMPT以及其他道路系統，耦合器的設計仍然是在改善系統效率主要的途徑，對于MRCT系統，主要問題是沒有合適的能量源可以在數兆赫下大功率高效率的傳輸電能。在WPT系統耦合器的設計中，FEA得到了廣泛應用，通過FEA模擬可以提供精準的仿真結果，減少設計時間。同時，耦合器的形狀設計仍高度依賴于實驗驗證，系統優化方法也可以用來提高設計效率。

［1］曹玲玲，陳乾宏，等.電動汽車高效率無線充電技術的研究進展［J］.電工技術學報，2012，8(8):1－13.

［2］張炯，樓佩煌，等.基于雙LCL補償的無接觸供電系統研究［J］.電工技術學報，2013，28(10):19－24.

［3］Li S，Mi C.Wireless Power Transfer for Electric Vehicle Applications［J］.IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2015，3(1):4－17.

［4］Budhia M，Covic G，and Boys J.Design and optimization of circular magnetic structures for lumped inductive power transfer systems［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，99(11):2096－3108.

［5］Chwei-Sen Wang，Stielau，O.H.，Covic，G.A.Design considerations for a contactless electric vehicle battery charger［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2005，52(5):1308－1314.

［6］Nguyen T.－D.，Li S.，Li W.，and Mi C.Feasibility Study on Bipolar Pads for Efficient Wireless Power Chargers［C］.Applied Power Electronics Conference and Exposition，Texas，2014.

［7］Budhia M.，Covic G.，and Boys J.A new IPT magnetic coupler for electric vehicle charging systems［C］.IECON，2010.

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［10］Suh N.P.Design of On－Line Electric Vehicle［C］.CIRP Design Conference，2010.

Review of Wireless Power Transfer Coupler for Electric Vehicles

DONG Fu-lu1，LING Shun-he2，CHEN Shu-wei3
(1.Beijing Architectural Design Institute of China Construction Corp.，Ltd.，Qingdao 266071，China; 2.China Railway Construction Engineering Group Corp.，Ltd.，Beijing 100000，China;3.China Electronics Technology Group 22 th Tianbo Information Technology Company，Qingdao，266555)

In recent years，electric vehicles(EVs)have attracted increasing interest.But，they are still not the main choice for the consumer.This may be due to many reasons such as price and driving range，which is largely due to the limitations of current battery technology and the recharging speed.When compared to plug-in charging systems，wireless power transfer(WPT)system is convenient and safe.WPT can help reduce EVs pricing if it is done during travel because this will minimize the required battery storage on board.However，WPT is still limited by the wireless coupler-they current have low transfer efficiency.This paper presents a state-of-the-art literature review on the recent advancements in WPT coupler design.

electric vehicles;wireless power transfer;battery storage

TM912

B

1004－289X(2016)04－0007－04

2015－05－10

董福祿(1987－)，男，漢，山東省濱州市，助理工程師，從事建筑電氣設計工作。