电动汽车磁耦合谐振无线充电系统研究发展综述

史佳兰，蔡 黎，代妮娜，谭泽富，朱海涛

(1.重庆三峡学院信息与信号处理重点实验室，重庆 万州 404000；2.中国电建集团国际工程有限公司，北京 100089)

1 引言

直至2021年底，我国新能源汽车达492万辆，占出售汽车总量的1.46%。其中，纯电动汽车为400万辆，占新能源汽车总量的81.3%。电动汽车已成为国内不断高速增长的新能源车辆。电动汽车因为充电需要，被分为有线充电与无线充电两种。而有线充电式电动汽车常常被充电桩限制，充电设备可能存在老化、接触不良等问题，因此无需考虑插座问题的无线充电方式更受青睐。

本文主要结合国内外发展实例与现状，探讨基于磁耦合谐振的电动汽车无线充电技术，对磁耦合结构下的充电方式、充电结构的影响分析，并对这一技术的未来发展进行展望。

2 国内外研究发展

2.1 国内研究进展

国内无线充电技术的研究主要由各大高校进行。重庆理工大学[1]提出协同线圈无线充电系统，利用遗传算法进行优化，对协同线圈的耦合系数进行合理取值；深圳大学田教授等人[2]研究出LCC-S补偿结构，提高在不同耦合情况下的充电效率；郑州大学[3]搭建电热耦合模型，通过混合功率脉冲测试，减小了不同温度下的平均绝对误差；上海交通大学[4]提出静态无线充电时的精确定位法，减少横向偏差带来的损耗，误差不超过0.003 mm；天津工业大学的张教授团队[5]提出双LCC补偿结构的电流闭环自整定系统，将系统动态响应能力提升60%；华南理工大学的杨教授等人[6]通过改善充电结构达到无源整流效果，在20 V传输电压下，电压波动不超过1.6 V。

2.2 国外研究进展

1964年，William Brown[7]成功利用无线技术给一架模型飞机充电，验证了无线充电技术的可行性。当前，奥克兰大学[8]提出一种集成布斯特有源桥的功率转换器，可将两个直流电感的功能集成到双D磁耦合线圈，使磁体减少大约70%；多伦多大学[9]提出能够检测系统阻抗和谐振频率的位置校正控制算法，提高充电车辆的对准功能，以降低充电装置偏移导致的功率降低；2019年，宝马公司研制出具有无线充电技术的混合动力电动汽车，210 min即可将电池充满，充电效率可超90%。

目前国内外无线充电的电动汽车尚未完全投入市场，主要原因为无线充电技术的功率较低、传输距离偏短。为了增加无线充电系统的传输效率和传输距离，可以从充电方式入手。

3 充电方式

无线电能的传输可以通过以下三种方式实现：电场耦合方式，电磁感应方式及磁场耦合方式。电场耦合方式传播距离很短，发射端与接收端必须紧邻才能达到较好效果，传输效率也不理想，应用效果差；电磁感应式在耦合式的基础上，传输距离稍有提高，仍旧达不到所需范畴，且传输功率低下。因此，磁场耦合式的使用更为广泛。

3.1 静态无线充电

静态无线充电中，输入端与输出端常采用简单的几何形状，如圆形或者矩形的线圈结构，其后也有较为复杂的线圈进行实验应用。静态充电面临的挑战有：停车时输入端与输出端无法完全对准，导致偏移问题[10]。文献[11]采用双H型耦合线圈，在充电系统中增加新型的补偿拓扑，使系统在谐振频率达90 kHz时，输入端与输出端的充电效率可在200 mm内保持稳定。文献[12]对比不同磁芯和线圈的搭配，提出多发射线圈耦合结构，有效增加50 mm的抗偏移距离。

3.2 动态无线充电

动态无线充电适用于汽车移动状态下，对充电地面要求较高。在一定长度的充电地面上设置发射端，实现电动汽车边行驶边充电。这一方式大幅度缩小电池容量，有效降低整辆充电汽车所需材料和体积。

动态无线充电过程中，根据设置在地面处发射端的设计特性，划分为阵列式，供电导轨式和分段供电导轨式。阵列式发射线圈即不改变线圈参数的情况下，在地面上将多个线圈比邻设置，后两种方式的结构特点为均改变了设计参数，使得线圈长度远远大于宽度。长导轨式因为埋设于地面的发射线圈单一，有在其产生故障的情况下则导致相当长一段距离内，电动汽车无法安全工作；阵列式由多个线圈组成，单个线圈故障不会对全线造成影响，但线圈数量过多，在汽车行驶过程中容易产生电能不稳定的问题。分段导轨式选取了适宜的线圈长度参数，较好的平衡了上述两种方法的缺点。

