電動汽車動態(tài)無線電能傳輸技術研究與應用進展

徐冰　張文

摘 要：本文先是簡要介紹了動態(tài)無線電能傳輸系統在體重、功率、水平偏移量以及成本等諸多指標上的發(fā)展狀況以及電動汽車商業(yè)化應用進展，然后比較了國內外幾個重要研究機構在道路動力電動汽車系統參數和特性方面的技術研究進展，以期對電動汽車相關技術研究有所幫助。

關鍵詞：電動汽車;技術研究;進展

伴隨著生態(tài)環(huán)境保護政策壓力和新能源技術迅速發(fā)展帶來的新機遇，各大汽車廠商設計研發(fā)了各式各樣的電動汽車并及時推向市場，包括純電動、混合動力、道路動力等類型電動汽車。電池相關技術一直是制約電動汽車技術發(fā)展和商業(yè)化應用的最大障礙，近幾年出現的極速快充技術（充電時間小于5分鐘）由于技術穩(wěn)定可靠、成本較低可控成為廣受市場青睞的電池技術。無線電能傳輸技術采用無線式電能傳輸設備，其結構簡單、安裝及維護簡便，而且安全性較高，因此無線式道路動力電動汽車（RPEV）具有很強的發(fā)展前景。

RPEV能夠實現汽車行進時直接獲取動力能量，無需電池電能存儲。該技術的原理是據安倍定則和電磁感應定律可以知道，行駛中的汽車能量接收裝置與路面發(fā)射裝置產生電磁感應、產生電流用來充電或為電機直接供電。該技術的商業(yè)化難點在于如何將能量安全且高效地從路面?zhèn)魉徒o汽車。

路面軌道能量傳輸技術起源于美國Lawrence Berkeley實驗室，后續(xù)經過新西蘭、德國、韓國、英國、意大利等多個國家研究團隊持續(xù)從該項技術的各個方面進行專注研究，使得該項技術不斷發(fā)展進步。美國密歇根大學后來設計并制作了基于一次側多LCC諧振并聯無功補償技術的試驗樣機。國內要數重慶大學最先開展WPT相關技術研究，提出了分段控制軌道式技術;天津工業(yè)大學和哈爾濱工業(yè)大學分別提出基于磁耦合諧振技術和多一次側繞組并聯技術。

1 電磁感應電動汽車技術研究現狀

直到二十世紀八十年代無線電能傳輸技術才收到研究者的關注，其原理是在電磁感應耦合基礎上發(fā)展而來的，能夠實現20厘米范圍內進行高效率電能傳輸。

1.1 動態(tài)在線供電技術與靜態(tài)無線電能傳輸技術

動態(tài)在線供電技術以韓國KAIST研究團隊為代表，從2009年提出第一代概念汽車到在首爾大公園進行大量實驗僅用了半年時間，到2012年將OLEV巴士部署到KAIST校園和麗水世博試運行，近期已經在48公里線路上商業(yè)化。第4代OLEV技術提出了設備裝置模塊化概念，到第5代裝置寬度僅有4厘米實現在20厘米距離內傳送22kW電能，水平偏移量可以高達30厘米。此方案優(yōu)勢在于安裝方便、無需鋪設多余電線，但其需要較大激磁電流、漏感以及反電動勢、接收效率等仍然是亟需進一步優(yōu)化。

東京工業(yè)大學采用靜態(tài)WPT等效電路原理部署安裝了在13.5厘米距離內，工作頻率85kHz情況下輸出3kW電能，傳輸效率高達82%。但該方案雖然能應用到動態(tài)系統，但高速行駛會產生高能量波動以及部署成本高、難度大問題。

1.2 動態(tài)電動汽車無線供電系統

為了解決在線供電系統電能使用效率低的情況，重慶大學研究團隊研制了基于高壓傳輸、低壓激勵的電能發(fā)射線圈輸電方案，該方案能夠實現70米遠距離傳輸電能，但其中的電磁干擾輻射影響問題仍需繼續(xù)優(yōu)化，而且也存在組合線圈鋪設成本高、電能傳輸功率不穩(wěn)定等問題。

2 磁耦合諧振式電動汽車研究現狀

利用磁耦合諧振原理將電磁場作為無線電能傳輸沒接具有非輻射和高效率的優(yōu)勢、傳輸距離也能大幅提高。雖然該技術剛起步，且存在較多關鍵技術問題未解決，但因遠距離傳輸和磁輻射安全等優(yōu)勢在生物醫(yī)學、智慧交通以及電子消費市場前景一片大好。

2.1 一次側多發(fā)射線圈電容串聯結構

為了精簡WPT裝置，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）采用一側多發(fā)射線圈電容串聯裝置，在20kHz頻率情況下實現了2.2kW能量，傳輸效率達到了74%，實驗期間還通過加鋁將電磁輻射降到ICRIP標準以下。該方案具有廣泛適用性但轉化靈敏度、能量分配以及長距離鋪設問題仍需進一步研究。與此類似美國密歇根大學提出了一次側多LCC諧振結構并聯無功補償設計方案給EV動態(tài)供電，但該方案忽視了耦合多變以及電池問題，而且由于LLC拓撲模式匹配難度大導致成本增高。

2.2 多級繞組并聯無線電能傳輸技術

哈爾濱工業(yè)大學基于一次側多繞組并聯分段供電方案研發(fā)了多級繞組并聯無線電能傳輸技術方案，能夠實現在20厘米范圍內58kHz頻率下實現1.6kW功率，傳輸效率達到60%左右，但仍需要繼續(xù)優(yōu)化裝置耦合設備、提高功率和傳輸效率。

2.3 分組周期串聯螺旋耦合技術

分組周期串聯螺旋耦合技術是一種新型WPT技術，采用分離式結構，由天津工業(yè)大學提出并進行了樣機試驗。該方案雖然電能傳輸穩(wěn)定、效率較同類技術高，但整體效率仍然較低，磁屏蔽措施仍需進一步細化研究。

3 無線電能傳輸技術對比研究

本文主要研究了比較主流的5種無線電能傳輸技術，對比了傳輸性能、安全以及成本等方面參數，可以得出工作頻率提高會影響功率及器件性能高低。耦合線圈組合、磁場感應以及導軌設置都會影響電能高效傳輸和分配。市場上對動態(tài)無線供電設備的需求仍然表現在長遠距離、高效功率傳輸，電磁輻射安全以及小體積、低成本方面。

本文主要講述了動態(tài)無線電能傳輸技術研究進展，介紹了國內外幾個重要研究團隊對RPEV輸電技術的研究成果以及優(yōu)勢劣勢。當前商業(yè)方面對無人駕駛、輔助駕駛等技術需求較大，正是WPT模式電動汽車發(fā)展的機遇期，而動態(tài)WPT技術不但設計復雜度高，而且試驗要求也更為嚴格。世界范圍內的研究團隊積極響應商業(yè)需求，紛紛提出了RPEV技術解決方案并持續(xù)進行深入研發(fā)和實驗驗證，大大促進了WPT技術發(fā)展和進步。RPEV技術在進一步結合太陽能衛(wèi)星電站、無人駕駛等新興技術必將深刻地改變人們的生活方式。

作者簡介：徐冰（1988-），男，安徽人，碩士，工程師，研究方向：輪式車輛總體及驅動技術。