电动汽车无线充电技术研究综述

赵争鸣 刘 方 陈凯楠



电动汽车无线充电技术研究综述

赵争鸣 刘 方 陈凯楠

（电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室（清华大学） 北京 100084）

无线充电技术以其运行安全、灵活便捷和低维护成本等优点，受到越来越多的关注，是未来电动汽车供电技术的发展趋势之一。本文从传输线圈结构、谐振网络及系统特性、电力电子变换器及其控制方法三个角度对当前的研究现状和热点问题进行了综述，分析讨论了亟待解决的问题及今后的发展趋势。

电动汽车 无线充电 磁耦合谐振

0 引言

随着全球环境和能源问题的日渐凸显，发展和普及电动汽车等新能源汽车变得越来越重要。国内外对于纯电动汽车（Electric Vehicles, EV）和插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid EV, PHEV）的研究、产量和销售也已逐步升温。尽管电动汽车的发展得到了很多国家和政府政策的大力支持和鼓励，其推广还仍然面临着诸多问题。其中，车载电池有限的能量密度和高成本是制约其发展的主要瓶颈之一。电池的能量密度远远不及汽油，必须经常进行充电作业，每次充满电都需数小时。目前主要有三种解决方案：更换电池、有线充电和无线充电。其中，更换电池的方案存在不同汽车品牌的电池不能互用、换电站需要储备大量电池、建设成本和维护费用高等问题。对于有线充电，频繁插拔易造成插座磨损、老化，产生电火花；线路破损会带来漏电等安全隐患，对风暴霜冻天气的适应性也较差。相比以上两种方案，无线充电方案将发射线圈埋入地下，不占据地上空间且无外漏接口，具有运行安全、便捷灵活、维护成本低、用户体验好等优点，受到了越来越多的关注。

按传输距离，无线电能传输可以分为短距离、中距离和远距离三种[1]。迄今为止能够实现电能无线传输的方式主要有微波、激光、超声波、电场耦合和磁场耦合等[2]。文献[2]对以上五种方式进行了详细的介绍和对比。微波和激光传输距离较远，但效率很低，适用于诸如军事、航天及空间太阳能电站等特殊场合。超声波和电场耦合传输方式的传输功率较小。传统磁耦合传输方式基于电磁感应原理，传输功率大，近距离传输效率较高，但对于距离较为敏感，适用于短距离传输。2007年麻省理工学院（MIT）的Marin Soljacic教授团队研究发现，在发射端和接收端加入调谐网络后，可进一步提高传输距离[3]。磁耦合谐振式无线传电技术使得系统在中等距离（传输距离几倍于传输线圈的直径）传输时，仍能得到较高的效率和较大的功率，且电能传输不受空间非磁性障碍物的影响，更适用于电动汽车大气隙（15～45cm）、高效率（＞85%）和大功率（kW级）的技术需求[4]。

典型的电动汽车无线充电系统基本结构如图1所示[5]，包括电力电子变换器、谐振网络、发射线圈、接收线圈、整流滤波和电池负载等部分。本文将针对无线电能传输技术在电动汽车充电中的实际应用，从传输线圈、谐振网络和电力电子变换器及其控制策略等方面对目前的研究现状和热点问题进行综述，并就其亟待解决的关键问题和未来的应用趋势进行展望。

图1 典型电动汽车无线充电系统基本结构[4]

1 传输线圈

传输线圈是无线充电系统中实现电能与场能相互转化的元件。考虑到高频下的趋肤效应和邻近效应会造成较大损耗，传输线圈通常用利兹线来绕制。利兹线采用多股极细的漆包线，结合特殊的编织方法，有效降低了趋肤效应和邻近效应的影响。为提高线圈间耦合系数，减少漏磁，一般选用高磁导率的铁氧体材料对传输线圈间的磁通路径进行约束。此外，系统的传输特性还受到线圈形状的影响。目前关于传输线圈的研究主要集中在提高线圈间耦合系数、提升系统抗偏移能力、保证周围电磁环境安全等方面。

