电动汽车无线充电耦合器综述

董福禄，凌顺和，陈淑伟

(1.北京中建建筑设计院有限公司山东分公司，山东青岛266071;2.中铁建工集团青岛工程有限公司，山东青岛266000;3.中电科二十二所天博信息科技公司，山东青岛266000)

电动汽车无线充电耦合器综述

董福禄1，凌顺和2，陈淑伟3

(1.北京中建建筑设计院有限公司山东分公司，山东青岛266071;2.中铁建工集团青岛工程有限公司，山东青岛266000;3.中电科二十二所天博信息科技公司，山东青岛266000)

近年来，电动汽车吸引了越来越多的关注，但是它们仍然不是消费者主要的选择。这可能是许多原因造成的包括电动汽车价格和行程，这些因数主要是受目前电池技术以及充电速率的限制。与传统的插入式充电系统相比，无线充电系统更方便，安全。动态无线充电能减少车载的电池容量，可以帮助降低电动汽车的价格。然而无线充电仍受耦合器的限制—他们目前传输功率和效率较低，本文阐述了目前无线充电耦合器的主要设计方案。

电动汽车;无线充电;蓄电池

1 引言

由于化石燃料导致的环境问题日趋严重，电动汽车因其环保优势越来越受到重视，电动汽车的广泛运用可以有效减少城市和街道污染［1］。然而，由于目前的电池技术和电网连接等技术问题，这些问题会影响电动汽车的行程和充电时间，因此尚未被消费者广泛接受。

由于目前的电池能量密度低，为了获得足够的车载电量，电池的重量和成本都会很高。同时，为了增加电池的寿命和效率以及安全问题，必须限制充电电流，导致充电时间漫长。为了降低车载电池的数量，需要电动汽车能够在行驶中充电，这就迫切需求对自动化WPT技术。现实中，我们只能在主干道而不能在所有道路而安装电源，所以电动汽车必须有一定的车载电池容量。因此电能存储与静止和移动(在线)充电的结合是必需的。相对于有线充电，WPT不需要接触器和裸露终端，因而更简洁、更安全。

目前，电动汽车普遍采用插入式充电(有线充电)，比如特斯拉电动跑车，有53千瓦时的车载电池容量，使用240V，40A充电器需要大约7小时，使用240V，70A的充电器，需要4.5小时［2］。但插入式充电会受到天气的影响，湿插头和接触器有产生冲击电流和电弧的危险。WPT通过电磁感应技术提供了内在的隔离，即电源和车辆之间有气隙，这增加了充电系统的安全性。WPT系统能够完全自动化，而且更容易使用高的传输频率。然而WPT仍然受耦合器的限制—它们传输功率和效率较低，本文主要阐述目前无线充电耦合器的设计方案。

2 无线充电系统结构与分类

典型的WPT系统如图1，首先通过AC－DC变换器把电网的交流电整流到直流;而后通过DC－AC逆变电路把直流逆变成高频(10～150kHz)的方波交流电;经过发射端谐振补偿电路，发射端线圈中产生恒定的激磁电流，接收端线圈通过感应发射端线圈形成的高频强磁场得到感应电动势(AC);最后，通过ACDC整流器给EV电池充电。

图1 典型的EVs用WPT系统

电动汽车无线充电可以分为固定无线充电和在线/运动中无线充电［3－4］。固定无线充电系统在电动汽车停止或泊车时充电，通常是在当车辆不使用时充电。电动汽车停止在耦合器正确对齐的位置时，系统开始电能传输。通常使用的耦合机制归纳为感应电能传输(inductive power transfer，IPT)、磁谐振耦合传输(magnetic resonance coupling transfer，MRCT)或永磁联轴器传输(permanent magnet coupling transfer，PMPT)三种方法。在线/运动充电系统在电动汽车高速公路上行驶时充电，一次侧嵌入在路面之下和车载二侧能够在移动中接收电能。在下面几节中对当前不同WPT耦合器的设计方案中的技术和发展趋势进行了阐述。

3 固定无线充电

当电动汽车停在停车场、车库或当这辆车在短时间内固定在三岔路口，甚至在未来的充电站时，采用固定WPT系统充电。要在短时内充电，车载电池或能量存储单元(如超级电容)必须能够迅速和有效地储存了能量。WPT消除了耦合器之间有线连接，能够完全自动的完成。这意味着，可以利用每一个可能的机会给电动汽车电池充电，即使只是短暂的停止。耦合器的一次侧需要嵌入在地面下，二次侧需要放置在电动车的下面以减少电磁泄漏以及与其他车辆和对象之间的干扰。

3.1 感应电能传输(IPT)

IPT耦合器的充电器是松散耦合的变压器，其中没有连接一次和二次线圈的铁心，因此这种耦合器必须通过空气气隙传输电能。运用到电动汽车充电方面，一二次侧之间因为汽车和路面之间距离而存在较大的气隙，这意味着耦合器漏感很大，因为漏感值是气隙距离的增函数。在参考文献［5］中，研究者发现在变压器两侧添加串联或并联电容组成谐振补偿结构能够提高系统传输功率和效率。这是因为采用阻抗匹配技术解决了低耦合问题。变压器两侧的电容和电感形成谐振电路，因此无功功率不会通过气隙传输，这降低了开关损耗和电力电子转换器的伏安比率。磁耦合系数k作为衡量一二次侧之间的耦合程度。k定义为k，其中M是一二次侧线圈的互感，L1是一次线圈自感，L2是二次线圈自感，显然完美的耦合系数是1，但是实际应用中是不可能达到的。所以为了提高系统功率传递能力和效率，耦合器的耦合系数k越大越好。因此，为了实现高耦合系数线圈和核心的设计是非常重要的。

