电动汽车无线充电技术综述∗

蔡栋兴

（北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院 北京 100191）

1 引言

自从第二次工业革命以来，人类社会便进入了电气化时代。随处可见的各种导线，在给我们带来便利的社会的同时，也留下了安全隐患。线路的老化，不可避免地带来触电的危险，而且在一些追求美观的情境下，复杂的线路也不符合要求。

无线电能传输技术可以有效缓解甚至解决这些问题。首先无线电能传输不需要导线，避免了插头插拔带来的风险，而且符合美观的要求。

无线电能传输技术得到首先应用的，就是电动汽车的充电。虽然电动汽车的飞速发展，配套的各种技术也有了极大的需要，这给无线充电技术在电动汽车上的应用带来了无限的可能。

2 文献概述

国内外对电动汽车无线充电技术的研究很早就开始了。1970 年末，在加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的Partner for Advanced Transit and Highways 项目中，在一条长213m 的轨道上测试了一可乘坐35 名乘客的电动大巴［1］，其功率可达60kW。双极性的原边导轨供应的是1200A，400Hz的交流电，拾取机构与原边导轨相距7.6cm。由于半导体技术的限制所得到的传输效率仅有60%。

随着半导体技术的进步和对无线电能传输技术的深入，kW 级功率的传输效率也逐步提升。奥克兰大学（Auckland University）的研究者近期为电动汽车静止充电设计的充电装置值得关注，它是一个直径为813mm 的平板线圈，可以实现间隔175mm～265mm 传输5kW 的功率，效率在90%以上，间隔200mm时横向偏移裕量可以达170mm［2］。

由韩国科学技术院（KAIST）主持的“联网电动汽车”项目（OLEV）也致力于无线充电设计。他们共设计了三代OLEV 系统：第一代轻型高尔夫车、第二代电动大巴、第三代SUV。第二代与第三代的成果显著：分别实现了为电动大巴6kW 供电和SUV17kW供电，其传输效率分别为72%和71%［3］。

美国的橡树岭国家实验室（Oak Ridge NationalLaboratory，ORNL）研制的电动汽车无线充电系统原型实现了7kW 的功率传输，传输效率达到了90%［4］。

密歇根大学迪尔伯恩分校的研究小组实现了间隔200mm 传输8kW 功率，其传输效率高达95.7%［5］。

重庆大学自2002 年展开了对无线充电技术（WPT）的研究，目前已经形成一套系统的研究体系。重庆大学的孙跃老师团队从多个方面分析电动汽车非接触充电的机理［6］。研究通过分段式电动汽车充电的模式实现无线充电，分段导轨的电动汽车充电模式可以有效减弱充电系统对参数的敏感程度［7］。分析系统传输效率与线圈谐振频率、互感系数、线圈内阻等参数之间的关系［8］。实现在工作频率40kHz、松耦合变压器垂直间距30cm 下传输千瓦级的功率，负载分别是灯泡和功率电阻［9］。

东南大学的黄学良老师团队对磁耦合谐振系统的四种不同电路拓扑结构的特性进行研究，推出不同结构下谐振电容的数学模型，设计了相控电感电路，可以实现系统的动态调谐［10］。分析发射装置与接收装置的电路模型，从磁场的角度对发射和接收天线的转换效率进行分析，得到天线参数与效率之间的关系，从而可以有目的性地对天线参数进行优化［11］。研究盘式结构谐振电感线圈在一定条件下的设计和优化方法［12］。研究无线电能传输系统的传输效率的稳定性问题，分析得到效率与变压器气隙间距和系统工作频率的关系，提出调整频率的方式实现系统效率的稳定［13］。

哈尔滨工业大学以朱春波教授为首的研发小组面向基于磁共振耦合无线电能传输系统展开仿真和实验研究，分析了反电动势与传输距离、工作频率之间的关系，并对工作于零电压开关（Zero Voltage Switch，ZVS）模式的闭环ICPT 系统展开理论分析和实验研究［14］。同时对于电动车感应耦合充电技术也做了一些研究，分析了松耦合变压器的电磁转换关系及其等效电路模型，讨论了其能量损耗的特点，并研制出一套最大输出功率为789W 的感应充电平台［15］。

3 基本研究现状与发展趋势

3.1 无线电能传输技术的分类

根据传输机理的不同，无线电能传输可以分为如图1 所示的几种。

图1 中的电磁辐射式、电场耦合式和磁场耦合式三种方式，属于利用电磁效应进行无线电能传输。电磁波产生的交变电场根据离场源距离的远近（通常以1 个波长为划分依据）可以分为远场和近场。

图1 无线电能传输分类

目前受到较多关注的是磁场耦合式无线电能传输。该方式利用电源侧的线圈产生交变磁场，耦合到负载侧的线圈，进而将电能传递给负载。根据是否发生谐振以及传输距离相对于线圈直径的大小，可以分为感应式和谐振式。磁耦合感应式无线电能传输（magnetically-coupled inductive wireless power transfer，MCI-WPT）机理类似于可分离变压器。气隙部分代替了铁芯，导致了磁力线没有定向的通道和负载侧的线圈相铰链。因此只有在较短的距离下，才能实现较大功率和较高效率的传输。当距离增大后，传输效率急速下降。该方式一般只有在小鱼传输线圈直径的传输距离下，才能达到较高的效率和较大的功率。而磁耦合谐振式无线电能传输（Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT）利用谐振原理，使得其在中等距离（传输距离一般为传输线圈直径的几倍）传输时，仍能得到较高的效率和较大的功率。并且电能传输不受空间非磁性障碍物的影响。相比于感应式，该方法传输距离较远；相比于辐射式，其对电磁环境影响较小，且功率较大。