由于需要从功率电源取电，发射线圈通常安装在地面，接收线圈紧贴于汽车底盘下方。根据充电过程中汽车是否处于静止，主要分为静态充电和动态充电两类。

1.1 静态充电

静态充电中使用的线圈类型主要分为双边绕组和单边绕组两大类。其中，代表性的双边绕组结构有奥克兰大学研究小组提出的flux pipe结构[6]和日本琦玉大学提出的H型结构[7]。双边绕组在背面有磁场泄漏，虽可通过外加铝板进行屏蔽，但产生的涡流损耗会降低系统效率，在实际中应用较少。

对于单边绕组结构，目前应用较为广泛的是平面螺旋线圈[8]。为约束磁通路径，进一步提升汽车停车过程中左右方向上的抗偏移能力（相比于前后方向，左右方向的偏移不方便调整），文献[9]提出了DD线圈结构。

对传输线圈，当偏移特定距离时，两线圈之间的耦合会出现一个零点。为了解决这个问题，可在DD线圈之间增加一个正交的线圈，构成DDQ线圈结构[9]，如图2所示。以此增加了DD线圈在行车前后方向上的抗偏移能力，但同时也增加了线材的使用量。此外也有学者提出将DD线圈部分重叠，构成BP线圈，在减少铜用量的同时，实现与DDQ类似的功能[10]。

图2 DDQ线圈结构[8]

韩国科学技术院（KAIST）的Chun T. Rim教授团队所提出了的大小线圈（asymmetrical coils）结构[11]，作者所在研究团队将大小线圈结构应用于30kW电动大巴车无线充电系统中，较大地提升传输线圈的抗偏移能力，其结构如图3所示。

图3 大小线圈结构

1.2 动态充电

动态充电（On-Line Electric Vehicles, OLEVs），即汽车在行驶过程中充电，能降低车载电池容量和整车质量。动态充电的传输线圈依据发射端的不同，主要分为两种结构，即集中式供电导轨模式（见图4）和分段式供电导轨模式，其接收端是安装在汽车底部的接收线圈。发射端通常为一条固定在地面上的通电长直轨道，由利兹线横穿W型或U型的铁氧体构成[12]。

图4 集中式导轨电动汽车无线充电系统[13]

文献[14]提出了I型结构，能进一步减小导轨体积，提升铺设线圈的便捷性，降低成本。文献[13]提出的S型结构线圈较之I型结构能进一步提升系统的抗偏移能力。两种结构如图5所示。

（a）S型导轨[13] （b）I型导轨[14]

图5 集中式导轨截面示意图

Fig.5 Profiles of lumped power supply rail

汽车行驶过程中，由于接收线圈仅能与单一长直轨道的部分区域发射耦合，耦合系数下降，传输效率较低，故也采用由多个沿轨道串行布置发射线圈（分段供电导轨模式）[15]。每段导轨上的发射线圈由对应的变换器单独供电，当汽车沿路面驶过，对汽车取电轨道上对应的线圈通电，从而实现在行驶状态中充电。

1.3 电磁环境与异物检测

面向实际应用的无线充电系统，既要考虑其对对周围环境的友好性，又要兼顾系统对周围环境的适应性。充电系统运行时会在传输线圈周边区域激发高频交变电磁场，因此有必要评估电磁辐射对周围生命体和电子设备的影响。针对生物安全性，目前主要以仿真分析和实验测试为主[16]，借助电磁波比吸收率（Specific Absorption Rate, SAR）分析电磁辐射对人体的影响[17]。当前国际上对于电磁暴露限值主要有ICNIRP制定的《限制时变电场、磁场和电磁场暴露的导则》和IEEE制定的《处于射频电磁场3kHz～300GHz人体安全等级》。我国也陆续出台了一系列与电磁安全相关的法规和标准。各类标准关于电磁和磁场强度的限值对无线充电系统的参数设置、系统在电动汽车上的安装位置和底盘的改装都能起到指导和约束的作用。除对生物体的影响评估外，关于无线充电系统对外界电子设备干扰问题研究则较少。

