电动汽车高效率无线充电技术的研究进展

曹玲玲 陈乾宏 任小永 阮新波

（南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 南京 210016）

1 引言

发展电动汽车，是世界公认的缓解能源短缺和环境污染的有效策略，而对于我国又显得至关重要。以我国的石油消耗为例，2009年石油净进口量约2.04亿吨，进口依存度达52%，远超过国际警戒线标准 35%。其中车用燃油消耗占总石油消耗的 1/3强。因此，开发、推广汽车代用燃料和电动汽车，降低燃料消耗，对缓解我国环境污染、保障能源安全和供给以及国家的可持续发展具有重要的战略意义[1]。

因实现了零排放、技术相对成熟和经济性较好，由蓄电池供电的纯电动汽车（Electric Vehicle, EV）成为各国政府鼓励、各汽车生产商大力发展的环保车型[2]。受动力电池容量的限制，目前 EV的续驶里程较短，电池充电站的建设成为制约 EV应用、发展的最大瓶颈[3,4]。为此，各国均大力进行充电站建设来推动EV的应用，如美国计划建设800万个充电站；日本计划于2012年在东京建成1 000个充电站，等等。

动力电池的电气充电方法包括接触式充电和无线充电。接触式充电采用插头与插座的金属接触来导电；无线充电或称无线供电（Wireless Power Transmission, WPT）是以电磁场为媒介实现电能传递[5]。对于EV用WPT，即将变压器一次、二次绕组分置于车外和车内，通过高频磁场的耦合传输电能。与接触式充电相比，WPT使用方便、安全，无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣环境和天气[6—9]。WPT便于实现无人自动充电和移动式充电，在保证所需行驶里程的前提下，可通过频繁充电来大幅减少EV配备的动力电池容量，减轻车体重量，提高能量的有效利用率。而减少动力电池容量可以降低EV初始购置成本，推进EV的市场化。

对 EV WPT的巨大需求和其中蕴含的无限商机，使得相关技术的研发、应用相当活跃。典型的应用包括新西兰国家地热公园的30kW旅客电动运输车[11,12]，GM、Nissan以及Toyota的多个WPT-EV车型，美国洛杉矶的WPT移动充电实验公路[1]，以及韩国销售的配有车载 WPT手机充电器的宝马 7系列轿车等。

尽管 WPT具有上述的众多优点，但其相对于接触式供电存在的低效率问题[13-15]制约了其应用，也为研发人员带来了挑战。

本文将介绍目前常用的三种 WPT技术，指出电磁感应式WPT和电磁共振式WPT因为效率较高更适合EV供电场合。针对WPT系统，结合高效变换的目的，从拓扑、控制及变压器角度，对目前EV用 WPT技术进行了综述，指出非接触变压器成为制约EV用WPT系统高效能量传递的主要瓶颈，进而对变压器高效化需要解决的主要问题和相关研究展开了讨论：对于感应式 WPT技术，变压器低耦合系数是制约其高效化的主要因素，而移动充电系统中变压器存在的“磁通分布不均”问题则是导致变压器低耦合系数的重要原因。本文指出提高变压器全耦合磁通比例是有限尺寸下提高变压器耦合系数的有效途径；并就移动充电系统中的“磁通分布不均”问题进行分析并提供解决思路；本文还介绍共振式 WPT技术的研究进展，指出该技术为中等距离的高效能量传输提供了全新的思路，但仍然存在许多技术盲点。

2 WPT技术介绍

WPT技术主要分为三种：射频或微波 WPT、电磁感应式WPT以及电磁共振式WPT，下面分别予以介绍。

2.1 微波WPT

所谓微波WPT，就是以微波（频率在300MHz—300GHz之间的电磁波）为载体在自由空间无线传输电磁能量的技术[16]。图1为微波无线供电系统示意图。利用微波源将电能转变为微波，由天线发射，经长距离的传播后再由天线接收，最后经微波整流器等重新转换为电能使用[16]。

图1 微波无线供电系统示意图Fig.1 Schematic diagram of microwave WPT

微波频率传输所具备的“定向、可穿透电离层”等特性，使得该能量传送方式早在1960年就受到人们的关注，并在远程甚至超距能量传输场合有着重要的应用价值。如图 2所示，微波 WPT主要用于如微波飞机、卫星太阳能电站等远距离输电场合，其中卫星太阳能电站作为人类应对能源危机的有效策略已成为美国、日本等国大力发展的重要航天项目[17,18]。

