電動汽車無線充電技術綜述?

蔡棟興

（北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院 北京 100191）

1 引言

自從第二次工業革命以來，人類社會便進入了電氣化時代。隨處可見的各種導線，在給我們帶來便利的社會的同時，也留下了安全隱患。線路的老化，不可避免地帶來觸電的危險，而且在一些追求美觀的情境下，復雜的線路也不符合要求。

無線電能傳輸技術可以有效緩解甚至解決這些問題。首先無線電能傳輸不需要導線，避免了插頭插拔帶來的風險，而且符合美觀的要求。

無線電能傳輸技術得到首先應用的，就是電動汽車的充電。雖然電動汽車的飛速發展，配套的各種技術也有了極大的需要，這給無線充電技術在電動汽車上的應用帶來了無限的可能。

2 文獻概述

國內外對電動汽車無線充電技術的研究很早就開始了。1970 年末，在加州大學伯克利分校（UC Berkeley）的Partner for Advanced Transit and Highways 項目中，在一條長213m 的軌道上測試了一可乘坐35 名乘客的電動大巴［1］，其功率可達60kW。雙極性的原邊導軌供應的是1200A，400Hz的交流電，拾取機構與原邊導軌相距7.6cm。由于半導體技術的限制所得到的傳輸效率僅有60%。

隨著半導體技術的進步和對無線電能傳輸技術的深入，kW 級功率的傳輸效率也逐步提升。奧克蘭大學（Auckland University）的研究者近期為電動汽車靜止充電設計的充電裝置值得關注，它是一個直徑為813mm 的平板線圈，可以實現間隔175mm～265mm 傳輸5kW 的功率，效率在90%以上，間隔200mm時橫向偏移裕量可以達170mm［2］。

由韓國科學技術院（KAIST）主持的“聯網電動汽車”項目（OLEV）也致力于無線充電設計。他們共設計了三代OLEV 系統：第一代輕型高爾夫車、第二代電動大巴、第三代SUV。第二代與第三代的成果顯著：分別實現了為電動大巴6kW 供電和SUV17kW供電，其傳輸效率分別為72%和71%［3］。

美國的橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge NationalLaboratory，ORNL）研制的電動汽車無線充電系統原型實現了7kW 的功率傳輸，傳輸效率達到了90%［4］。

密歇根大學迪爾伯恩分校的研究小組實現了間隔200mm 傳輸8kW 功率，其傳輸效率高達95.7%［5］。

重慶大學自2002 年展開了對無線充電技術（WPT）的研究，目前已經形成一套系統的研究體系。重慶大學的孫躍老師團隊從多個方面分析電動汽車非接觸充電的機理［6］。研究通過分段式電動汽車充電的模式實現無線充電，分段導軌的電動汽車充電模式可以有效減弱充電系統對參數的敏感程度［7］。分析系統傳輸效率與線圈諧振頻率、互感系數、線圈內阻等參數之間的關系［8］。實現在工作頻率40kHz、松耦合變壓器垂直間距30cm 下傳輸千瓦級的功率，負載分別是燈泡和功率電阻［9］。

東南大學的黃學良老師團隊對磁耦合諧振系統的四種不同電路拓撲結構的特性進行研究，推出不同結構下諧振電容的數學模型，設計了相控電感電路，可以實現系統的動態調諧［10］。分析發射裝置與接收裝置的電路模型，從磁場的角度對發射和接收天線的轉換效率進行分析，得到天線參數與效率之間的關系，從而可以有目的性地對天線參數進行優化［11］。研究盤式結構諧振電感線圈在一定條件下的設計和優化方法［12］。研究無線電能傳輸系統的傳輸效率的穩定性問題，分析得到效率與變壓器氣隙間距和系統工作頻率的關系，提出調整頻率的方式實現系統效率的穩定［13］。

哈爾濱工業大學以朱春波教授為首的研發小組面向基于磁共振耦合無線電能傳輸系統展開仿真和實驗研究，分析了反電動勢與傳輸距離、工作頻率之間的關系，并對工作于零電壓開關（Zero Voltage Switch，ZVS）模式的閉環ICPT 系統展開理論分析和實驗研究［14］。同時對于電動車感應耦合充電技術也做了一些研究，分析了松耦合變壓器的電磁轉換關系及其等效電路模型，討論了其能量損耗的特點，并研制出一套最大輸出功率為789W 的感應充電平臺［15］。

3 基本研究現狀與發展趨勢

3.1 無線電能傳輸技術的分類

根據傳輸機理的不同，無線電能傳輸可以分為如圖1 所示的幾種。

圖1 中的電磁輻射式、電場耦合式和磁場耦合式三種方式，屬于利用電磁效應進行無線電能傳輸。電磁波產生的交變電場根據離場源距離的遠近（通常以1 個波長為劃分依據）可以分為遠場和近場。

圖1 無線電能傳輸分類

目前受到較多關注的是磁場耦合式無線電能傳輸。該方式利用電源側的線圈產生交變磁場，耦合到負載側的線圈，進而將電能傳遞給負載。根據是否發生諧振以及傳輸距離相對于線圈直徑的大小，可以分為感應式和諧振式。磁耦合感應式無線電能傳輸（magnetically-coupled inductive wireless power transfer，MCI-WPT）機理類似于可分離變壓器。氣隙部分代替了鐵芯，導致了磁力線沒有定向的通道和負載側的線圈相鉸鏈。因此只有在較短的距離下，才能實現較大功率和較高效率的傳輸。當距離增大后，傳輸效率急速下降。該方式一般只有在小魚傳輸線圈直徑的傳輸距離下，才能達到較高的效率和較大的功率。而磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT）利用諧振原理，使得其在中等距離（傳輸距離一般為傳輸線圈直徑的幾倍）傳輸時，仍能得到較高的效率和較大的功率。并且電能傳輸不受空間非磁性障礙物的影響。相比于感應式，該方法傳輸距離較遠；相比于輻射式，其對電磁環境影響較小，且功率較大。