在实际应用中，无线充电系统难免会受到外界电磁干扰或周围掉落异物的影响。文献[18]对有源干扰和无源干扰进行了分析。文献[19]仿真分析了不同位置的铁质障碍物对系统周围磁场的影响。笔者所在研究团队对传输线圈间不同位置、不同形状、不同材质的异物温升进行了测试，如图6所示。文献[20,21]对金属异物检测的方法进行了研究。

图6 线圈间及周边金属异物温升测试

2 谐振网络及系统建模

2.1 谐振网络

无线充电系统中传输线圈间是松耦合，因此需要加入谐振网络来减小系统无功，提升传输效率。谐振网络又称补偿网络，通常其与传输线圈的自感发生谐振，进而起到提升传输效率，改变输入输出特性等作用。目前主要有串联（Series, S）补偿，并联（Parallel, P）补偿和串并联（LCL）补偿及其他一些在此基础上衍生的补偿网络。

对于一次侧，S型拓扑可直接与电压源型逆变器连接，输入阻抗较低，损耗小，易实现电压反馈调节。P型拓扑需要电流源供电，且易受扰动，在实际中应用较少。LCL型拓扑则能使发射线圈的电流呈现出恒流源特性[22]，适用于多负载传输的情况。

图7所示为常用的六种补偿网络的拓扑电路。表1列出了这六种补偿结构在一次、二次侧均谐振的情况下系统的输出特性。图7中，为传输线圈间互感；1、1、2、2分别为发射、接收线圈的电感和等效电阻；、、、分别为一次侧、二次侧的谐振电容和谐振电感；L为负载电阻；为电源电压；2为二次侧的谐振角频率。

（a）SS （b）LCL-LCL

（c）S-LCL （d）LCL-S

（e）SP （f）LCL-P

图7 补偿网络

Fig.7 Basic compensation network

对于二次侧，S型拓扑能够获得类似恒压源的输出特性，P型拓扑则能够获得类似恒流源的输出特性[23]，LCL型拓扑能进一步实现输出电流与负载的解耦，同时避免二次侧发生短路故障时对一次侧造成的过电流问题。

在LCL谐振的基础之上，文献[24]提出了LCC谐振网络，即在发射线圈支路上额外串入电容。该电路稳态条件下可等效成为LCL电路[25]，通过合理选择串入的电容值来调整发射线圈上的电流，同时可以隔离电源侧的直流分量，避免传输线圈的直流磁化。

表1 谐振网络输出特性比较

Tab.1 Comparison of output characteristics of resonant network

除谐振网络的输出特性外，目前已有大量文献对不同的谐振方式和补偿网络的一次侧电容[26]、稳定条件[27]、输入阻抗[28]及系统传输效率优化方 法[29,30]等方面进行了深入的研究。

2.2 系统特性

2.2.1 稳态模型

稳态条件下磁耦合谐振式无线充电系统的建模已较为成熟，目前主要有三种理论：带通滤波器理论、耦合模理论、互感理论。国内外理论研究多以后两种理论为主[31,32]，主要针对电阻型或阻感型负载进行建模。系统的稳态模型能定量分析稳态条件下各系统参数对于传输功率、效率的影响，优化系统参数设计。考虑到实际充电系统通常带电池负载运行，文献[33]建立了含电压源型负载的无线充电系统的稳态模型并分析了各系统参数对传输性能的影响。文献[34,35]借助稳态模型对两线圈和四线圈传输结构的频率分裂现象进行了研究。

2.2.2 动态模型

现有无线充电系统的控制方法大多基于上述稳态模型进行设计，对于启动、负载突变、停机等暂态过程的适用性较差。建立系统的动态模型有助于分析各个元件在暂态过程中受到的电应力及系统在开路、短路情况下的过电压、过电流问题，进一步提升系统的鲁棒性和可靠性。SS谐振网络的等效电路如图8所示。目前主要是借助微分方程来刻画充电系统动态行为，式（1）给出了SS谐振网络的数学模型。

