电动汽车无线充电技术

林立文，翟丽，宋超

（北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

电动汽车无线充电技术

林立文，翟丽，宋超

（北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

随着低碳经济理念传播，电动汽车的发展促进电动汽车无线充电研究步伐，将成为未来电动汽车能量补给最佳的选择。介绍电动汽车无线充电的电磁感应电力传输、磁谐振电力传输、微波电力传输的原理；深入探讨磁谐振无线充电的整体结构以及各个模块的原理和方案利弊，对整个系统各个参数之间的关系和控制方法做了阐述；指出磁谐振无线充电尚存在的问题及发展趋势。

电动汽车；无线充电；磁谐振

近年来，新能源产业的发展，尤其纯电动汽车的快速增长，对电动汽车的充电方式多样化和便捷性提出更高的要求。电动汽车能源供给方式目前有电池更换、交流慢充和直流快充3种方式。电池更换形式存在实现电池箱标准化及电池快速更换实用化2大关键难题；交流慢充存在充电时间过长的缺点；直流快充则会大大缩短电池的使用寿命，大电流变化还会对电网造成冲击。利用无线充电可以做到充电设备隐形，设备磨损率较低，应用范围广，公共充电面积相对较小，可实现非接触充电，甚至实现电动汽车在行驶时非接触充电；无线充电形式有着便捷性的同时还适应快速发展的电动汽车行业；国家政策对电动汽车的扶持和规划，将对无线充电发展有着极大的推动作用。

1 无线充电技术

无线充电技术是一种非接触的能量转化和传输过程，主要包括电磁感应电力传输（Inductively Coupled Power Transfer，ICPT）、磁谐振电力传输（Electromag-netic Resonance Power Transfer，ERPT）、微波电力传输3大类。

1.1 电磁感应电力传输

如图1所示，电动汽车上的ICPT由电源发射端、无接触变压器和电动汽车接收端组成。电源发射端和原边绕组安装在地面下，副边绕组和接收端安装在电动汽车上。从电网获取电能，在信号控制电路控制下，经过整流滤波、高频逆变电路、原边绕组，通过电磁感应将电能感应到副边绕组；电动汽车侧在信号控制电路控制下，经整流滤波、功率调节，最终实现为车载电池充电。

1.2 磁谐振电力传输

如图2所示，该系统主要由电源侧发射端、发射线圈、接收线圈和电动汽车侧接收端组成。ERPT是利用线圈及电容组成谐振电路，使发射端与接收端的谐振回路的固有频率与电源工作频率相同，从而引起发射和接收谐振电路发生谐振，实现能量的无线传输。

图2 电动汽车磁谐振无线充电原理图

1.3 微波电力传输

微波电力传输技术主要由微波发射模块和微波接收模块组成，利用微型高效接收电路捕捉从障碍物反射回来的无线电波，经过处理转化为稳定的直流电压，再对电池进行充电，从而实现能量转换和传输。

3 种无线充电技术利弊比较见表1。

表1 无线充电技术利弊归纳表

由表1可知，对于电动汽车无线充电的实际应用，采用磁谐振电力传输技术是较佳的选择。

2 磁谐振无线充电系统

磁谐振的无线充电系统主要由电源输入电路、发射与接收谐振回路和电动汽车充电电路3大模块组成。

2.1 电源输入电路模块

介绍2种结构的电源输入电路。振荡器结构的电源输入电路（见图2下半部分）采用了振荡器结构实现直流-交流和变频（变高频）的转化，高频逆变结构的电源输入电路（见图1下半部分）采用了整流滤波电路和高频逆变电路的结构。由于较大容量振荡器体积较大，且振荡器的价格昂贵，而整流滤波电路和高频逆变电路的结构弥补了上述的不足，也能较好地实现变频控制和功率输出控制，因此采用图1下半部分结构。

高频逆变结构的关键技术在于逆变高频电路的设计。目前，电压型高频逆变的主电路拓扑结构主要有推挽式拓扑（图3）、半桥式拓扑（图4）和全桥式拓扑（图5）等。

全桥式逆变的弊端是所需的功率器件多，需较复杂的驱动电路。但同推挽式逆变相比，全桥式高频逆变电路需开关管承受的电压和电流都较低且原理简单；同半桥式逆变相比，当负载相同时，全桥逆变输出电压和电流幅值为单相半桥逆变电路的2倍，输出功率相对较高。因此，在电动汽车上采用全桥高频逆变的方案，能获得更好的性能和性价比。