图2 微波WPT技术的典型应用Fig.2 Typical applications of microwave WPT

目前，限制微波 WPT技术进一步发展的主要技术瓶颈在于高效微波整流器件、大功率微波天线以及大功率微波电磁场的生物安全性和生态环境的影响问题。

由于工作频率高、系统效率较低，微波 WPT并不适合于 EV这种能量传输距离较短的应用场合。三菱重工尝试开发过基于微波 WPT的电动汽车充电系统，系统能量变换效率仅有38%[19]。

2.2 电磁感应式WPT

电磁感应式 WPT是基于电磁感应原理，利用一次、二次分离的变压器，在较近距离条件下进行无线电能传输的技术。目前较成熟的无线供电方式均采用该技术。若无特别说明，后文中的 WPT均为电磁感应式。许多公司相继将该技术应用于其产品或者概念性演示装置中，如图3所示，可以看出：无论是小功率的消费类电子产品还是大功率 EV无线供电系统，电磁感应式 WPT技术都可有效实现无线供电。

图3 电磁感应式WPT技术的典型应用Fig.3 Typical applications of EM induction WPT

然而，电磁感应式 WPT仍存在一系列问题：传输距离较短，距离增大时效率急剧下降；传输效率对非接触变压器的一次、二次的错位非常敏感等。

2.3 电磁共振式WPT

电磁共振式WPT，是美国MIT Soljačić领导的研究小组在2007年提出的突破性技术[20,21]。他们使用两个固有谐振频率相等的铜绕组（为方便表述，称其为“变压器”），在共振激励条件下（即激励频率等于绕组的固有谐振频率），距离2m处，成功点亮了一个 60W 的灯泡[21]，其中变压器的效率达到了40%。

与电磁感应式WPT相比，电磁共振式WPT可显著提高能量的有效耦合及变压器的传输效率，受到业界的关注。Intel、Sony、海尔等公司都已开始着手研发该技术，如图4所示。实践中，人们还发现了该技术相比于电磁感应式 WPT的一些优点：如对非接触变压器绕组间错位的敏感度减小，长野日本无线公司给出了一二次绕组相互垂直的实验图片（见图4）；此外，利用共振模式对激励频率要求的严格性，可通过合理设置激励频率，向指定电器供电，提高安全性。然而，目前该方向的研究要么过于理论化，要么为实验研究，缺乏对应用、工程设计有定量指导意义的研究成果。

目前，该技术传输的功率较小，尚未用于 EV充电。但毋庸置疑，电磁共振式 WPT因为能量的高效耦合将成为WPT技术的一个重要研究方向。

图4 电磁共振式WPT技术的典型应用Fig.4 Typical applications of EM resonance WPT

综上所述，在中小距离场合，电磁感应式WPT和电磁共振式 WPT的因传输效率相对较高，更适合于EV充电。下文将针对EV用WPT系统，结合高效变换和高功率密度的需要，从拓扑、控制及非接触变压器的角度，对目前EV用WPT的关键技术进行总结。

3 EV用WPT技术

国外对EV用WPT技术的研究已经取得了较好的成果。图5为一个无线充电器的结构示意图，它包括功率因数校正（Power Factor Correction, PFC）变换器、逆变器、非接触变压器、非接触反馈和接收电路等部分。其中，PFC变换器、动力电池充电控制及单体电池电压均衡技术与接触式充电器的基本相同；不同点在于非接触变压器的设计、变换器拓扑及其控制和非接触反馈技术。非接触反馈已有较成熟的方案，美国电动汽车协会颁布的 SAE J-1773给出了红外反馈的实现方法[22]；此外，非接触反馈还可以采用磁隔离方式来实现[6]。可见，变换器拓扑、控制及非接触变压器的设计成为 EV用WPT技术的研究重点。

图5 无线充电器的结构框图Fig.5 Block diagram of wireless charger

3.1 变换器拓扑

非接触变压器漏感大、激磁电感小。要提高变换效率和输出电压增益，逆变器和整流电路中应加入多元件谐振网络，对漏感、激磁电感分别补偿，让系统工作在输入零相角附近，来减小环流损耗、保证功率传输，保证 EV用无线充电器在大功率输出的高效率。

