文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.039
中文引用格式： 張鑫，賈二炬，范興明. 電動汽車無線充電技術研究與應用探討[J].電子技術應用，2017，43(1)：148-151，155.
英文引用格式： Zhang Xin，Jia Erju，Fan Xingming. Discussion of research and application on wireless power transfer technology in electric vehicle wireless charge[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：148-151，155.
0 引言
汽車行業的迅速發展，在方便人類的同時也會對能源和環境帶來巨大的壓力。電動汽車(Electric vehicle，EV)能有效地緩解能源危機，減少環境污染，以其高效、節能、低噪聲、零排放等優點越來越受到各國政府和企業的重視，汽車的電氣化是未來發展的必然趨勢。另一方面，電動汽車的充電方式分為有線充電和無線充電。有線充電在電能傳輸過程中易產生火花，影響用電設備的壽命和安全，同時維護困難、靈活性較差，在雨雪等惡劣環境下充電困難[1]。而無線充電具有更高的靈活性和穩定性，能夠減少對電網沖擊的影響。同時還可以實現動態供電，這恰恰解決了目前電動汽車動力電池容量有限而導致續航能力不足這一關鍵技術問題[2]。利用無線充電技術可以實現人性化、智能化，同時還解決了接觸式充電在安全維護方面的問題[3]。因此，對電動汽車采用無線充電技術更加符合未來社會的發展方向。
本文在前人研究的基礎上，對電動汽車無線充電技術進行探討。首先介紹了三種常用的無線電能傳輸技術(Wireless Power Transfer，WPT)技術的傳輸機理。其次描述了三種技術在國內外的研究現狀，并對存在的問題及相應的解決措施進行總結。最后概述了WPT在電動汽車無線充電中的發展方向。
1 無線電能傳輸技術的分類
常見的WPT技術主要包括：感應耦合式、微波輸能式以及耦合諧振式三類[4]。
感應耦合能量傳輸(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)技術是利用松耦合變壓器，在變壓器一次側通入交變電流，通過電磁感應原理在變壓器二次側產生感應電流，實現電能的無線傳輸[5]。
耦合諧振無線能量傳輸(Magenetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT)技術基于近場強耦合理論，同樣以電磁場為媒介，通過發射線圈與接收線圈之間的耦合諧振作用，實現電能的無線傳輸[6]。由于該技術利用近場區的能量非輻射特性，使能量在具有相同諧振頻率的發射線圈與接收線圈之間來回傳遞，不同頻率的物體基本不受影響，導致該技術可以實現高效、相對ICPT技術較遠距離的能量傳輸。
微波輸能(Microwave Power Transfer，MPT)技術是通過微波功率發生器將直流電能轉換成微波能量，并由發射天線聚焦后向整流天線高效發射，微波能量經自由空間傳播到整流天線，并經過整流天線的整流濾波電路轉換為直流功率后給負載供電。該技術將能量直接從發射端傳送到接收端，傳輸損耗只有大氣損耗、雨衰和遮擋物損耗等[7]。表1對三種技術的特性進行概述。
WPT技術能否用于電動汽車的三個主要因素是：大功率、高效率和遠距離[8]。由表1可知：MCR-WPT的傳輸距離適中，對橫向偏移有更大的適應度[9]，是目前最被看好的用于電動汽車的無線充電的方式。ICPT雖然存在傳輸距離短，橫向偏移容差小的問題，但是由于該技術研究起步早，相對成熟，已經成功運用在了EV無線充電中。而MPT技術傳輸功率小，效率較低，在應用于電動汽車無線充電方面還需要進一步研究。
2 WPT在EV無線充電中的應用