对于电动汽车无线充电，韩国科学技术院研究团队研制了功率为6.6 kW，效率达95%，直流母线电压为540V，输出电压为400V；密歇根大学Mi团队开发出了功率为8 kW，效率达95%，直流母线电压420V，输出电压500V。研究表明低频的磁谐振无线充电距离较短；而高频的磁谐振无线充电输出效率较低，成本也较高，目前尚不具备实用性，百kHz的频率范围将会成为近年来研究的一个重要频率范围和趋势。这些研究说明对于逆变器开关管耐压需达到几百V，频率要达到几百kHz，MOSFET开关管是最佳的选择。

图3 电压型推挽式谐振逆变器

图4 半桥式拓扑谐振逆变器

图5 全桥式拓扑谐振逆变器

2.2 发射和接收谐振回路模块

谐振回路的设计有如图6所示的4种方案，一次侧和二次侧分别采用串联-串联（S-S）、串联-并联（SP）、并联-串联（P-S）、并联-并联（P-P）。

图6 补偿回路的4种结构

为了系统输出功率等级和效率达到最优，必须保证无线充电系统的工作频率与一次侧谐振回路固有频率相等，同时还与二次侧的谐振回路固有频率相等。当系统处于磁共振的状态时，对这4种结构的参量进行归纳总结见表2。S-S结构只需控制ω、Lp、Cp三者之间的参量就能控制系统产生磁共振；含有并联的拓扑结构系统，还与互感量M有关；P-S、P-P两种结构还和负载RL有关系。

在实际中，当电动汽车无线充电系统工作时，由于停车位置不是完全一致，会造成接收线圈和发射线圈的偏移，互感必然发生变化。不同汽车的电池有所差异，会导致原边谐振点发生变化，大大降低系统效率和能量传输等级。对于整个系统而言，选用S-S更容易控制系统工作于磁共振的最佳工况。

表2 补偿回路4种结构的参数关系归纳

谐振回路中，线圈的设计是此模块的技术难点也是系统最关键的元件之一。近年来，国外在这方面已取得比较好的成果；国内研发车用无线充电有中兴通讯公司，其他主要都集中在非电动汽车应用的低功率方面的研究，国内新型结构线圈设计较少，主要通过改进优化。具体总结如表3。

2.3 电动汽车侧充电电路

电动汽车侧充电电路见图2上半部分，主要包括整流滤波电路、电池管理电路、反馈控制电路和电池。二次侧的谐振回路接收到的电能经过整流滤波与电池管理电路在反馈控制电路的控制下给电池完成充电。根据韩国科学技术院团队和密歇根大学Mi团队的研究结果，输出的电压能达到500V左右，所以需要选用耐压较高的元器件。

2.4 控制方法

电动汽车无线充电系统中大部分为闭环控制，若系统参数发生变化或者扰动时，通过控制系统对电流和电压进行快速调节，使系统稳定地工作在最佳的状态。恒流控制、移相控制和变频控制是电动汽车无线充电系统常用的3种控制方式。

2.4.1 恒流控制

通过控制系统采集电流的信号，保持发射线圈中的电流恒定的负反馈控制方式为恒流控制。当系统中充电距离和负载等参数发生变化时，反馈电路能够快速地调节，保持系统的电压输出稳定，维持系统工作在最佳的工况。当线圈相对位置保持不变时，无线能量传输结构的输出电压为原边电流的常数倍，即输出电压和输入电流成正比例关系，因此可以实现恒流控制。

2.4.2 移相控制

通过控制全桥逆变电路开关管的驱动信号的相位，从而调节能量传输参数的控制方式称为移相控制。当系统需要调节能量传输参数时，控制驱动信号的相位，使在每半个控制周期内，逆变电路的桥臂存在直通，就能对直流电感进行储能；当直通结束后，谐振电感和电容把直流电感中增加的能量传递到接收端，从而达到控制系统传输功率的目的。

