電動汽車無線充電研究進展 ①

齊麗媛，熊 江，王 瑞，武 娟

(重慶三峽學院信息與信號處理重點實驗室，重慶 萬州 404100)

1 引言

近年來，節能減排已經成為全球關注、探索的話題，對新能源的充分利用，是低碳經濟發展的關鍵性技術[1]。電動汽車(Electric Vehicles，EV)是實現低碳出行、節能減排的重要渠道。在電動汽車的推廣應用中，充放電設施建設作為重要的前提與基礎，引起了廣泛的關注。生活中隨處可見的各種導線，不僅影響美觀，線路的老化、外露也留下了許多的安全隱患[2]。電動汽車如何通過有效的技術突破充電阻礙、提高環保性和安全性，成為電動汽車的重要研究方向[3]。無線電能傳輸的方式，恰好彌補了EV充電的不足，它將成為啟動整個市場的關鍵。

電動汽車無線充電指在通過無實體導線連接的情況下，借助疏松變壓器耦合裝置，將電能以無線的形式傳輸給汽車充電[4]。有線充電中，外露的充電樁易受污染，受充電樁數量限制充電的汽車數有限；無線充電則恰好彌補有線充電的不足，該充電結構是將電源和變壓器隱蔽在地下無外露的端口，符合美觀的要求也避免了漏電、跑電等安全隱患。

EV無線充電方式主要有：感應耦合式與磁耦合諧振式[5]。本文首先針對這兩種主要的無線充電方式進行了概述；隨后詳細介紹了線圈模型及諧振網絡的研究進展；最后，對該項技術今后的發展做了總結和展望。

2 電動汽車無線充電工作原理

2.1 電動汽車無線充電結構

無線充電技術主要借助疏松變壓器耦合裝置，實現發射端與接收端之間無導線連接即可傳輸電能[6]。原邊線圈與副邊線圈分別置于地下和汽車底盤，以實現發射端與接收端無接觸的電能傳輸。電動汽車無線充電技術中，充電系統的3個重要組成部分是：發射機(初級線圈)、接收機(次級線圈)、電源側發射端和電動汽車側接收端[7]。

2.2 電磁感應工作原理

EV無線充電領域里，電磁感應是主要應用的充電方式之一[8]，其系統結構如圖1所示。電磁感應式充電指在發射端和接收端均安裝線圈，再給原邊線圈流經額定頻率的交流電(AC)信號，使得副邊線圈感應出相應電流，實現無接觸的兩端能量傳輸[9]。感應式無線充電中，傳輸功率一般可達幾百瓦，傳輸距離10 cm以內，但該充電方式抗偏移能力較低，即對系統兩側的相對位置要求高，若位置偏差增大，傳輸效率也會明顯降低[10]。

圖1 電磁感應系統結構Fig.1 Electromagnetic induction system structure.

2.3 磁耦合諧振工作原理

磁耦合諧振式無線充電在無線充電領域中出現時間較晚，但憑借它自身的一些優勢，也成為了主要的無線充電方式之一。磁耦合諧振式充電原理：在同一時間向系統的發射端、接收端流經額定頻率交流電，以實現能量的交換[11]。磁耦合諧振式特點：傳輸距離可達到3～4 m、傳輸頻率高和系統抗偏移能力較強。充電系統的工作流程為：電源由電網流出，經整流電路將電源轉換成直流電信號，后流經高頻逆變電路將直流電(DC)信號轉化為高頻方波AC信號，當線圈原邊和副邊諧振頻率相同時，系統發生諧振實現有氣隙的兩端能量傳輸，系統結構如圖2所示。

圖2 磁耦合諧振系統結構Fig.2 Magnetic coupling resonance system structure.

3 關鍵技術分析及研究進展

3.1 傳輸線圈

電動汽車無線充電技術待增強的兩個主要性能：方便性、效率性。其中松耦合變壓器是該充電系統的關鍵組成部分，線圈結構又是松耦合變壓器的重要部分[12]，而線圈結構直接影響耦合系數，因此分析線圈結構對無線充電技術的發展有著重要意義。根據汽車能否在行駛過程中充電主要分為動態、靜態兩種充電方式[13]。不同的充電方式對線圈結構的要求也有不同。為了增大系統的耦合系數，提高充電效率，許多研究人員不斷改進線圈的結構。

靜態充電的線圈結構主要分為單邊繞組、雙邊繞組。其中典型的雙邊繞組結構有：2010年，奧克蘭大學在傳統基于圓形墊設計的耦合器上，提出了一種采用雙線圈結構的新型flux pipe線圈，在電路上利用兩線圈并聯的連接方式產生串聯的磁路。該新型的線圈結構使得拓撲結構的磁通路徑得到了顯著改善，從而使更高效、更緊湊的感應功率傳輸充電系統成為可能[14]。日本琦玉大學開發出一種新型3 kW變壓器，以使用新型H形磁芯和分離式初級電容器來滿足這些標準。該線圈結構緊湊，偏移容忍度高，但其用銅量較大，不利于系統效率的提升[15]。以上兩種線圈結構，漏磁現象較嚴重，雖可采用鋁板屏蔽，但會影響磁場分布，故在實際中較少運用這兩種線圈。