文献[23]基于互感模型和基波分析法，对图 6所示的外加两个电容、四种补偿网络(简称为串/串、串/并、并/串、并/并补偿)的设计方法及系统频率特性进行了研究，指出：二次侧串联补偿，输出特性类似于电压源，输入阻抗对负载变化敏感；二次侧并联补偿，输出特性类似于电流源，输入阻抗对负载变化不敏感，但轻载环流较大。图6中vp、ip分别为一次电路输入端口的电压和电流。

图6 外加两个电容的四种补偿方式Fig.6 Four compensation types using two capacitors

图7所示为外加三个元件的LCL谐振变换器，其锁相环控制方便，并且锁相完成后可自动实现ZVS，文献[23，24]分析了其输出连续、断续模式的稳态特性。

图7 外加三个元件的LCL补偿方式Fig.7 LCL compensation using three external components

共振式 WPT要求变换器严格工作于共振频率处，其交流激励通常由单独的振荡电路产生，保证共振所需的高品质因数[20,21]。影响共振频率的电容既可以是绕组自身的寄生参数也可以是外加电容[20,21]。

3.2 变换器控制方法

与普通谐振变换器类似，非接触谐振变换器也有变频、恒频PWM、锁相环控制等多种控制方法，来保证变负载及非接触变压器变参数条件下，实现高效、可靠控制。

（1）变频控制。变频控制是谐振变换器最常用的控制方式，但在宽负载范围、变参数条件下，变频控制策略却存在一些不足。图8给出了串/串补偿非接触谐振变换器在不同负载、变气隙条件不同耦合系数时的增益—频率特性曲线[9]，其中Gv为电压增益，kmin、kmax分别为变压器最小及最大耦合系数，RL_min、RL_max分别为变换器最小及最大负载电阻。从图8中可以看出，多元件谐振网络导致变换器增益-频率特性（Gv-f）存在多个谐振点，要保证变频控制可靠稳定工作，应让变换器工作在Gv-f的单调区内，即图中的Ⅰ区和Ⅲ区。若要实现开关管的零电压开关（Zero Voltage Switch，ZVS），应工作在感性区，即Ⅲ区内。显然，变压器耦合系数较低时，感性无功损耗大，影响变换效率。工作区间的局限还限制了电压增益、增大了频率调节范围。在图 8中，要在Ⅲ区内有效控制，最大增益仅为0.2，最高工作频率高于350kHz。

为了提高电压增益和效率，无线充电器要采用多元件谐振变换器，但高阶谐振网络谐振频率多解性所决定的频率分叉现象和输出特性的非单调，使得变换器控制区间的选择非常重要，否则变换器容易失稳。文献[15]就图 6所示四种补偿方式下的变换器，分析了功率传输特性和系统存在的频率分叉现象，为控制区间的选择提供依据。

图8 串/串补偿谐振变换器的增益-频率曲线[9]Fig.8 Gain-frequency curve of the series-seriescompensated resonant converter[9]

（2）恒频PWM控制。恒频PWM控制策略可以避免谐振变换器变频控制存在的失控问题，当工作在谐振频率点附近时[25]，环流损耗也较小。但恒频 PWM控制调宽时，却容易失去软开关条件，影响变换效率。如图9所示，当一次端口电压vp的脉宽变化时，其基波分量vp_1的幅值变化，相位不变。由于频率固定，一次电流ip相对vp_1的相位不变。当vp脉宽变窄，开关转换时刻相对电流波形后移，这样将容易失去ZVS软开关条件。这是谐振变换器采用恒频PWM控制固有的缺点。

（3）PWM+PLL控制。综合以上两种控制策略的优点，文献[9]给出一种脉宽调制（PWM）加锁相控制（Phase Locked Loop，PLL）的控制策略，并证明了其稳定性。利用PWM调压，避免上述变频控制存在的缺点；利用PLL控制调节频率、锁定ip相对vp开关转换边沿的角度，保证实现软开关。使变换器在变参数条件下实现高效、可靠控制。

