電動汽車磁耦合諧振無線充電系統研究發展綜述

史佳蘭，蔡 黎，代妮娜，譚澤富，朱海濤

(1.重慶三峽學院信息與信號處理重點實驗室，重慶 萬州 404000；2.中國電建集團國際工程有限公司，北京 100089)

1 引言

直至2021年底，我國新能源汽車達492萬輛，占出售汽車總量的1.46%。其中，純電動汽車為400萬輛，占新能源汽車總量的81.3%。電動汽車已成為國內不斷高速增長的新能源車輛。電動汽車因為充電需要，被分為有線充電與無線充電兩種。而有線充電式電動汽車常常被充電樁限制，充電設備可能存在老化、接觸不良等問題，因此無需考慮插座問題的無線充電方式更受青睞。

本文主要結合國內外發展實例與現狀，探討基于磁耦合諧振的電動汽車無線充電技術，對磁耦合結構下的充電方式、充電結構的影響分析，并對這一技術的未來發展進行展望。

2 國內外研究發展

2.1 國內研究進展

國內無線充電技術的研究主要由各大高校進行。重慶理工大學[1]提出協同線圈無線充電系統，利用遺傳算法進行優化，對協同線圈的耦合系數進行合理取值；深圳大學田教授等人[2]研究出LCC-S補償結構，提高在不同耦合情況下的充電效率；鄭州大學[3]搭建電熱耦合模型，通過混合功率脈沖測試，減小了不同溫度下的平均絕對誤差；上海交通大學[4]提出靜態無線充電時的精確定位法，減少橫向偏差帶來的損耗，誤差不超過0.003 mm；天津工業大學的張教授團隊[5]提出雙LCC補償結構的電流閉環自整定系統，將系統動態響應能力提升60%；華南理工大學的楊教授等人[6]通過改善充電結構達到無源整流效果，在20 V傳輸電壓下，電壓波動不超過1.6 V。

2.2 國外研究進展

1964年，William Brown[7]成功利用無線技術給一架模型飛機充電，驗證了無線充電技術的可行性。當前，奧克蘭大學[8]提出一種集成布斯特有源橋的功率轉換器，可將兩個直流電感的功能集成到雙D磁耦合線圈，使磁體減少大約70%；多倫多大學[9]提出能夠檢測系統阻抗和諧振頻率的位置校正控制算法，提高充電車輛的對準功能，以降低充電裝置偏移導致的功率降低；2019年，寶馬公司研制出具有無線充電技術的混合動力電動汽車，210 min即可將電池充滿，充電效率可超90%。

目前國內外無線充電的電動汽車尚未完全投入市場，主要原因為無線充電技術的功率較低、傳輸距離偏短。為了增加無線充電系統的傳輸效率和傳輸距離，可以從充電方式入手。

3 充電方式

無線電能的傳輸可以通過以下三種方式實現：電場耦合方式，電磁感應方式及磁場耦合方式。電場耦合方式傳播距離很短，發射端與接收端必須緊鄰才能達到較好效果，傳輸效率也不理想，應用效果差；電磁感應式在耦合式的基礎上，傳輸距離稍有提高，仍舊達不到所需范疇，且傳輸功率低下。因此，磁場耦合式的使用更為廣泛。

3.1 靜態無線充電

靜態無線充電中，輸入端與輸出端常采用簡單的幾何形狀，如圓形或者矩形的線圈結構，其后也有較為復雜的線圈進行實驗應用。靜態充電面臨的挑戰有：停車時輸入端與輸出端無法完全對準，導致偏移問題[10]。文獻[11]采用雙H型耦合線圈，在充電系統中增加新型的補償拓撲，使系統在諧振頻率達90 kHz時，輸入端與輸出端的充電效率可在200 mm內保持穩定。文獻[12]對比不同磁芯和線圈的搭配，提出多發射線圈耦合結構，有效增加50 mm的抗偏移距離。

3.2 動態無線充電

動態無線充電適用于汽車移動狀態下，對充電地面要求較高。在一定長度的充電地面上設置發射端，實現電動汽車邊行駛邊充電。這一方式大幅度縮小電池容量，有效降低整輛充電汽車所需材料和體積。

動態無線充電過程中，根據設置在地面處發射端的設計特性，劃分為陣列式，供電導軌式和分段供電導軌式。陣列式發射線圈即不改變線圈參數的情況下，在地面上將多個線圈比鄰設置，后兩種方式的結構特點為均改變了設計參數，使得線圈長度遠遠大于寬度。長導軌式因為埋設于地面的發射線圈單一，有在其產生故障的情況下則導致相當長一段距離內，電動汽車無法安全工作；陣列式由多個線圈組成，單個線圈故障不會對全線造成影響，但線圈數量過多，在汽車行駛過程中容易產生電能不穩定的問題。分段導軌式選取了適宜的線圈長度參數，較好的平衡了上述兩種方法的缺點。

