王麗芳朱慶偉，2李均峰，2郭彥杰

1（中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院電工研究所 北京 100190）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

電動(dòng)汽車無線充電用磁耦合機(jī)構(gòu)研究進(jìn)展

王麗芳1朱慶偉1，2李均峰1，2郭彥杰1

1（中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院電工研究所 北京 100190）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

發(fā)展電動(dòng)汽車是節(jié)能、環(huán)保和低碳經(jīng)濟(jì)的需求，而無線充電技術(shù)以其安全、便捷和低維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注，是未來電動(dòng)汽車供電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。磁耦合機(jī)構(gòu)是無線充電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電能無線傳輸最為關(guān)鍵的部件。文章介紹了近幾年來國(guó)際上電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)開發(fā)及其磁耦合機(jī)構(gòu)研發(fā)的最新研究進(jìn)展，包括電動(dòng)汽車無線充電實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的最新進(jìn)展，最后討論和總結(jié)了磁耦合機(jī)構(gòu)研究的難點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

電動(dòng)汽車；無線充電；磁耦合機(jī)構(gòu)；線圈；磁性材料

1 引 言

在環(huán)保和能源短缺的雙重壓力下，各國(guó)政府和各大汽車廠商都在積極推進(jìn)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而，由于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池成本一直居高不下，成組電池能量密度低導(dǎo)致電動(dòng)汽車的行駛里程有限，充電設(shè)施不健全，傳統(tǒng)插電式的充電方式笨重、不方便，并且在惡劣天氣狀況下存在一定的安全隱患，種種不利因素制約了電動(dòng)汽車的普及。

2007 年，麻省理工大學(xué)在美國(guó)《科學(xué)》雜志上發(fā)布了磁共振無線電能傳輸技術(shù)，通過 4 個(gè)線圈將 60 多瓦的能量傳輸?shù)?2 m 遠(yuǎn)之外的燈泡，在學(xué)術(shù)界引發(fā)了一陣研究無線電能傳輸技術(shù)的熱潮。無線電能傳輸技術(shù)主要分為感應(yīng)式能量傳輸和磁共振能量傳輸兩種，目前大功率的無線能量傳輸系統(tǒng)主要采用磁感應(yīng)方式。隨著研究的深入，大功率的無線電能傳輸裝置逐漸被開發(fā)出來，像 WiTricity［1］、Evatran［2］這種開發(fā)無線充電系統(tǒng)的新公司也應(yīng)運(yùn)而生，并開始推出各種無線充電產(chǎn)品，其中最有前景的當(dāng)屬針對(duì)電動(dòng)汽車應(yīng)用的無線充電系統(tǒng)。

將無線電能傳輸技術(shù)與電動(dòng)汽車充電結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)無線充電，能夠大大提高電動(dòng)汽車充電的方便性。用戶只需把車停在安裝有電能發(fā)送裝置的指定區(qū)域，充電即可自動(dòng)進(jìn)行；無線充電系統(tǒng)的發(fā)射裝置可埋設(shè)在車庫(kù)或停車場(chǎng)，不需要任何維護(hù)。無線充電在給電動(dòng)汽車使用帶來巨大方便的同時(shí)也能促進(jìn)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有望成為未來電動(dòng)汽車的充電方式。因此各大科研院所以及汽車巨頭紛紛加大了電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的研發(fā)投入。

本文針對(duì)電動(dòng)汽車用無線充電技術(shù)，對(duì)當(dāng)前國(guó)際上在無線充電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件——磁耦合機(jī)構(gòu)的研發(fā)方面的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)磁耦合機(jī)構(gòu)研究的難點(diǎn)和未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了討論和總結(jié)。

