电动汽车无线充电研究进展 ①

齐丽媛，熊 江，王 瑞，武 娟

(重庆三峡学院信息与信号处理重点实验室，重庆 万州 404100)

1 引言

近年来，节能减排已经成为全球关注、探索的话题，对新能源的充分利用，是低碳经济发展的关键性技术[1]。电动汽车(Electric Vehicles，EV)是实现低碳出行、节能减排的重要渠道。在电动汽车的推广应用中，充放电设施建设作为重要的前提与基础，引起了广泛的关注。生活中随处可见的各种导线，不仅影响美观，线路的老化、外露也留下了许多的安全隐患[2]。电动汽车如何通过有效的技术突破充电阻碍、提高环保性和安全性，成为电动汽车的重要研究方向[3]。无线电能传输的方式，恰好弥补了EV充电的不足，它将成为启动整个市场的关键。

电动汽车无线充电指在通过无实体导线连接的情况下，借助疏松变压器耦合装置，将电能以无线的形式传输给汽车充电[4]。有线充电中，外露的充电桩易受污染，受充电桩数量限制充电的汽车数有限；无线充电则恰好弥补有线充电的不足，该充电结构是将电源和变压器隐蔽在地下无外露的端口，符合美观的要求也避免了漏电、跑电等安全隐患。

EV无线充电方式主要有：感应耦合式与磁耦合谐振式[5]。本文首先针对这两种主要的无线充电方式进行了概述；随后详细介绍了线圈模型及谐振网络的研究进展；最后，对该项技术今后的发展做了总结和展望。

2 电动汽车无线充电工作原理

2.1 电动汽车无线充电结构

无线充电技术主要借助疏松变压器耦合装置，实现发射端与接收端之间无导线连接即可传输电能[6]。原边线圈与副边线圈分别置于地下和汽车底盘，以实现发射端与接收端无接触的电能传输。电动汽车无线充电技术中，充电系统的3个重要组成部分是：发射机(初级线圈)、接收机(次级线圈)、电源侧发射端和电动汽车侧接收端[7]。

2.2 电磁感应工作原理

EV无线充电领域里，电磁感应是主要应用的充电方式之一[8]，其系统结构如图1所示。电磁感应式充电指在发射端和接收端均安装线圈，再给原边线圈流经额定频率的交流电(AC)信号，使得副边线圈感应出相应电流，实现无接触的两端能量传输[9]。感应式无线充电中，传输功率一般可达几百瓦，传输距离10 cm以内，但该充电方式抗偏移能力较低，即对系统两侧的相对位置要求高，若位置偏差增大，传输效率也会明显降低[10]。

图1 电磁感应系统结构Fig.1 Electromagnetic induction system structure.

2.3 磁耦合谐振工作原理

磁耦合谐振式无线充电在无线充电领域中出现时间较晚，但凭借它自身的一些优势，也成为了主要的无线充电方式之一。磁耦合谐振式充电原理：在同一时间向系统的发射端、接收端流经额定频率交流电，以实现能量的交换[11]。磁耦合谐振式特点：传输距离可达到3～4 m、传输频率高和系统抗偏移能力较强。充电系统的工作流程为：电源由电网流出，经整流电路将电源转换成直流电信号，后流经高频逆变电路将直流电(DC)信号转化为高频方波AC信号，当线圈原边和副边谐振频率相同时，系统发生谐振实现有气隙的两端能量传输，系统结构如图2所示。

图2 磁耦合谐振系统结构Fig.2 Magnetic coupling resonance system structure.

3 关键技术分析及研究进展

3.1 传输线圈

电动汽车无线充电技术待增强的两个主要性能：方便性、效率性。其中松耦合变压器是该充电系统的关键组成部分，线圈结构又是松耦合变压器的重要部分[12]，而线圈结构直接影响耦合系数，因此分析线圈结构对无线充电技术的发展有着重要意义。根据汽车能否在行驶过程中充电主要分为动态、静态两种充电方式[13]。不同的充电方式对线圈结构的要求也有不同。为了增大系统的耦合系数，提高充电效率，许多研究人员不断改进线圈的结构。

静态充电的线圈结构主要分为单边绕组、双边绕组。其中典型的双边绕组结构有：2010年，奥克兰大学在传统基于圆形垫设计的耦合器上，提出了一种采用双线圈结构的新型flux pipe线圈，在电路上利用两线圈并联的连接方式产生串联的磁路。该新型的线圈结构使得拓扑结构的磁通路径得到了显着改善，从而使更高效、更紧凑的感应功率传输充电系统成为可能[14]。日本琦玉大学开发出一种新型3 kW变压器，以使用新型H形磁芯和分离式初级电容器来满足这些标准。该线圈结构紧凑，偏移容忍度高，但其用铜量较大，不利于系统效率的提升[15]。以上两种线圈结构，漏磁现象较严重，虽可采用铝板屏蔽，但会影响磁场分布，故在实际中较少运用这两种线圈。