图8 SS谐振网络等效电路

不同谐振网络的数学表达略有差异，随无源元件的增加系统方程趋于复杂化。文献[36]基于状态空间方法建立了LCLC-LCLC线圈结构相应的动态模型，其等效电路如图9所示，其数学模型为

图9 LCLC-LCLC谐振网络等效电路

电力电子变换器的接入使得系统具有了非线性的特征，给系统整体动态模型的建立造成了困难。基于使用两个慢状态量来反映一个快状态量的思想，广义状态空间平均法[37]、拉普拉斯变换法[38]和扩展函数描述法[39]分别被用于建立系统的非线性模型。相比于稳态条件下的相量模型，这些方法得到模型的阶数往往较高。文献[40]利用耦合模理论和平均化的思想降低了模型阶次。

无线充电系统往往运行在高频状态，对控制器的计算能力和采样装置的采样率有较高要求，因此，有必要建立不同时间尺度下系统的动态模型，在保证系统动态性能的同时，降低系统采样频率，简化控制策略。

3 电力电子变换器及其控制策略

与常规有线充电桩相比，电动汽车无线充电系统采用传输线圈替代了前者的隔离变压器，其在电力电子电源及控制策略方面与前者既有相似之处，又有不同，具体表现在：①后者的发射端与接收端间存在较大气隙，传输线圈工作在高频谐振状态；②控制策略的设计需考虑传输线圈间的数学模型；③一次、二次侧间既有电气隔离，又有信息隔离。完整的无线充电系统主电路结构如图10所示，为降低系统损耗成本，实际中会做相应合并和简化。

图10 电动汽车无线充电系统主电路

3.1 单向传输系统

单向传输系统即指能量仅能从电网流向车载电池，而无法进行能量回馈的系统。其典型系统结构通常为：电网经整流后，经过DC-DC环节调压，由逆变环节转换成高频交流电并通过传输线圈输送到接收端，再经不控整流、负载匹配及滤波等环节给车载电池充电。传输系统的控制主要实现调节传输功率和保证传输效率两个目的。针对系统中不同的变换器，对应有不同的控制策略。

3.1.1 基于DC-DC变换器的控制方法

常用的DC-DC变换器包括Buck、Boost、Cuk和Buck-Boost电路。通常用一次侧DC-DC调节高频逆变器的母线电压，进而控制系统传输功率，二次侧DC-DC主要起到调节充电电流或实现阻抗匹配的作用。文献[41]提出了由二次侧DC-DC跟踪BMS（battery management system）的电流指令，一次侧DC-DC采用基于扰动观察法寻优系统传输的最大效率点的方法。

图11 最大效率跟踪控制算法示意图[39]

基于DC-DC变换器的控制策略具有调节功率范围宽、控制可靠等优点，但该控制方法增加了一级电能变换，因此增加了系统的体积、成本和复杂度，降低了系统的整体效率。为此，文献[42]提出基于自由振荡和能量注入控制的AC-AC变换器，省去直流环节，减少了变换器的功率损耗。此外，也可将一次侧整流环节与直流环节合并成三相可控整流，既实现了功率因数校正，又能在一定范围内通过调节母线电压来调节传输功率。

3.1.2 基于一次侧高频逆变器的控制方法

一次侧高频逆变器通常采用全控型H桥，其恒频控制主要有PWM控制和移相控制方式。PWM控制中处于对角线的两个开关管驱动波形相同，由于工作在硬开关状态，开关损耗较大，且可能产生较强的电磁干扰，影响系统的可靠性[43]。

移相控制中所有开关管占空比均为50%，同一桥臂上、下开关管互补导通，对角线的两个开关管驱动波形相差移相角。可通过调节移相角来调整传输线圈上电流大小，进而调节系统的输出功率。通过移相控制策略来控制系统的输出功率不需要增加额外的硬件电路，且一次侧谐振时，在180°移相角情况下能实现零电压开关，是目前较为常用的控制方式之一。

