基于CPT的電動汽車無線充電技術研究

謝寶江，陳桑紅，陳軼瑋，許 叢，張軍達

（1.臺州宏創電力集團有限公司，浙江 臺州 318000；2.國網浙江省電力有限公司臺州供電公司，浙江 臺州 318000）

0 引言

隨著電能生產、輸送和應用技術的不斷發展，人們的生產和生活方式也發生了極大的變化。自從人類學會用電開始，電線就一直伴隨人們左右，在帶來用電方便的同時，空間和地面上布滿的電線也給人們帶來了許多煩擾。能否在一些不宜拖帶電線的場合不用電線，同時使用電設備照常工作，成為人們追求的目標，無線電能傳輸技術正是在這一背景下應運而生。WPT（無線電能傳輸）技術也稱為CLPT（非接觸電能傳輸）技術，是一種借助電場、磁場和微波等實現將電能由發射端傳遞至接收端的供電模式，該技術融合了電磁場、電力電子及自動控制等多種學科,是能源傳輸和接入的一次革命性進步[1]。

電力是一種清潔能源，相對于石油，其價格低廉。使用電動汽車不僅可以避免尾氣排放對大氣環境造成污染，還可節省高額的燃油費。近年來，隨著電動汽車的大量普及，汽車無線充電也受到越來越多的關注。電動汽車的無線充電可以解決火花、積塵、接觸損耗、機械磨損等一系列傳統充電方式帶來的問題，增強電動汽車的續航能力[2]。無線充電簡單方便，即停即充，無需手動操作，沒有線纜拖拽，用戶只需把車停在停車位或車庫中，就可安全充電；安裝成本低，安裝方便，只需在車庫地下安裝初級側線圈，在汽車底盤安裝次級側線圈即可；無線充電不受氣候條件的影響，在雨雪天氣都可以安全充電。因此電動汽車無線充電將成為未來主要的發展方向。

1 無線電能傳輸技術發展現狀

早在1893年的哥倫比亞世博會上，交流電和無線電的發明人、著名美籍物理學家Nikola Tesla利用無線電能傳輸原理，在不用導線的情況下點亮了一盞照明電燈[3]。2000年，美國噴氣推進實驗室提出利用太陽能衛星進行無線電能傳輸，但同時其高功率密度也將給人類及其生存環境帶來潛在的危害[4]。2007年MIT（麻省理工學院）以Marin Soljacic教授為首的研究小組在《Science》上發表論文，介紹了一種全新的無線供電模式：磁共振感應耦合技術。實驗中纏繞了一個5匝粗銅線的線圈作為發射線圈，在2 m的距離處點亮了一盞60 W的電燈，無線電能傳輸效率約為40%，在一次側電源和二次側電源中間放置木料、金屬或其他電器，燈泡仍會發亮[5]。2008年，Intel公司的J.R.Smith展示了基于磁共振技術的研究成果，在演示過程中，該系統以75%的效率實現了60 W傳輸功率[6]。據美國媒體2017年5月報道，以色列Elect Road公司將開始公路無線充電技術測試，這標志著新能源汽車在行使過程中充電的目標有望達成[7]。2015年，新西蘭奧克蘭大學與德國康穩公司合作研制出世界上第一臺無線充電大巴，功率為30 kW[7]。

2011年10月國內首次“無線電能傳輸技術”專題研討會在天津召開，并達成了“天津共識”，這對無線電能技術在國內的研究與推廣具有重要意義。2014年全國科技活動周期間，中科院電工所展示了其研發并安裝在北汽E150電動車上的無線充電設備，該系統采用IPT（磁耦合諧振）技術，主要由高頻電源、發射線圈、車載接收線圈、車載充電機、人機交互系統組成[8]。東南大學采用ERPT（電磁耦合共振式）技術，已能將無線傳輸的距離增加到0.5 m左右，也是國內唯一實現0.5 m以上千瓦級無線電能傳輸的研究成果[9]。2015年，重慶大學自動化學院電力電子與控制工程研究所成功研制出在國內具有領先地位的電動汽車無線充電系統裝置[10]。華南理工大學張波教授課題組從電路角度分析系統傳輸效率與線圈尺寸、距離等之間的關系，以實現諧振耦合電能無線傳輸系統優化設計的目標[11]。目前無線充電技術研究熱點主要集中在耦合線圈結構及優化、系統電路拓撲設計、系統動態分析及控制等方面。