图9 PWM+PLL控制框图Fig.9 Block diagram of PWM and PLL control

总之，控制策略应兼顾软开关、低环流、恒压或恒流控制，保证变参数条件下实现高效变换和EV所需的多种充电模式。对于大功率变换，一级实现难度较大。可参照轨道WPT[26]采用非接触谐振变换器及DC-DC两级变换结构，由DC-DC变换器来调节输出，非接触谐振变换器采用锁相环控制保证低环流和软开关[23]；对于小功率变换，可以采用单级结构，用变频控制来完成恒流或恒压控制；通过设定频率调节区为输入感性区来实现软开关[27]。

3.3 非接触变压器的设计

非接触变压器是非接触充电器中的核心元件，图10和图11给出了目前电动汽车的两种非接触充电方式和对应的非接触变压器结构示意图。

（1）适于人工操作的手持插入式充电，SAE J-1773给出其变压器方案，如图10b所示，并用于GM EV1车型。该方案将变压器一次绕组和部分磁心（嵌在中部）作为可活动的手持部分。当手持部分插入磁心间隙，则构成变压器；且一次绕组被二次绕组夹绕，实现了“非接触”和变压器的紧耦合。由于该变压器的耦合系数 k高，易于实现高效率-输出功率1kW时，直-直变换效率可达到90%[27]。该方案利用手持部分，使充电站与电动汽车无电气连接，但实际充电时变压器的一二次仍为紧耦合；且无法实现自动或移动充电，不能起到应用 WPT减少 EV电池容量和汽车自重的作用。该铁心外径超过140 mm，质量约6kg，体积重量均较大。

图10 插入式充电方式Fig.10 Insert-type contactless charger

（2）全分离型充电方式，如图11所示，这种方式可实现自动和移动充电，是理想的非接触充电方式。静止充电用变压器的气隙通常在 10～50mm[28]，移动充电用变压器的气隙可达到150mm[29]甚至更大。根据对图11b所示结构的变压器的分析结果，磁心横向尺寸L越大，磁柱中心间距 Lc与气隙比值 Lc/g越大，则 k越高[30]。由于 g相对较大，这种非接触变压器的k较低，变压器及变换器效率较低，一般系统效率低于70%甚至小于50%[31]。目前可查最好的实验结果为：输出功率2kW，开关频率 20kHz，L/g为 5.33（L=800mm，g=150mm），系统效率为82%[29]。

图11 全分离型充电方式Fig.11 Totally-separated contactless charger

补偿电路和控制策略虽然能有效降低电路的无功损耗和开关损耗，却不能提高变压器的效率。二次侧要输出一定功率，低耦合系数的变压器一次侧就需要流过较大电流、建立较强的磁场，增加变压器损耗，影响系统效率。文献[9，32]在对 60W 非接触变换器的研究中发现，满载时变压器的损耗可占总损耗的70%以上，成为主要的损耗来源。

因此，提高变压器耦合系数 k，成为提高电磁感应式非接触变换器效率的关键所在[28,33,34]。为了提高 k，文献[33]不惜以增大磁心体积和重量为代价，用外径 520mm、重量为 17.2kg的磁心制作变压器，提高大气隙条件的 k，但过大的体积重量削弱了其实用价值。文献[28]在此基础上，将圆形磁心分割成扇面，如图12所示。分割后，k与原来相当，当L/g为7.4（外径370mm，气隙50mm）时变压器的k为0.5，而磁心重量大大减小。新西兰Boys教授领导的课题组也将分割磁心的方法用于非接触变压器的减重[35]。如何提高变压器的 k、并减小其体积重量，成为WPT技术的研究难点。

我国对WPT技术的研究起步较晚，2001年以后，南京航空航天大学、西安交通大学、浙江大学、华南理工大学、湖南大学[36,37]及重庆大学的研究小组才开始相关工作。其中重庆大学孙跃教授领导的研究小组所做的工作较为系统，分别就多路输出一次的恒流控制技术[38]、基于相控可调电感的系统频率调节和稳定技术[39]、多自由度旋转机构的能量有效耦合[40]以及非接触能量双向传输问题[41]展开了研究，利用频闪映射法求解谐振方程的初值来对谐振电路进行精确分析[24]，并完成了600～1 000W感应式能量变换装置，效率为70%，非接触变压器的尺寸和气隙条件不详。