3.2 电动汽车无线充电系统介绍

图2 所示是一种典型的电动汽车无线充电系统，它包括了电动汽车无线充电的几个部分。首先采用带有功率因数校正装置的AC/DC 变换器进行整流，接着将直流电逆变为高频交流电经补偿网络后驱动发射线圈。发射线圈上的高频电流产生交变的磁场，从而在接受线圈上产生交流电压。最后交流电整流之后给电池充电。图2 所示的电动汽车无线充电器主要由以下几个部分组成：

1）发射和接收线圈。通常线圈还需要铁芯和屏蔽机构，在文章后面就用磁耦合线圈来表示整体，包括线圈、铁芯和屏蔽机构。

2）补偿网络。

图2 典型电动汽车无线充电系统

3）电力电子变换器。

它与传统的有线充电装置的主要区别就是其传输机构由一组松耦合线圈替代。为了尽快了解无线电能传输的原则，将线圈与补偿网络进行分离，如图3 所示，L1代表发射线圈的自感，L2代表接收线圈的自感；1和2是两线圈的电流，12是由原边电流引入的副边电压，21是副边电流引入的原边电压。S1和S2分别是流入L1和L2的能量。S3和S4是由电力电子变换器提供的能量。S12和S21代表两线圈交换的能量。在此先隐藏补偿网络的具体结构，其结构特征稍后进行讨论。

图3 通用两线圈WPT系统

如图3 所示，忽略线圈阻抗和磁损耗，可以计算出L1、L2之间简化的能量交换：

φ12是与的相角差。从原边传递到副边的有功功率可以表示为

图3 所示的系统可以双向传递有功功率。在以下分析中我们假设功率是从L1传输到L2，当相角差时可以实现从L1到L2的最大功率传输。

流入两线圈系统的总复功率为

流入两线圈的总无功功率为

对于传统的功率传输器，无功功率代表磁能。磁能越高造成的铜耗和铁耗越大，为了提高传输效率，希望有功和无功功率的比值最大。

为了求得f(φ12)的最大值需要求解下列方程：

解得

当k接近于1 时，这就是传统的变压器，这时2由1产生，x接近于1，因此，cosφ12≈-1，1和2的相角差接近180°。而在无线电能传输（WPT）中，k接近于0，f(φ12)在sinφ12=1 时最大，此时传输的功率达到最大。和2的相角为90°而非180°。由此我们可以看出松耦合和紧耦合之间的差异。

耦合程度的大小影响着补偿网络的设计，以串串拓扑为例，有两种设计谐振电容的方式。一种是设计电容与漏感谐振［16］，这可以使得f(φ12)更大。另一种方式是与线圈自感谐振［17～18］，这可以使得传输功率达到最大。当通过铁芯实现紧耦合时，例如k>0.5 时，这时应该增加f(φ12)以获得更高的传输效率，即调整补偿电容与漏感谐振。当电容与漏感谐振时就相当于漏感被补偿，这时传能装置便与传统的变压器一样并增大了f(φ12)。当系统是松耦合时，例如k＜0.5，这也是电动汽车无线充电的情况，这时通常调整电容与自感谐振使系统工作于谐振点以实现最大功率传输。这时，多数磁场能量存储于两线圈之间的气隙中，铁芯的磁滞损耗相对较小。然而铜耗却与传导电流的平方成正比。为了在一定的线圈电流下传输更大的功率，电流2应超前90° ，既然12超前约90° ，那么12与2应为同相位。在该频率下从12看去副边应呈纯阻性。同时原边的输入功率S3应最小。在cosφ12=0 时复功率为

理想情况下原边的补偿网络可以抵消无功功率并使S3=ω0MI1I2。通过以上分析可知副边谐振可以减小线圈上的无功功率从而减小线圈损耗，原边谐振可以减小电力电子器件上的无功功率从而减小损耗。因此我们选择在磁谐振时传输能量。

通过以上分析我们可以计算出谐振时两线圈间的功率传输效率。

我们有：

其中R2是副边线圈的电阻，RLe是负载等效电阻。

定义a=RLe R2，传输效率可表示为

通过求解下式可以得到最大传输效率为

文献［19］基于几种不同的补偿网络的到了最大效率传输公式，结果与上式相同，这里并不局限于某种特定的补偿形式，可以作为一种通用的公式用于估计线圈的性能并预测可能达到的最大传输效率。

对于电动汽车的静态无线充电，两线圈的耦合系数约为0.2，如果发射和接受线圈的品质因数为300，那么理论上的最大传输效率为96.7%。如图4所示为不同耦合系数下效率与品质因数的关系。

图4 通用两线圈WPT系统

4 结语

本文综述了电动汽车无线充电技术的现状和发展情况。介绍了电动汽车无线充电系统各个主要部分的发展情况。虽然该技术的实验结果理想，已经基本满足商业化的性能要求，但距离该技术的真正商业化还有许多工作要做，例如：形成系统的参数设计方法、建立工业标准、降低成本、电磁干扰和生物安全性的研究等。可以看出，电动汽车无线充电技术正在得到深入研究，同时也可以预计，该项技术将有一个广泛的应用，并将促进电动汽车的商业化进程。