目前，平面螺旋線圈在單邊繞組中應用較多。典型的平面螺旋線圈結構有：奧克蘭大學提出了一種新型極化耦合器拓撲結構，稱為雙D(double-D,DD)線圈。傳統的圓形耦合器限制了耦合性能，其產生的磁場高度有限，而DD線圈提供的電荷區比圓形墊的電荷區大五倍。DD線圈克服了磁場高度的難題，提高了線圈相對位置的容忍度[16]。但由于DD線圈在耦合時可能出現磁場零點問題，因此該團隊在DD線圈之間增加了一個正交的線圈，構成雙D積分(double-D-quadrature,DDQ)線圈，如圖3所示。DDQ線圈比DD線圈具有更強的抗偏移能力，也解決了線圈耦合時可能出現的磁場零點情況，但DDQ線圈也有一系列缺點，如系統線材的使用量增加、需要兩電路整流電路等，這些會導致系統損耗增加。重慶大學在DD線圈的基礎上，提出了一種雙層雙D(double layer double D,DLDD)型線圈結構，并設計了相應的磁芯結構[17]。此外以DD線圈為基礎，一些學者提出雙極(bipolar pad,BP)線圈即指DD線圈重疊后的結構。BP線圈與DDQ線圈功能相似，且用銅量更低。

圖3 DDQ線圈結構Fig.3 DDQ coil structure.

動態充電方式彌補了靜態充電對車中電池的容量需求過大、充電頻繁等問題。動態充電系統的線圈結構以發射端的不同為基礎，分為分段式供電導軌和集中式供電導軌兩大類。動態充電中將發射側安置在地面上，具有通電長直軌道的特點，要求車輛具有不變的行駛路線，更適合公交、大巴充電。

3.2 諧振網絡

由于無線充電系統在實際應用中，常出現發射端線圈與接收端線圈間距過大或發生偏移錯位等情況，因此系統的漏電感將增大。而對于變壓器來說，副邊線圈的漏電感會減小電壓增益；原邊線圈的漏電感則會增大原邊線圈輸入電流與電壓之間的相位差，這會增大對發射端輸出能量的要求。為降低漏電感帶來的影響、提高系統傳輸能量的能力，可加入補償網絡(又稱諧振網絡)[18]。從諧振電容與諧振電感的鏈接方式來區分，基本的四種諧振網絡：串-串(Series-Series,S-S)、串-并(Series-Parallel,SP)、并-串(Parallel-series,P-S)、并-并(Parallel-parallel,PP)。諧振網絡中，原邊補償電容的作用是：實現諧振槽的輸入電壓與電流之間零相差，從而減小對原邊供電電源容量的需求。副邊補償電容則需與副邊線圈電感完全諧振，來達到提高系統向負載傳輸功率的性能。文獻[19-20]分別對四種基本諧振網絡的參數設定、輸入阻抗及系統傳輸效率等方面進行了深入的研究和整理。

除了上述4種基本諧振網絡外，LCL(inductor-capacitor-inductor)、LCC(inductor-capacitor-capacitor)、CCL(capacitor-capacitor-inductor)等復合型補償拓撲也越來越受到關注。文獻[21]提出了LCL型補償拓撲并在多負載無線充電系統中應用，該補償結構用于原邊補償時，可以更好的實現輸出電流與負載解耦，但也帶來了體積和成本增大的問題。為彌補LCL型補償結構的不足，美國密歇根大學提出了雙面LCC型補償拓撲，該補償結構的諧振頻率與兩個線圈之間的耦合系數無關，并且與負載條件無關，系統可以在恒定的頻率下工作[22]。實驗搭建了輸出功率高達7.7 kW的電動汽車無線充電系統，從直流電源到電池負載的傳輸效率達96%。雙面LCC型補償拓撲在穩態條件下也可等效為LCL電路。由于該電路能實現極高的系統效率，因此得到了廣泛應用。

4 結論與展望

4.1 結論

電動汽車無線充電技術，為解決汽車續航里程短這一缺陷提供了新的方案。本文從傳輸線圈、諧振網絡及電動汽車的應用實例三個方面，對當前的電動汽車無線充電主要研究熱點及最新進展進行了歸納和概述，并討論了該項技術有待解決的問題。可以看出，線圈和諧振補償網絡的設計與搭建已經趨于成熟，因此電動汽車無線充電技術將得到廣泛的應用與發展。

4.2 展望

電動汽車無線充電大范圍市場化運行后，可能出現以下問題需要研究和解決：

(1)系統抗偏移能力。雖然在諧振式無線充電的模式下，出現水平偏移略低的情況，仍可實現較高效率的能量傳輸。但電動汽車的總用電量很大，故所需效率應盡可能的提高，所以對系統的抗偏移能力提出更高的要求，這也是當前研究的熱點。

(2)成本與回報。EV無線充電的推廣依托于本金的雄厚度。如EV動態無線充電的方式，雖能彌補有線充電下行駛距離較短的缺點，但需要提前在地面鋪設發射端線圈軌道，前期投入的成本較大，而回收期較長。此時，政府以及其他企業共同投資顯得十分重要。