图12 圆形磁心分割扇面示意图Fig.12 Dividing ferrite cores into fan shapes

综上所述，目前 EV无线充电器中电路拓扑、控制技术研究上已有较好的成果和积累，非接触变压器成为制约EV用WPT系统高效能量传递的主要瓶颈。要想获得突破，一是基于传统的感应式WPT技术，研究有限尺寸下提高变压器耦合系数的有效策略；二是探索电磁共振式 WPT技术，研究其数学模型、控制特性及优化方法，研究EV用大功率、低频化共振式WPT的设计技术。

4 非接触变压器高效化的相关研究

4.1 电磁感应式WPT技术

对于感应式 WPT技术，变压器低耦合系数是制约其高效化的主要因素，而移动充电系统中存在的“磁通分布不均”问题则是影响其能量耦合效率的重要原因。下面介绍变压器高效化的主要措施，并重点对上述两方面研究内容进行讨论。

4.1.1 提高非接触变压器耦合系数

改变磁心和绕组形状，是提高非接触变压器耦合系数的基本手段。

结合文献[30]的分析结果和磁路知识，可知：磁心磁柱间的距离Le越大，则横向方向磁路磁阻越大，越有利于提高耦合系数。相比于传统磁心，同样体积，平面磁心的横向尺寸L和Le更大，有助于提高变压器的耦合系数。要想在有限的横向尺寸下获得更大的 Le，则可以采用平面 U形磁心，如图13所示。这可利用平面E形磁心磨去中柱来获得。

图13 平面U型磁心Fig.13 Planar U core

采用平面绕组配合平面磁心，可增大漏磁通闭合的磁路长度和相应的磁阻，有利于减小漏感。平面绕组的布置方式有两种：集中式和分布式，图14为两种绕组布置方式及其Ansoft磁场仿真图。当采用集中式绕组时，一次电流产生的磁通不仅能够经L闭合，还能从磁心边柱经绕组间的集中气隙回到磁心顶柱，变压器耦合系数降低。因此，要得到高k，应采用分布式平面绕组结构。

图14 两种绕组布置方式及其磁场仿真结果Fig.14 Comparison of two winding layouts

除了平面化的方法，文献[42]提出了提高变压器全耦合磁通比例来提高变压器耦合系数的新思路，为一定体积重量限制下优化变压器提供了一种有效的途径。论文根据磁通耦合特性，将磁场划分为全耦合、部分耦合和漏磁通，分析各区的磁阻特性，建立变压器磁路模型，得到耦合系数与磁阻的计算公式，总结出增加全耦合磁通比例、优化磁心结构的一般思路：减小 RM1、RM2，同时增大 RL1、RL2和RL3，磁阻定义如图15所示。图16给出优化后的双向矩形扩展、平面U形非接触变压器[42]。论文将其用于60W非接触变换器中，相同磁心重量，变压器k从0.46提高到0.60；相近的k，磁心重量从122g减小到约60g。该优化思路同样适用于大功率EV供电。

图15 磁通分区和磁阻定义示意图Fig.15 Definition of the reluctances

图16 双向矩形扩展、平面U形非接触变压器Fig.16 Contactless transformer with planar U core and extension leg

文献[43,44]以有轨电车无线供电为应用背景，提出非对称结构的S形磁心，来优化变压器磁通耦合特性。S形及常用E形磁心的磁通仿真图如图17b所示。可见，二次绕组匝链的磁通即为中柱磁通，它是由两侧窗口中源各自产生的磁通叠加而成。两侧源独立产生的磁通又包括三部分：窗口中的漏磁通、经中柱闭合的主磁通和经侧柱闭合的漏磁通。在E形磁心中，经侧柱闭合的漏磁通基本抵消。由S形磁场仿真图可以看出，采用非对称磁心结构，磁通分布左右不对称， 主磁通路径截面积增大、磁阻减小，从而主磁通增加，互抵的漏磁通减小，耦合系数得到提高。

图17 不对称磁心结构Fig.17 Asymmetric magnetic core structures

4.1.2 移动充电系统中的磁通分布不均问题

要实现感应式移动充电，可在马路下层铺设非接触变压器的一次绕组，在行驶过程中即可通过车体上的二次电路接受电能并对 EV充电。与小功率电子产品的充电平台类似，移动充电系统同样面临着“磁通分布不均”的问题，导致不同位置、不同方向的磁通耦合效率不同、影响电能变换效率。