電動汽車動態充電過程中的橫向誤差可以采用四線圈電路構成的實時汽車橫向偏差檢測電路，以達到穩定電流效果，或對充電系統接收端的參數進行優化，也可以增加系統抗偏移特性。

4 結構介紹

4.1 耦合線圈

磁耦合結構是無線充電系統的關鍵部件。在無線階段之前，有兩個轉換步驟：將電網中的低頻交流電流轉換為直流電流，然后將直流電流轉換為高頻交流電流。

奧克蘭大學提出可應用于無線充電的圓形電磁感應結構，同年設計了性能更好的DD(double-D)型偏振耦合器，在0.31 m2的尺寸下，充電面積達相同尺寸下圓形結構的五倍以上[13]；美國阿克倫大學的Mostak教授對磁芯損耗隨磁通密度分布的變化進行研究，通過改變磁芯幾何設計，將損耗降低25%[14]；2020年，楊志紅等人[15]以DD線圈為基礎，采用減少磁芯和優化參數的方式，將系統的傳輸效率提高至95%以上，并在82.5 kHz至90 kHz的頻率范圍內傳輸11 kW的功率。

在磁耦合線圈形狀對特性的影響探究中，天津工業大學[16]仿真對比了圓形、D型、DD型等不同耦合線圈設計，結果表明，在橫向偏差250 mm時，圓形與方型線圈耦合度趨近于零，而DD型線圈的橫向耦合范圍可達600 mm，鐵氧體磁芯的加入對四種線圈的耦合性能均有極大的提升，比無鐵氧體磁芯的線圈增強30.4%。

4.2 補償結構

除在磁耦合機構上進行進一步的研究外，為了有效增加該機構的傳輸效率，大幅度提升傳輸功率，還需要對這個機構進行電容補償，使兩者的工作在共振狀態。

補償電容的方法，也因為設計過程中其結構的不同，劃分成四種不同的組合類型：SS耦合(原邊串聯-副邊串聯類型)、PS耦合(原邊并聯-副邊串聯類型)、SP耦合(原邊串聯-副邊并聯類型)、PP耦合(原邊并聯-副邊并聯類型)。SS型的一次側電容值僅與自身特性，諧振頻率和自感系數有關，其他三種都會受到其他參數的影響。除此以外，這四種基礎結構無法滿足大功率充電汽車的需求，復合型補償結構的研究很有必要。

補償電路作為穩定系統狀態，提升充電效率的結構，除了在轉換效率上的提升，輸入功率的提升也十分重要，在這方面進行優化，可極大縮短充電時間，延長電池使用壽命，為了提升補償結構的效率，可以采用復合型補償機構。

4.3 復合補償結構

復合型補償機構在原有補償結構上，在原邊或副邊增設電元器件來增強補償機構的效率。常見復合補償結構有：雙LCC補償結構、LCC-S補償結構、LCL-LCC補償結構、雙LCL補償結構、雙T型補償結構這幾種結構，雙LCC結構和LCC-S結構具有很強的抗偏移能力，被廣泛應用于電動汽車動態充電系統中，山東大學[17]優化了LCC-S結構參數，在125 W功率下工作效率達93.1%，提高了穩流能力；雙LCL補償結構和LCL-S補償結構可以分別輸出恒定電流與恒定電壓，且都能實現零相角，并建立了173 W的樣機對結果進行了驗證；雙T型補償結構有穩壓作用，在負載電阻10 Ω或30 Ω處，輸出電壓大小不受影響。

以上幾種復合補償結構具有不同特性，可根據電動汽車無線充電系統的不同設計要求來進行選擇，在動態電路多段導軌式中，可應用LCC和LCC-S補償結構以減少動態影響造成的偏移損耗，在靜態電路中選擇LCL-S補償結構穩定輸出電壓，提高輸電效率。

5 結果與討論

“十四五”期間，工信部提出圍繞碳排放問題，通過制定相關法律法規，推動新能源汽車的發展，推動磁耦合結構的優化與提升，對推進無線充電汽車的發展具有極大的幫助。未來無線充電技術的發展應集中在以下兩個方面。

(1)提高充電結構的效率及穩定性，達到用戶的日常使用需求，降低充電使用過程中的充電時間和充電次數。

(2)增加電動汽車的抗偏移能力，減少停車或行駛中的位移偏差導致的充電功率低下，提升電動汽車充電穩定性。