電動汽車無線充電原理如圖1所示。具體原理是：從電網輸出的電能經過控制調理電路滿足系統的輸入電壓、輸入電流及工作頻率等的需要，而后經過發射線圈，利用WPT技術，將能量傳遞到接收線圈，在控制調理電路的處理下，轉換成適合給電動汽車動力電池充電的電壓、電流，從而實現電動汽車的無線充電。
2.1 ICPT在EV無線充電中的應用
新西蘭奧克蘭大學NAGENDRA G R等人最早將ICPT技術應用于EV中，在傳輸距離為20 cm時實現了10 kW的電動汽車無線充電系統，橫向偏移誤差可達到20 cm[10]。韓國科學技術學院SHIN J等人利用該技術實現了線上電動汽車(Online Electric Vehicle，OLEV)的無線充電，傳輸距離為26 cm，輸出功率為100 kW，傳輸效率達到80%，第一代線上電動汽車系統已經被商業化應用在首爾大公園[11]。東北電力大學劉闖等人搭建了一個5.5 kW的電動汽車無線充電系統，效率可達到95.73%[12]。雖然該技術取得了一定的進展，但是仍有問題需要解決。
WPT應用在電動汽車上的前提條件是傳輸距離最小不能低于20 cm[13]，而ICPT技術存在的最大問題就是傳輸距離小，一般該技術的傳輸距離不大于15 cm[14]。為此，韓國明知大學LEE J Y等人提出了一個適用于電動汽車的大間隙雙向無線能量傳輸充電器，通過利用PWM控制，保證系統可以在12～20 cm的距離下穩定的工作[15]。新西蘭奧克蘭大學BUDHIA M等人采用將線圈直徑增大到700 mm，實現了20 cm的無線能量傳輸[16]。其次，該技術橫向偏移容差小：當發射線圈和中心線圈不能完全對準時，系統的傳輸效率會迅速下降。針對該問題，劉闖等人通過合理設計雙LCL補償網絡參數，可將橫向偏移增加到12 cm[12]。韓國先進科技學院CHOI S Y等人提出采用不對稱的線圈結構將橫向位移增加到40 cm，可以滿足電動汽車無線充電需求[17]。西班牙薩拉戈薩大學VILLA J L結合串聯拓撲和并聯拓撲的優點，提出一種發射端串并補償，拾取端串聯補償的拓補結構，將錯位容差的范圍增大25%[18]。
在磁芯線圈參數設計方面，系統傳輸性能和空間尺寸、系統成本等因素相互制約。所以如何實現大功率高效率及小型化的系統設計一直是該技術研究的難點。西南交通大學馬林森等人綜合E型磁芯和U型磁芯的優點，提出了一種新型磁芯結構，能夠提高系統的效率和穩定性[19]。美國橡樹林實驗室，日本埼玉大學分別采用方形圓角線圈結構，H型磁芯結構實現了千瓦級別的無線能量傳輸[20-21]。
2.2 MCR-WPT在EV無線充電中的應用
MCR-WPT技術一經問世，就受到各國研究人員的廣泛關注。美國威斯康辛大學Sesung-Hwan Lee等人在工作頻率為3.7 MHz，傳輸距離為30 cm的條件下，實現了3 kW的無線能量傳輸，效率達到了95%[22]。馬來西亞多媒體大學UDDIN M K等人在工作頻率大于400 kHz，傳輸距離為20～30 cm的條件下，實現了大于3 kW的能量傳輸[23]。中國科學院電工研究所廖成林等人基于該技術設計的系統可實現3.3 kW的無線能量傳輸，傳輸距離為超過22 cm，與底盤高度相當[24]。東南大學黃學良教授課題組設計了約為3.5 kW的電動汽車無線充電系統，傳輸距離約為25 cm[25]。
MCR-WPT雖然優點很突出，但缺點也很明顯。在頻率方面主要存在著失諧[26]和頻率分裂[27]兩個問題。華南理工大學傅文珍等人指出受到電磁場環境、溫度的影響，以及工作過程中系統的傳輸距離和負載發生變化時，發射端的等效電感會發生變化，進而造成失諧[26]。為此，文中提出了采用鎖相環PLL控制方法。通過檢測系統輸入端電壓和電流，比較兩者間的相位進而產生誤差電壓，由該誤差電壓控制調節壓控振蕩器，使其輸出新的工作頻率來使系統重新達到諧振狀態。韓國三星高級技術研究所KIM N Y等人提出采用擾動分析法，選擇初始的工作頻率，然后以一定的步長迭代，搜尋能夠滿足一定傳輸效率的工作頻率，然后將搜索到的頻率設為系統新的工作頻率[28]。針對頻率分裂問題，哈爾濱工業大學呂玥瓏等人通過合理設計參數不同的線圈，能夠使系統無法滿足頻率分裂的條件，從而有效地解決頻率分裂問題[29]。日本東京大學BEH T C等人提出采用自動阻抗匹配方法，利用Γ型匹配電路，選用繼電器結合二進制電容的自動調節控制方法，將分裂的偶模式下的工作頻率調整到ISM頻段的13.56 MHz，提高系統在該頻率下的傳輸性能[30]。