磁耦合谐振式无线充电系统的传输功率与系统工作频率密切相关，也可以改变传输线圈中电流频率对传输功率进行调节。设计调频控制策略时，需考虑频率分裂现象[44]，合理选取工作频率范围。基于调频的控制方式简单可靠，易于实现，但由于偏移线圈谐振频率时，系统效率下降较快，该方法常用在传输功率较小且调频范围不大的系统中。

3.1.3 基于谐振网络参数的控制方法

系统传输功率受谐振网络参数的影响较大，可串联电感矩阵或并联电容矩阵构成参数可调的谐振网络[45]，通过调整电路参数实现对系统功率的调节。但该方法功率调节范围不连续，控制精度不高，存在系统体积偏大、成本高等问题。

无线充电系统中一次、二次侧之间无物理连接，电流、电压等信息需要通过Wi-Fi或蓝牙等无线通信的方式实现交互。无线通信存在延时问题，且在极端电磁环境下可靠性降低，给系统控制带来了困难，因此也会采用发射端和接收端分别独立控制的方法。文献[46]提出了一种通过控制一次侧逆变器调节传输功率的方法，二次侧仅保留不控整流和滤波电路，降低了成本和体积，提高了系统可靠性，其算法框图如图12所示。

此外，混合灵敏度∞控制器[47]、滑模控制器及滑模评估函数[48]等方法也被应用于无线充电系统中用于提高系统的动态响应性能。

图12 一次侧控制算法[46]

3.2 双向传输系统

相对于有线充电，无线充电系统以其无需插拔、即停即充、灵活便捷等特点，适用于V2G（vehicle to grid）的应用，实现电动汽车与电网的能量双向流动，在电网的削峰填谷、空载备用、调节峰值功率、自动发电控制等方面有很强的优势。无线电能双向传输的系统中，一次、二次侧的高频逆变器均采用全控型H桥。为保证系统对电网的友好性，一次侧与电网之间通常增设一级AC-DC变换器，实现功率因数校正（Power Factor Control，PFC）和能量回馈。

图13 双向无线充电系统结构

双向传输系统的系统拓扑、可控量以及工作模态与单向传输系统均有所区别，因此首先需要对其系统建模进行研究。文献[36,49]分别针对基于CLCL补偿拓扑的双向传输系统的稳态模型和动态模型进行了研究，之后文献[50]又将上述动态模型扩展到了多接收端系统。

与单向传输系统相比，双向传输系统对系统参数和控制变量更加敏感，相应的控制更加复杂，需要更好的鲁棒性和适应性。双向系统传输功率的大小和方向可通过传输线圈上电压的幅值和相位进行调节[51]。传统控制方法通过改变二次侧变换器的移相角来调节功率，一次侧变换器则负责控制输入电流的大小。文献[52]建立了系统整体损耗模型，提出一种减少线圈损耗的移相调制方法。文献[53]将同步整流技术应用于双向传输系统中，减小了开关损耗和EMI干扰。文献[54]结合无线充电的特点，提出一种频率-功率下垂控制方法，该方法不依赖一次、二次侧的通信，降低了成本。

在双向无线传输系统中，由于一次、二次侧均需要对变换器进行主动控制，其控制信号同步成为一个难以回避的问题。由于无线传输系统的特殊性，一次、二次侧通常无法采用有线通信，而无线通信在通信带宽、延迟、成本、可靠性等方面均有所限制。对此，有学者提出利用在二次侧放置辅助线圈的方式解决一次、二次侧信号同步的问题[55]。辅助线圈产生的感应电动势同时受一次线圈电流和二次线圈电流所建立的磁场的影响，通过检测辅助线圈的感应电动势，将其减去与二次线圈电流相耦合的部分，即可得出一次线圈电流的相位信息。

此外，近年来亦有文献对双向无线传输系统的效率优化控制[56]、控制参数设计[57]、变换器拓扑改进[58]等方面展开了研究。目前对于双向传输系统的研究大多集中于传输线本身的优化设计和控制策略等方面，尚未研究电网电压不平衡等暂态过程对充电系统造成的影响及功率反向流动时的并网策略等问题，未来研究应关注传输系统与电网之间的交互方法。