香港城市大学的S.Y.Ron Hui教授针对手机、MP3用非接触充电平台“磁通分布不均”问题的研究成果，可以被借鉴用来解决移动充电系统中的“磁通不均”问题。

文献[45]通过磁场的“交错并联”巧妙地解决“磁通分布不均”的问题。利用图18所示的六角形螺旋绕组构成多层印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）绕组充电平台，其中每个六边形绕组中心P为最高磁密处，绕组弯折处V点为最低磁密处。通过多层交错重叠，如图19所示，让不同层的P点与V点重叠，使得各处磁场均匀分布，电子产品在充电平台的任一处都能高效充电。

图18 六角形螺旋绕组及其简化结构Fig.18 Hexagonal spiral winding and its simplified structure

图19 多层PCB绕组Fig.19 Multi-layer PCB windings

文献[46]提出用磁场分布特性不同的绕组—集中绕组和螺旋绕组复合，解决磁通分布不均的问题。如图20a所示，集中绕组由一匝或多匝线圈集中绕制，螺旋绕组包含于集中绕组内，两者可位于同一平面或不同平面。由于集中绕组的磁场中间低、四周高，与螺旋绕组正好相反，组成复合绕组就可实现充电平台中的磁场均匀分布。图20b即为复合绕组对应的Ansoft磁场仿真图。

图20 复合绕组Fig.20 Composite windings

此外，针对移动式充电变压器一次面积大、二次面积小的结构特点，为减小激励磁场总能量和相关损耗，可将大面积的变压器一次分区，以“区域激励”方式控制一次侧。当检测到受电方时，将对应位置的线圈激活；停止使用后，该区域自动停止工作，来减小损耗。图21给出EV“区域化激磁方法”的概念示意图。

图21 电动汽车移动式供电方式Fig.21 Mobile feeding systems of electric vehicles

4.1.3 其他高效化的措施

为了提高大功率应用场合非接触变压器的效率，可以将多个变压器串/并组合、替代单一结构的非接触变压器[47]。采用分布式的结构使变压器制作简单且易于散热；但拆分后的非接触变压器其特性变化不大，这种方法对提高非接触变压器的耦合系数效果甚微。

与常规变压器相比，非接触变压器中的磁通分布不均问题比较明显。重载时，变压器局部磁心会饱和而增加损耗，该问题对于 EV应用场合将更为突出。为避免该问题，可使用空心变压器替代有磁心的变压器[29]。当然，这必然会增加变压器的体积，对耦合系数也会有影响。

4.2 “强耦合”电磁共振式WPT技术

在大气隙条件下，变压器k可提高的空间十分有限，靠提高k来进一步提高变压器和系统的效率比较困难。

美国MIT Soljačić所提出的“强耦合”电磁共振式 WPT技术打破了变压器传输效率依赖于耦合系数的传统思路，给 WPT技术带来了突破。实验使用两个半径30mm的螺旋绕组，在9.9MHz的频率下进行能量传输，相隔2m传输60W功率，效率约为40%[20,21]，而此时变压器的耦合系数小于1%。电磁共振式 WPT为低耦合系数下高效能量传输提供了全新的思路。

若该技术能成功应用于 EV充电，则可带来显著的效率提升，并使得移动充电更加方便、灵活。日本昭和飞机工业曾描绘共振式非接触移动充电系统的理想蓝图，如图22所示，在道路或护栏上安装“变压器”一次侧，在电动汽车上安装二次，行驶过程中即可实现非接触充电。相对于感应式移动充电系统，共振式的传输距离更远，且可实现空间全方位的电能传输。下面将对共振式 WPT技术的研究现状给予介绍。

图22 电动汽车移动充电系统[48]Fig.22 Mobile charging system based on magnetic resonances[48]

如图23所示，为MIT的共振式WPT实验装置图。与传统的感应式 WPT系统相比，存在以下几点不同：“变压器”并非由磁心及绕组构成，而是由两个空心螺旋绕组组成；两绕组的自谐振频率要求相同，以产生共振耦合；导线的截面积须满足一定条件，以激发回音壁模式；激励源的频率须与绕组的自谐振频率相同；激励源并非直接加到绕组两端，而是通过中间绕组 A感应到“变压器”，再由中间线圈B感应到输出。目前，MIT所做的研究是从物理学的角度出发—根据耦合模式理论[49,50]建立变压器的能量特性方程，直接由损耗因子（包括吸收损耗、辐射损耗等）分析“变压器”的效率特性，电气工程师关注的其它电性能参数都变成中间变量。因此，有必要建立共振式 WPT的数学模型，研究其外特性及控制规律。