MCR-WPT的兩線圈間傳輸效率高，但是受到驅動源損耗、開關損耗、渦流損耗、工作負載、阻抗匹配程度等多方面的影響，導致其整體效率并不高。中國科學院電工研究所陳德清等人通過研究系統的損耗模型，得出了當磁體結構成發射狀時系統的總損耗最小[31]。上海交通大學傅旻帆等人指出采用DC-DC變換，跟蹤靜態和動態下最優負載值，進而提高系統的輸出功率或傳輸效率[32]。另外韓國電氣研究院Kim Jung-Ho等人指出采用多線圈結構，能夠提高系統的耦合強度，進而提高傳輸效率[33]。
由于ICPT和MCR-WPT均是以電磁場為媒介，因此涉及到電磁安全問題。必須采取相應的措施來減弱或消除這些危害。東南大學陳琛等人指出在引入汽車金屬底盤后，能夠對磁場產生屏蔽作用，可很好地對人體進行保護[25]。韓國先進科技學院KIM S通過引入一個串聯連接了補償電容的諧振線圈來實現磁場屏蔽[34]。中國科學院電工研究所朱慶偉等人提出在發射裝置外沿加裝水平屏蔽帶的屏蔽方式，實驗證明了該方法的可行性[35]。
2.3 MPT在EV無線充電中的應用
MPT有很強的穿透效率，但是要求能量定向精確，能量利用效率低，且易受氣候條件影響。MPT多用于太陽能衛星、臨近空間飛行器等遠距離輸能，目前在低功率應用領域得到關注。為了將該技術應用于電動汽車無線充電中，人們進行了以下探索：
三菱重工開發了基于微波 WPT 的電動汽車充電系統，系統能量變換效率僅有38%。從2003年到2008年，日本京都大學與尼桑汽車公司合作，在工作頻率為2.45 GHz的條件下，開發了基于MPT技術的電動汽車無線充電系統，傳輸距離約為10 cm[36]。該校的OIDA A等人設計了越野車輛模型并對系統進行測試，系統的傳輸效率不到1%。為了改善性能，由原來的喇叭型天線改為拋物線型，效率雖然提高到了5%，但還是不能滿足實際工作需求[37]。由此可見，該技術在現階段存在的主要問題是傳輸效率太低。
3 EV無線充電未來發展的方向
為了能夠實現電動汽車無線充電的商業化，需要從以下幾個方面進行進一步研究：
(1)智能取電，能量加密。當多輛電動汽車同時進行無線充電時，需要將能量加密，對負載識別，考慮該給哪輛汽車充電，充多少電量的問題。只有經過識別認證的車輛，才能允許充電。
(2)有序充電。在無序充電的情況下，大量電動汽車的充電會加劇電網負荷波動，使電網能量損耗和經濟效益惡化，因此，采取合理的有序充電控制策略能有效地提高電網對大規模充電負荷的容納能力。
(3)智能導航系統。研發智能導航系統，引導電動汽車停泊或行駛在與發射裝置對準性較高的位置，既能經濟有效地利用電能，又能降低系統設計的難度和要求。
(4)新材料的應用。通過新材料的應用，減小系統的損耗，提高系統的輸出功率、傳輸效率，以及增大傳輸距離、降低錯位容差和方向性的要求，增強系統的適用度。
4 總結
對電動汽車采用無線充電更加符合未來社會的發展趨勢。本文主要介紹了三種WPT技術的工作原理及其在電動汽車無線充電中的應用并對在應用中存在的問題以及解決方法進行總結。希望通過本文的總結分析能為WPT技術在電動汽車無線充電中的研究與應用提供有益的參考。
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作者信息:
張 鑫，賈二炬，范興明
（桂林電子科技大學 電氣工程及其自動化系，廣西 桂林541004）