2 無線電能傳輸技術主要方式

目前，無線電能傳輸技術主要有CPT（電場耦合）、微波輻射、IPT 3種方式。基于IPT的非接觸式電能傳輸系統，在傳輸距離較遠時也可以實現大功率高效電能傳輸，目前已在心臟起搏器、手機、筆記本、pad、吸塵器和移動機器人等設備中得到成功應用；基于CPT的無線電能傳輸系統，結構簡單，制造成本低，具有更大的研究空間[12]，在電動汽車無線充電系統中有很好的應用前景；基于微波輻射的傳輸方式，其傳輸距離遠遠大于傳輸裝置的幾何尺寸[13]，但缺點是不能繞開障礙物，且傳輸效率較低。CPT及IPT技術均可應用到電動汽車無線充電系統中。

2.1 IPT基本原理

IPT無線電能傳輸技術原理如下：初級側輸出特定頻率及幅值的交變電流，通過發射及接收線圈的磁耦合，在接收線圈上產生感應電壓，經過AC/DC變換及DC/DC變換轉換為符合負載內部蓄電池充電標準的直流電，實現電能的無線傳輸，電路模型如圖1所示。

圖1 串串型電路模型

圖中：LP和LS分別為初級側、次級側線圈自感；M為兩線圈之間的互感；CP和CS分別為初級側和次級側補償電容；Rcoil_P和Rcoil_S分別為初級側和次級側線圈交流阻抗；RL為負載阻抗。在初級側、次級側均達到諧振狀態時，傳輸效率η和功率PL表示如下：

在 RL=10 Ω， R1=0.182 Ω， R2=0.243 Ω， L1=9.95 μH， L2=16.7 μH 條件下， 通過調節初級側與次級側諧振補償電容，使系統諧振頻率變化。圖2為功率與效率隨諧振頻率的變化情況，可以看出，當諧振頻率增加時，效率增加，功率先增加

其中，Rref為反射阻抗，定義為：后減小，在某個特定頻率處功率取得最大值。

效率及功率隨負載的變化曲線見圖3，傳輸效率則呈現先增大后減小的趨勢，這說明負載電阻存在最優值，在實際應用中，需進行阻抗匹配，從而在滿足功率傳輸的基礎上，盡量提高系統的傳輸效率。

圖2 不同耦合系數下效率、功率與諧振頻率的關系

圖3 效率、功率與負載阻值的關系

諧振頻率、互感以及負載電阻共同影響著傳輸效率。諧振頻率和互感增大，會導致傳輸效率的增大，而隨著負載電阻的增大，傳輸效率則呈現先增大后減小的趨勢，這說明負載電阻存在最優值。

2.2 CPT基本原理

CPT系統耦合器由4塊鋁板組成[14]，其中A和D鋁板為初級側，即電源側，放置在地面上；B和C鋁板為次級側，即電動汽車側，安放在電動汽車底盤最下邊。將初級側整流逆變模塊等效為高頻電源，直流負載為電動汽車的蓄電池，可簡化如圖4所示。

工作原理：當極板A和D上的電壓發生變化時，次級側電路的電荷會發生定向移動，若此時極板A帶的是正電荷，極板D帶的是負電荷，則由庫倫定律可知，極板B會帶上負電荷，極板C會帶上正電荷，整個初級側和次級側的電荷是保持恒定不變的。當A板與D板的極性發生變化時，B板與C板的極性也會發生相應改變，那么B板和C板就相當于一個電源對負載做功，實現了能量的無線傳遞。