2 國(guó)外最新研究進(jìn)展

2.1 實(shí)驗(yàn)室研究方面

在千瓦級(jí)電動(dòng)汽車用無線充電系統(tǒng)磁耦合機(jī)構(gòu)研發(fā)方面，國(guó)外主要有新西蘭奧克蘭大學(xué)、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院、美國(guó)橡樹林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、密歇根大學(xué)、猶他大學(xué)和日本埼玉大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)投入了大量研究，提高了無線充電系統(tǒng)的效率，提出了一些結(jié)構(gòu)緊湊、適用于電動(dòng)汽車無線充電的設(shè)計(jì)方案。

為加快無線充電系統(tǒng)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域里的推廣應(yīng)用，新西蘭奧克蘭大學(xué)無線充電技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)的 Budhia 等［3］針對(duì)無線充電系統(tǒng)的磁感應(yīng)耦合機(jī)構(gòu)不斷進(jìn)行了研究和改進(jìn)。早期他們采用盤式圓形線圈加放射狀磁性材料的耦合機(jī)構(gòu)，開發(fā)了 2 kW 的無線充電系統(tǒng)。近年他們又提出了雙線圈并排的單側(cè)磁通型［4］磁感應(yīng)耦合機(jī)構(gòu)：將兩個(gè)串聯(lián)在一起的線圈并排排列，通過設(shè)計(jì)繞線方向使兩個(gè)線圈里的電流方向相反，條形磁性材料水平放置在兩線圈中點(diǎn)的連線上。此種線圈結(jié)構(gòu)被稱為 Double-D 結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱 DD 型線圈，這種單側(cè)磁通型耦合機(jī)構(gòu)能夠大大提高耦合系數(shù)。在 DD 型線圈的基礎(chǔ)上衍生出來了如圖 1 所示的DDQ 線圈，以及 Bipolar 線圈（BP）［5］，這幾種線圈間能夠相互兼容，可作為發(fā)射線圈或者接收線圈使用，獲得了優(yōu)于最初的圓形線圈耦合機(jī)構(gòu)的橫向偏移容忍度，大大提高了無線充電系統(tǒng)有效充電區(qū)域的范圍。

美國(guó)橡樹林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）Onar 等［6］從2009 年開始開展了電動(dòng)汽車用無線充電系統(tǒng)的研發(fā)工作：他們采用方形圓角線圈結(jié)構(gòu)，于 2013 年開發(fā)了輸出 6 kW 的電動(dòng)汽車用無線充電系統(tǒng)，系統(tǒng)工作頻率為 22 kHz，在 15 cm 傳輸距離時(shí)達(dá)到了超過 97% 的線圈效率。該系統(tǒng)由于 DC母線電壓（110 V）和輸出電壓均很低，而線圈電流及變換器電流均很大，因此 DC-DC 效率只有89%，實(shí)驗(yàn)室線圈如圖 2 所示。

圖1 新西蘭奧克蘭大學(xué) Boys 團(tuán)隊(duì)提出的幾種磁耦合機(jī)構(gòu)Fig. 1 Four types of magnetic couplers proposed by Boys from Auckland University

圖2 美國(guó)橡樹林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的線圈Fig. 1 Four types of magnetic couplers proposed by Boys from Auckland University

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院的 Moon 等［7］同樣采用方形圓角的線圈結(jié)構(gòu)開發(fā)了額定輸出功率為 6.6 kW的電動(dòng)汽車用無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的獨(dú)特之處在于他們采用了 3 線圈的耦合機(jī)構(gòu)（如圖 3 所示），在發(fā)射線圈里面內(nèi)嵌一個(gè)小的中繼調(diào)節(jié)線圈，提高了等效耦合系數(shù)，進(jìn)而提高了系統(tǒng)效率，在 20 cm 傳輸距離條件下獲得了超過 95% 的DC-DC 效率。與 ORNL 系統(tǒng)相比可知，該系統(tǒng)磁耦合機(jī)構(gòu)的尺寸比較大：發(fā)射線圈邊長(zhǎng)為80 cm，接收線圈為 60 cm，而且母線電壓為540 V，輸出電壓為 400 V，因此總體效率更高。