3.2 電動汽車無線充電系統介紹

圖2 所示是一種典型的電動汽車無線充電系統，它包括了電動汽車無線充電的幾個部分。首先采用帶有功率因數校正裝置的AC/DC 變換器進行整流，接著將直流電逆變為高頻交流電經補償網絡后驅動發射線圈。發射線圈上的高頻電流產生交變的磁場，從而在接受線圈上產生交流電壓。最后交流電整流之后給電池充電。圖2 所示的電動汽車無線充電器主要由以下幾個部分組成：

1）發射和接收線圈。通常線圈還需要鐵芯和屏蔽機構，在文章后面就用磁耦合線圈來表示整體，包括線圈、鐵芯和屏蔽機構。

2）補償網絡。

圖2 典型電動汽車無線充電系統

3）電力電子變換器。

它與傳統的有線充電裝置的主要區別就是其傳輸機構由一組松耦合線圈替代。為了盡快了解無線電能傳輸的原則，將線圈與補償網絡進行分離，如圖3 所示，L1代表發射線圈的自感，L2代表接收線圈的自感；1和2是兩線圈的電流，12是由原邊電流引入的副邊電壓，21是副邊電流引入的原邊電壓。S1和S2分別是流入L1和L2的能量。S3和S4是由電力電子變換器提供的能量。S12和S21代表兩線圈交換的能量。在此先隱藏補償網絡的具體結構，其結構特征稍后進行討論。

圖3 通用兩線圈WPT系統

如圖3 所示，忽略線圈阻抗和磁損耗，可以計算出L1、L2之間簡化的能量交換：

φ12是與的相角差。從原邊傳遞到副邊的有功功率可以表示為

圖3 所示的系統可以雙向傳遞有功功率。在以下分析中我們假設功率是從L1傳輸到L2，當相角差時可以實現從L1到L2的最大功率傳輸。

流入兩線圈系統的總復功率為

流入兩線圈的總無功功率為

對于傳統的功率傳輸器，無功功率代表磁能。磁能越高造成的銅耗和鐵耗越大，為了提高傳輸效率，希望有功和無功功率的比值最大。

為了求得f(φ12)的最大值需要求解下列方程：

解得

當k接近于1 時，這就是傳統的變壓器，這時2由1產生，x接近于1，因此，cosφ12≈-1，1和2的相角差接近180°。而在無線電能傳輸（WPT）中，k接近于0，f(φ12)在sinφ12=1 時最大，此時傳輸的功率達到最大。和2的相角為90°而非180°。由此我們可以看出松耦合和緊耦合之間的差異。

耦合程度的大小影響著補償網絡的設計，以串串拓撲為例，有兩種設計諧振電容的方式。一種是設計電容與漏感諧振［16］，這可以使得f(φ12)更大。另一種方式是與線圈自感諧振［17～18］，這可以使得傳輸功率達到最大。當通過鐵芯實現緊耦合時，例如k>0.5 時，這時應該增加f(φ12)以獲得更高的傳輸效率，即調整補償電容與漏感諧振。當電容與漏感諧振時就相當于漏感被補償，這時傳能裝置便與傳統的變壓器一樣并增大了f(φ12)。當系統是松耦合時，例如k＜0.5，這也是電動汽車無線充電的情況，這時通常調整電容與自感諧振使系統工作于諧振點以實現最大功率傳輸。這時，多數磁場能量存儲于兩線圈之間的氣隙中，鐵芯的磁滯損耗相對較小。然而銅耗卻與傳導電流的平方成正比。為了在一定的線圈電流下傳輸更大的功率，電流2應超前90° ，既然12超前約90° ，那么12與2應為同相位。在該頻率下從12看去副邊應呈純阻性。同時原邊的輸入功率S3應最小。在cosφ12=0 時復功率為

理想情況下原邊的補償網絡可以抵消無功功率并使S3=ω0MI1I2。通過以上分析可知副邊諧振可以減小線圈上的無功功率從而減小線圈損耗，原邊諧振可以減小電力電子器件上的無功功率從而減小損耗。因此我們選擇在磁諧振時傳輸能量。

通過以上分析我們可以計算出諧振時兩線圈間的功率傳輸效率。

我們有：

其中R2是副邊線圈的電阻，RLe是負載等效電阻。

定義a=RLe R2，傳輸效率可表示為

通過求解下式可以得到最大傳輸效率為

文獻［19］基于幾種不同的補償網絡的到了最大效率傳輸公式，結果與上式相同，這里并不局限于某種特定的補償形式，可以作為一種通用的公式用于估計線圈的性能并預測可能達到的最大傳輸效率。

對于電動汽車的靜態無線充電，兩線圈的耦合系數約為0.2，如果發射和接受線圈的品質因數為300，那么理論上的最大傳輸效率為96.7%。如圖4所示為不同耦合系數下效率與品質因數的關系。

圖4 通用兩線圈WPT系統

4 結語

本文綜述了電動汽車無線充電技術的現狀和發展情況。介紹了電動汽車無線充電系統各個主要部分的發展情況。雖然該技術的實驗結果理想，已經基本滿足商業化的性能要求，但距離該技術的真正商業化還有許多工作要做，例如：形成系統的參數設計方法、建立工業標準、降低成本、電磁干擾和生物安全性的研究等。可以看出，電動汽車無線充電技術正在得到深入研究，同時也可以預計，該項技術將有一個廣泛的應用，并將促進電動汽車的商業化進程。