表3 国内外线圈设计归纳

图7 DD型线圈

图8 美国橡树林国家

图9 犹他大学设计的线圈

图10 日本埼玉大学设计的线圈

2.4.3 变频控制

变频控制是根据不同的工况，通过变频控制改变电源输入电路的工作频率，来调节系统处于最佳的工况。

图11 哈尔滨工业大学设计的线圈

锁相环控制技术是无线充电系统最常用的变频控制方式。通过检测接收端电压与线圈中电流的相位差来控制系统工作的频率点，实现系统自动调节。锁相环见图12，一般由PC（相位比较器）、LF（环路滤波器）和VCO（压控振荡器）3部分组成。当系统参数变化或者其它干扰，电路会工作于非谐振状态，即工作频率和谐振固有频率不同，基准信号和压控振荡器的信号就存在相位差。利用锁相环节，采集它们的相位差，调节工频，使二者的相位差处于允许的范围。具体来说，相位器比较反馈信号和基准信号的相位，并将相位差表示成脉冲电压信号，从而实现相位检测；在环路滤波环节中，脉冲电压信号经过滤波、放大等过程，最终形成控制电压信号；控制电压信号在压控振荡器的作用下，输出驱动开关管电压信号，控制开关管的通断状态，使高频逆变器的开关频率跟随初级侧谐振频率处于动态的变化控制的过程，实现对初级侧频率跟踪控制。

图12 锁相环控制技术结构图

3 系统中主要参量的关系

系统传输特性的影响参量主要包括输入一次侧电源频率、谐振回路固有频率、负载电阻、距离、品质因数等参数。

如图13和图14所示，其它参数一定时，传输效率随距离增大而减小。当传输距离不变时，系统的输出功率随系统谐振频率的增大先升高后下降，传输效率随系统谐振频率的增加而逐渐提高；当系统谐振频率较低时，近距离传输可实现较大的输出功率；相反地，当系统谐振频率高时，远距离传输可实现较大的输出功率。

Qs、Qd分别为发射回路和接收回路的品质因数，Qg2=Qs×Qd。由图15可以得出品质因数越高，谐振回路的选择性相对也就越多，系统输出功率随品质因数几何平均值的增大呈先升高后下降的关系；如图16传输效率则有随品质因数几何平均值增大而增大的变化趋势。

对于负载的特性，系统的效率先在较小的范围内随负载增大快速增大，而后随负载的增大缓慢下降。对于功率系统则是先随着负载的增大而逐渐增大，而后趋于平缓。

在充电过程中，在不同工况下，根据各个参量相互间的关系，调节反馈系统相应系统参数，从而实现最佳功率特性、距离特性和传输效率特性。

图13 谐振频率与输出效率关系曲线

图14 谐振频率与输出功率关系曲线

图15 Qg与输出功率的关系曲线

图16 Qg与输出效率的关系曲线

4 总结

与传统的插电式和电池更换的形式相比，无线充电技术有着不可替代的优势。近年来，无线充电成为此领域的研究热点，许多实际工程问题有待解决，但随着研究的不断进展，也将逐步走向产品化。目前对于磁谐振无线充电归纳出如下有待解决与完善的难题和未来的研究趋势。

1）MHz和百kHz的频率范围和无线充电系统中，高频线圈参数优化问题。主要受到实际应用时线圈尺寸和两线圈之间充电距离影响，优化难度大大提高。

2）由于磁谐振无线充电需要高频的交流电源，性能较好的高频逆变电路设计是系统需要克服的一大技术难题，而且引入高频逆变装置后会对整个装置产生很大的影响，这就对高频逆变器提出了更高的要求。

3）MHz和百kHz的频率范围无线充电的功率和效率相对较低，成本也较高，若想要从理论走向应用，需要克服技术和成本的问题。

4）优化线圈、改进磁性材料结构来进一步提升磁谐振机构的耦合系数，升高系统效率，进一步降低磁场辐射。

5）通过改进结构和结合电路控制进一步提高磁谐振机构对横向偏移的容忍度，降低电动汽车无线充电使用过程中对泊车位置的要求，提高使用方便性。

6）研究开发适用于电动汽车上的无线充电的高性能电磁场屏蔽技术。

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（编辑 陈程）

W ireless Charging Technology on Electric Vehicle

LIN Li-wen，ZHAI Li，SONG Chao
（School of Mechanical and Vehicular Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

With the spread of green-economy idea，the development of electric vehicles promotes the research of wireless charging，which will become the best choice of electric vehicle energy supply in the future.The article firstly introduces principles of Inductively Coupled Power Transfer（ICPT），Electromagnetic Resonance Power Transfer（ERPT）and Radio Waves for wireless charging technology；discusses overall structure and module principals of ERPT，as well as pros and cons of various schemes；demonstrates the relationship between the various parameters of the whole system and the control method in this technology；finally，makes a summary and points out existing problems and development trend about ERPT.

electric vehicles；wireless charging；electromagnetic resonance

U469.72

A

1003－8639（2016）08－0001－05

2016-01-07；

2016-03-06

林立文，男，在读研究生；翟丽，女，副教授，从事车辆电驱动系统电磁兼容和电传动车辆动力学控制研究工作；宋超，男，在读研究生。