电动汽车充电站地理分布广泛，充电负荷在时空上不均匀，把电动汽车视作移动的蓄电池用于消纳或储存风电、光伏等间歇性能源，有助于提高能源系统整体运行的经济和环境效益[59]，面向分布式微电网应用的电动汽车无线充电模式也是今后的研究热点之一。

4 待研究问题及发展趋势

在传输结构方面，如何提升系统抗偏移能力一直是当前研究的热点。目前关于无线传输系统的方向性问题研究较少，对于系统偏移角度、偏移距离与传输效率之间的定量关系，仍未得到一致的结论。对传输线圈间电磁场中的功率随时间变化的规律及其与系统参数之间的关系，还需要进一步的理论研究。深入分析空间功率密度分布及传递机理，有助于更好地控制能量传输方向，提高传输效率，合理约束空间电磁场，保证周围电磁环境安全[60]。传输线圈形状的优化，新材料的应用，线圈与汽车底盘的合理装配等对于提高系统传输效率和实现较好的电磁屏蔽具有重要意义。

不同谐振网络稳态条件下输入、输出特性的研究已较为成熟，但对于短路和开路等特殊工况下不同谐振网络中电压、电流变化关系的研究较少。传输系统在启动、负载突变、切负荷等暂态过程中的响应特性缺乏定量的描述。建立不同谐振网络及整体系统的动态模型有利于更好地对系统的动态行为进行控制，分析暂态过程中系统各个部分的电应力，设定合理的保护阈值，提升系统的稳定性。

电力电子变换器的接入给传输系统带来了非线性特征，使得系统性能对参数变化更加敏感，控制方法更加复杂。系统性能的进一步提升，很大程度上依赖电力电子变换器的设计与优化，以及相应控制方法的改进和创新。结合无线传输的特点，设计并研制高功率因数、低输入阻抗、电路参数兼容性高的电力电子变换器，提出并采用更加先进和精确的控制方法，是当前及今后研究的主要方向之一。

双向无线电能传输技术为电动汽车参与到电网调度，实现与分布式微电网的友好融合提供了极大的便利。基于V2G的电动汽车无线充电系统的优化设计、相应控制方法及与电网间交互策略的研究是今后研究的热点问题。

5 结论

本文综述了目前电动汽车无线充电技术的研究现状及发展，从传输结构、谐振网络及系统建模、电力电子变换器及其控制策略三个方面，归纳和概述了当前的主要研究热点及最新进展，讨论了该项技术有待研究的问题以及发展趋势。关于电动汽车无线充电技术，目前仍有很多基础理论和关键技术有待解决，如系统抗偏移能力、谐振网络及整体系统的动态模型、基于V2G的电动汽车无线电能双向传输系统优化设计等，这些问题将成为未来电动汽车无线充电技术研究的主要热点。

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New Progress of Wireless Charging Technology for Electric Vehicles

（State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments Tsinghua University Beijing 100084 China）

Wireless charging technology for electric vehicles (EV) has become more and more popular for its advantages of operation safety, flexibility, convenience and low cost. This paper reviews current researches and key points on the technology from the aspects of power transmission coils, compensation networks and power electronics converters as well as their control methods. Hot issues and the future of wireless charging technology are discussed in the end.

Electric vehicles, wireless power charging, magnetically coupled resonant

TM910.6；U469.72

赵争鸣 男，1959年生，教授，博士生导师，研究方向为大容量电力电子变换器、太阳能光伏发电系统、无线电能传输等。

E-mail: zhaozm@tsinghua.edu.com（通信作者）

刘 方 男，1990年生，博士研究生，研究方向为电力电子变换器控制和无线电能传输。

E-mail: liufangmail08@126.com

2016-08-25 改稿日期 2016-09-08

国家自然科学基金重大项目资助（51490683）。