图23 MIT电磁共振实验装置Fig.23 Experimental apparatus for MIT’s magnetic resonances

日本学者对电磁共振式 WPT技术表现出极大的兴趣。文献[51]研究了共振式无线能量传输系统的工作原理，对输入阻抗、端口电流、传输效率及近场区的磁场分布进行了计算，指出系统中存在两个共振频率，谐振频率处的系统变换效率最高，对应于文献[20]所述的“奇模式”和“偶模式”。文献

[52]则针对“变压器”本体进行了研究，给出短路与开路螺旋绕组的特性，分析了不同电容串入方式对谐振特性的影响，指出：“变压器”串联电容构成的串联谐振对变换器效率更有利；短路螺旋绕组串联电容比开路螺旋绕组串联电容的自谐振频率低，使电路低频工作成为可能。

华南理工大学对电磁共振式 WPT技术进行了跟踪研究[53]：认为电磁共振式 WPT是常规电磁感应式 WPT的特例，并用互感模型对“变压器”建模，对变换器效率进行了细致的分析，推导了最大效率的负载匹配条件和互感要求。

哈尔滨工业大学也对电磁共振式 WPT进行了相关实验和模型研究[54,55]。实验装置如图24所示，与 MIT不同之处在于：“激励源”与“负载”分别直接加到“变压器”的一次侧和二次侧，不存在中间绕组；采用并联谐振供电。文献[55]则从近场条件出发，进行电磁场分析，得到了与传统感应耦合变压器相同的互感模型。

图24 哈尔滨工业大学电磁共振实验装置Fig.24 Experimental apparatus for HIT’s magnetic resonances

值得注意的是，文献[53-55]均认为“共振式WPT是感应式WPT的特例”，均得到与感应式变压器相同的互感模型。然而该模型分析得到的传输功率或电压增益的单峰与双峰特性与常规串/串补偿感应式 WPT系统中的品质因数对传输功率或电压增益影响的规律[6,9,14]相一致，并不能解释共振式WPT与感应式WPT变压器效率相差较大的根本原因。

另一方面，文献[20，21]明确指出“共振式WPT与感应式 WPT原理完全不同”，并指出“共振式WPT存在回音壁模式”。所谓回音壁模式[56]，即为：当激励频率与两绕组自谐振频率相同时，会使得衰减场在介质分界面即线圈内表面发生反射，并转变为电磁波。则当绕组周长满足一定条件时，会激发回音壁模式，电磁波就局限在绕组约束的区域内，不再向外传播，能量被绕组“捕获”，“耦合”增强。该解释与共振发生条件吻合，且很好地说明了共振式WPT“强耦合”的发生机理。运用电磁感应定律进一步解释：共振时，原来耦合的磁通仍然穿过绕组，不进入回音壁模式；进入回音壁模式的电磁波会使绕组匝链的磁场中增加一个波动项，使得感应电压增大，“耦合”增强。

需要补充的是，现有共振 WPT文献中提及的效率均指“变压器”效率。尽管该效率较高，但由于其激励频率偏高，高频电路损耗大，系统效率仍不高。因此，应结合 EV大功率应用需求，运用共振式 WPT的变压器数学模型，探索大功率、低频高效的共振式WPT的设计技术。

综上所述，尽管共振式 WPT为中等距离非接触能量传输提供了新的思路，但在数学模型、低频化、定量设计等方面仍存在技术盲点，这也将成为未来无线供电技术的研究热点。

5 结论

无线供电是未来移动设备能量输送的发展趋势。本文介绍了目前常用的三种 WPT技术，指出电磁感应式WPT和电磁共振式WPT更适合EV供电场合。对于感应式WPT，论文指出提高变压器全耦合磁通比例是有限尺寸下提高变压器耦合系数的有效途径；并就移动充电系统中的“磁通分布不均”问题进行分析并提供了解决思路。论文还介绍了共振式 WPT技术的研究进展，指出该技术为中等距离的高效能量传输提供了全新的思路。

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