电动汽车动态充电过程中的横向误差可以采用四线圈电路构成的实时汽车横向偏差检测电路，以达到稳定电流效果，或对充电系统接收端的参数进行优化，也可以增加系统抗偏移特性。

4 结构介绍

4.1 耦合线圈

磁耦合结构是无线充电系统的关键部件。在无线阶段之前，有两个转换步骤：将电网中的低频交流电流转换为直流电流，然后将直流电流转换为高频交流电流。

奥克兰大学提出可应用于无线充电的圆形电磁感应结构，同年设计了性能更好的DD(double-D)型偏振耦合器，在0.31 m2的尺寸下，充电面积达相同尺寸下圆形结构的五倍以上[13]；美国阿克伦大学的Mostak教授对磁芯损耗随磁通密度分布的变化进行研究，通过改变磁芯几何设计，将损耗降低25%[14]；2020年，杨志红等人[15]以DD线圈为基础，采用减少磁芯和优化参数的方式，将系统的传输效率提高至95%以上，并在82.5 kHz至90 kHz的频率范围内传输11 kW的功率。

在磁耦合线圈形状对特性的影响探究中，天津工业大学[16]仿真对比了圆形、D型、DD型等不同耦合线圈设计，结果表明，在横向偏差250 mm时，圆形与方型线圈耦合度趋近于零，而DD型线圈的横向耦合范围可达600 mm，铁氧体磁芯的加入对四种线圈的耦合性能均有极大的提升，比无铁氧体磁芯的线圈增强30.4%。

4.2 补偿结构

除在磁耦合机构上进行进一步的研究外，为了有效增加该机构的传输效率，大幅度提升传输功率，还需要对这个机构进行电容补偿，使两者的工作在共振状态。

补偿电容的方法，也因为设计过程中其结构的不同，划分成四种不同的组合类型：SS耦合(原边串联-副边串联类型)、PS耦合(原边并联-副边串联类型)、SP耦合(原边串联-副边并联类型)、PP耦合(原边并联-副边并联类型)。SS型的一次侧电容值仅与自身特性，谐振频率和自感系数有关，其他三种都会受到其他参数的影响。除此以外，这四种基础结构无法满足大功率充电汽车的需求，复合型补偿结构的研究很有必要。

补偿电路作为稳定系统状态，提升充电效率的结构，除了在转换效率上的提升，输入功率的提升也十分重要，在这方面进行优化，可极大缩短充电时间，延长电池使用寿命，为了提升补偿结构的效率，可以采用复合型补偿机构。

4.3 复合补偿结构

复合型补偿机构在原有补偿结构上，在原边或副边增设电元器件来增强补偿机构的效率。常见复合补偿结构有：双LCC补偿结构、LCC-S补偿结构、LCL-LCC补偿结构、双LCL补偿结构、双T型补偿结构这几种结构，双LCC结构和LCC-S结构具有很强的抗偏移能力，被广泛应用于电动汽车动态充电系统中，山东大学[17]优化了LCC-S结构参数，在125 W功率下工作效率达93.1%，提高了稳流能力；双LCL补偿结构和LCL-S补偿结构可以分别输出恒定电流与恒定电压，且都能实现零相角，并建立了173 W的样机对结果进行了验证；双T型补偿结构有稳压作用，在负载电阻10 Ω或30 Ω处，输出电压大小不受影响。

以上几种复合补偿结构具有不同特性，可根据电动汽车无线充电系统的不同设计要求来进行选择，在动态电路多段导轨式中，可应用LCC和LCC-S补偿结构以减少动态影响造成的偏移损耗，在静态电路中选择LCL-S补偿结构稳定输出电压，提高输电效率。

5 结果与讨论

“十四五”期间，工信部提出围绕碳排放问题，通过制定相关法律法规，推动新能源汽车的发展，推动磁耦合结构的优化与提升，对推进无线充电汽车的发展具有极大的帮助。未来无线充电技术的发展应集中在以下两个方面。

(1)提高充电结构的效率及稳定性，达到用户的日常使用需求，降低充电使用过程中的充电时间和充电次数。

(2)增加电动汽车的抗偏移能力，减少停车或行驶中的位移偏差导致的充电功率低下，提升电动汽车充电稳定性。