圖4 CPT系統原理

極板A，B，C和D之間存在著寄生電容，如圖5所示。

圖5 極板間寄生電容分布

C1，C2和CM分別定義如下：

圖4可等效為圖6：

令 C1′=C1+C1，系統傳輸功率可表示為：

由公式（7）可以看出，系統傳輸功率與系統諧振頻率、系統輸入電壓等因素有關。

圖6 系統等效電路

3 IPT與CPT比較

從表1可以看出，與IPT相比，CPT經濟性更好、電磁兼容性更好、效率更高。IPT使用利磁線增加了系統成本；為減少磁場泄漏需設計屏蔽層，增加了系統重量，并帶來一定損耗；這些問題在大功率、中遠距離應用中尤為突出。而CPT大大降低了發射接收耦合裝置的重量和系統成本；在軌道式動態無線充電應用中，CPT可大幅度降低發射邊的損耗；并且不需要鐵磁材料，周圍存在金屬物體時，泄露電場不會在其中引起渦流損耗[15]。

表1 IPT與CPT技術性能比較

4 CPT實驗

實驗采用雙邊LC補償方式，其等效電路見圖7。其中Cex1，L1和Cex2，L2分別為初級側和次級側LC補償電路等效電容和電感。傳輸距離為100 mm，4個極板尺寸均為400×400 mm，逆變器工作頻率800 kHz左右，實驗參數見表2。

利用有限元仿真軟件COMSOL的電流模塊得出，耦合電容CM=12.25 pF。

實驗過程如下：

（1）根據圖7進行系統初、次級側電路LC補償，調整系統工作頻率，使系統初級側電壓及電流同相位。

圖7 雙邊LC補償結構等效電路

表2 實驗參數

（2）調節初級側系統輸入電壓，改變系統輸入功率，采用示波器測量對應的系統輸入電壓、電流值及負載上的電流值。

（3）系統效率計算。當輸入功率分別為26.34 W，35.34 W，43.34 W和48.28 W時，實驗結果見表3。系統效率為負載功率與電源輸入功率之比，系統效率均為86%左右。

表3 實驗結果

目前，美國圣地亞哥州立大學Chris Mi教授團隊采用雙邊LC補償電路，已完成千瓦級的CPT實驗樣機研制，效率在90%左右，極大促進了CPT技術的發展。目前，國內應用CPT技術，無線傳輸功率級別還停留在10 W以內，效率低于50%。

由于CPT技術采用電場耦合，中間介質為空氣，因此耦合電容很小，通常只有幾十pF，因此需要在高頻狀態下進行能量傳輸。本系統實驗難點主要集中在高頻逆變器及系統補償網絡設計兩方面。在實驗中，要確保高頻逆變器工作在高頻軟開關狀態，從而減少功率管損耗，增大初級側輸入電流的頻率；同時，采用合適的補償網絡，提高鋁板間的板間電壓，發射板在高壓、高頻交流電的作用下，與接收板形成交互電場，形成位移電流，從而實現大功率傳輸。在后續的研究中，將進一步提高逆變器頻率，選擇更合適的補償網絡，使系統達到千瓦級的能量傳輸。

5 結語

采用4塊電容鋁板的無線電能傳輸，傳輸距離為100 mm，電能傳輸效率約86%。相比于傳統的IPT無線電能傳輸系統，在結構上大為簡化，其耦合器的成本更低，說明CPT在電動汽車無線充電系統具有很好的應用前景。如果在高速公路上鋪設2個平行長鋁板，在電動汽車底盤加裝2個小鋁板，完全可以實現電動汽車行駛過程中的動態實時充電，解決目前電動汽車充電時間長的問題，必將促進電動汽車的大量普及與發展。