目前，平面螺旋线圈在单边绕组中应用较多。典型的平面螺旋线圈结构有：奥克兰大学提出了一种新型极化耦合器拓扑结构，称为双D(double-D,DD)线圈。传统的圆形耦合器限制了耦合性能，其产生的磁场高度有限，而DD线圈提供的电荷区比圆形垫的电荷区大五倍。DD线圈克服了磁场高度的难题，提高了线圈相对位置的容忍度[16]。但由于DD线圈在耦合时可能出现磁场零点问题，因此该团队在DD线圈之间增加了一个正交的线圈，构成双D积分(double-D-quadrature,DDQ)线圈，如图3所示。DDQ线圈比DD线圈具有更强的抗偏移能力，也解决了线圈耦合时可能出现的磁场零点情况，但DDQ线圈也有一系列缺点，如系统线材的使用量增加、需要两电路整流电路等，这些会导致系统损耗增加。重庆大学在DD线圈的基础上，提出了一种双层双D(double layer double D,DLDD)型线圈结构，并设计了相应的磁芯结构[17]。此外以DD线圈为基础，一些学者提出双极(bipolar pad,BP)线圈即指DD线圈重叠后的结构。BP线圈与DDQ线圈功能相似，且用铜量更低。

图3 DDQ线圈结构Fig.3 DDQ coil structure.

动态充电方式弥补了静态充电对车中电池的容量需求过大、充电频繁等问题。动态充电系统的线圈结构以发射端的不同为基础，分为分段式供电导轨和集中式供电导轨两大类。动态充电中将发射侧安置在地面上，具有通电长直轨道的特点，要求车辆具有不变的行驶路线，更适合公交、大巴充电。

3.2 谐振网络

由于无线充电系统在实际应用中，常出现发射端线圈与接收端线圈间距过大或发生偏移错位等情况，因此系统的漏电感将增大。而对于变压器来说，副边线圈的漏电感会减小电压增益；原边线圈的漏电感则会增大原边线圈输入电流与电压之间的相位差，这会增大对发射端输出能量的要求。为降低漏电感带来的影响、提高系统传输能量的能力，可加入补偿网络(又称谐振网络)[18]。从谐振电容与谐振电感的链接方式来区分，基本的四种谐振网络：串-串(Series-Series,S-S)、串-并(Series-Parallel,SP)、并-串(Parallel-series,P-S)、并-并(Parallel-parallel,PP)。谐振网络中，原边补偿电容的作用是：实现谐振槽的输入电压与电流之间零相差，从而减小对原边供电电源容量的需求。副边补偿电容则需与副边线圈电感完全谐振，来达到提高系统向负载传输功率的性能。文献[19-20]分别对四种基本谐振网络的参数设定、输入阻抗及系统传输效率等方面进行了深入的研究和整理。

除了上述4种基本谐振网络外，LCL(inductor-capacitor-inductor)、LCC(inductor-capacitor-capacitor)、CCL(capacitor-capacitor-inductor)等复合型补偿拓扑也越来越受到关注。文献[21]提出了LCL型补偿拓扑并在多负载无线充电系统中应用，该补偿结构用于原边补偿时，可以更好的实现输出电流与负载解耦，但也带来了体积和成本增大的问题。为弥补LCL型补偿结构的不足，美国密歇根大学提出了双面LCC型补偿拓扑，该补偿结构的谐振频率与两个线圈之间的耦合系数无关，并且与负载条件无关，系统可以在恒定的频率下工作[22]。实验搭建了输出功率高达7.7 kW的电动汽车无线充电系统，从直流电源到电池负载的传输效率达96%。双面LCC型补偿拓扑在稳态条件下也可等效为LCL电路。由于该电路能实现极高的系统效率，因此得到了广泛应用。

4 结论与展望

4.1 结论

电动汽车无线充电技术，为解决汽车续航里程短这一缺陷提供了新的方案。本文从传输线圈、谐振网络及电动汽车的应用实例三个方面，对当前的电动汽车无线充电主要研究热点及最新进展进行了归纳和概述，并讨论了该项技术有待解决的问题。可以看出，线圈和谐振补偿网络的设计与搭建已经趋于成熟，因此电动汽车无线充电技术将得到广泛的应用与发展。

4.2 展望

电动汽车无线充电大范围市场化运行后，可能出现以下问题需要研究和解决：

(1)系统抗偏移能力。虽然在谐振式无线充电的模式下，出现水平偏移略低的情况，仍可实现较高效率的能量传输。但电动汽车的总用电量很大，故所需效率应尽可能的提高，所以对系统的抗偏移能力提出更高的要求，这也是当前研究的热点。

(2)成本与回报。EV无线充电的推广依托于本金的雄厚度。如EV动态无线充电的方式，虽能弥补有线充电下行驶距离较短的缺点，但需要提前在地面铺设发射端线圈轨道，前期投入的成本较大，而回收期较长。此时，政府以及其他企业共同投资显得十分重要。