目前根据不同的需求，IPT系统耦合器有许多种核心形状的设计方案，电动汽车用IPT系统中应用最广泛的主要有两种:圆形电磁耦合结构和双矩形线圈结构(DD型)［2］，如图2所示。在［5］中，使用的是长条形铁氧体磁芯耦合器，直径600mm的圆形耦合器在纵向距离200mm，无横向偏移时，耦合率最大达到了0.15。通过有限元(Finite Element Analysis，FEA)仿真发现，为了得到更大的功率传输能力和耦合率，就需要增大圆形电磁耦合结构的直径。文献［6］使用板型铁氧体磁芯，采用DD型耦合器结构，通过仿真发现采用600(长)/800(宽)mm DD型电磁耦合结构，总行距离200mm无横向偏移时，耦合率达到了0.3。两种结构耦合率的差别主要是由于两者基本的通量路径高度不同，圆形电磁耦合结构基本的通量路径高度是直径的四分之一，DD型耦合器的基本的通量路径高度是其宽度的二分之一［7］。文献［7］中，系统纵向距离200mm时，系统传输功率8.8kW，DC到DC效率达到了95.7%。

通过使用性能更好的磁性材料可以提高耦合器的耦合率，目前广泛采用的主要有德国飞磁公司的MnZn铁氧体，日本TDK公司的NiZn铁氧体材料，未来随着纳米晶和非晶材料的广泛应用，IPT系统耦合器的耦合率还可以进一步提高。

图2 圆形和DD型电磁耦合结构图

3.2 电磁谐振耦合传输

文献［8］中提出了基于耦合模理论的电磁谐振耦合技术(MRCT)，如图3所示，它能够通过一个大的气隙传递能量，MRCT系统在1m气隙时，整体效率能达到90%。MRCT系统中耦合器的两个天线有相同的谐振频率，这里谐振的概念类似于IPT中谐振线圈。然而在MRCT系统中中，天线自感与电容形成谐振电路谐振频率都是在MHz级别，而受目前半导体器件的限制，系统效率偏低。另外MRCT技术的功率传输能力较小，漏磁较为严重，在电动汽车WPT系统中的应用还处于初始研究状态。

图3 MRCT电动汽车充电系统

3.3 永磁铁联轴器

永磁联轴器技术(PMPT)由哥伦比亚大学提出，它是基于“磁齿轮效应”，磁齿轮使用这种技术耦合:一次侧永久磁化转子旋转使二级转子以同样的速度旋转，此速度称为同步转速。文献［9］采用PMPT技术的WPT系统，工作频率在150Hz，一二次侧气隙为150mm时，系统整体效率达到了81%。但是，PMPT系统存在以下问题，比如噪音和振动问题。另外，PMPT系统包含一些机械部件，也可能有校准和保养问题。

4 在线/动态充电

电动汽车配备必需大量的车载电池容量，因为车辆需要连续电力来牵引和驱动，汽车加速也需要大量能量。有限的电池储备可能无法有效的提供车辆需要的能量。道路在线/动态WPT系统能够为移动电动汽车动态充电，进而减小车载电池容量要求，二次侧接收的电能可以直接用于驱动，提高效率。其实，几十年前就有在线有线功率传输用于供应无轨电车，有的城市目前仍然在使用。WPT在线/动态充电耦合器普遍采用集中垫结构［10］，固定充电垫集中形成一个沿着车道的功率带，如图4所示。电动汽车沿着功率带移动时，一次侧功率带形成连续的磁场，二次侧通过电磁感应与一次侧磁场耦合，感生出电动势，进而生成电流，功率穿过气隙传输到电动汽车。道路在线/动态WPT系统需要精确的位置检测技术，来打开和关闭充电衬垫:关闭通电但是没有耦合的部分，减少损耗提高效率。

图4 在线/动态充电

5 结论

电动汽车WPT系统的主要问题仍然是功率传输能力和效率。对IPT、PMPT以及其他道路系统，耦合器的设计仍然是在改善系统效率主要的途径，对于MRCT系统，主要问题是没有合适的能量源可以在数兆赫下大功率高效率的传输电能。在WPT系统耦合器的设计中，FEA得到了广泛应用，通过FEA模拟可以提供精准的仿真结果，减少设计时间。同时，耦合器的形状设计仍高度依赖于实验验证，系统优化方法也可以用来提高设计效率。

［1］曹玲玲，陈乾宏，等.电动汽车高效率无线充电技术的研究进展［J］.电工技术学报，2012，8(8):1－13.

［2］张炯，楼佩煌，等.基于双LCL补偿的无接触供电系统研究［J］.电工技术学报，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.

［8］Kurs A.，Karalis A.，Moffatt R.，Joannopoulos J.D.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances［J］.Science Express，2007，317(5837):83－86.

［9］Covic G.A.，Boys J.T.，Budhia M.Electric vehicles－Personal transportation for the future［C］.World Battery，Hybrid Fuel Cell Elect.Veh.Symp.Exhibi.，Shenzhen，China，2010.

［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

董福禄(1987－)，男，汉，山东省滨州市，助理工程师，从事建筑电气设计工作。