猶他大學(xué)的 Hu 等［8］研究人員也開發(fā)了 5 kW的無線充電系統(tǒng)，系統(tǒng)采用奧克蘭大學(xué)最早提出的圓形盤式線圈加放射狀磁性材料的磁耦合結(jié)構(gòu)，其發(fā)射端（接收端）的直徑略大于 80 cm，線圈與磁性材料的分布如圖 4 所示。還采用發(fā)射端、接收端雙端控制的控制策略，該系統(tǒng)在 20 cm的傳輸距離下獲得了 92% 左右的系統(tǒng)效率。

圖3 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院 Moon 提出的 3 線圈磁耦合機(jī)構(gòu)Fig. 3 The novel 3-coil magnetic coupler adopted by Moon from Korea Advanced Institute of Science and Technology

圖4 猶他大學(xué) Hu 采用的圓形線圈Fig. 4 Circular coil used by Hu from the University of Utah

另外，密歇根大學(xué) Mi 團(tuán)隊(duì)也采用了類似于奧克蘭大學(xué)提出的 DD 型線圈的磁耦合機(jī)構(gòu)，對(duì)所使用的磁性材料的形狀和數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)了如圖 5 所示的 DC-DC，效率超過 95%，輸出功率高達(dá) 8 kW 的電動(dòng)汽車用無線充電系統(tǒng)［9］。系統(tǒng)直流母線電壓為 420 V，輸出電壓為 500 V。

日本埼玉大學(xué) Takanashi 等［10］則采用兩個(gè)平行放置的 H 型磁芯，將線圈繞在磁芯中央構(gòu)成主磁通為水平方向的獨(dú)特的耦合機(jī)構(gòu)（如圖 6 所示），設(shè)計(jì)了 3 kW 的電動(dòng)汽車用無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)緊湊而且橫向偏移容忍度較高，其磁芯加線圈構(gòu)成的發(fā)送端（接收端）尺寸僅為 32 cm×30 cm×4 cm，在 20 cm 傳輸距離下獲得了 90% 的系統(tǒng)效率。

圖5 密歇根大學(xué) Chris Mi 開發(fā)的 8 kW 系統(tǒng)Fig. 5. The 8-kW wireless charging system developed by Chris Mi from University of Michigan

圖6 埼玉大學(xué)開發(fā)的 H 型耦合機(jī)構(gòu)Fig. 6 The H-type magnetic coupler developed in Saitama University

2.2 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

電動(dòng)汽車用無線充電系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用不僅局限在學(xué)術(shù)界，汽車行業(yè)巨頭也加緊開展了電動(dòng)汽車無線充電實(shí)用化的進(jìn)程。

豐田汽車聯(lián)合美國(guó) WiTricity 公司［1］，針對(duì)外插充電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）開發(fā)的無線充電系統(tǒng)于 2014 年 2 月在日本愛知縣內(nèi)啟動(dòng)了實(shí)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象車為 3 輛安裝了 WiTricity 開發(fā)的磁共振無線充電系統(tǒng)的 Prius 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，采用 2 kW 的充電功率，只需 90 分鐘電池即可將 4.4 kWh 的電池組充滿。該充電系統(tǒng)通過磁共振方式，利用安裝在地面的線圈（電力輸出端）與安裝在汽車上的線圈（電力接收端）兩組線圈之間的磁共振耦合傳輸電力。豐田還開發(fā)了相應(yīng)的智能泊車支持系統(tǒng)，以便引導(dǎo)駕駛員將汽車停在最佳位置使得地面線圈與車載線圈盡量對(duì)準(zhǔn)，保證較高的充電效率。在實(shí)驗(yàn)中，豐田將對(duì)無線充電系統(tǒng)的用戶滿意度和便捷性、日常使用時(shí)的停車位置偏移量分布、充電頻率及定時(shí)充電的運(yùn)用等對(duì)充電行為產(chǎn)生的影響等進(jìn)行驗(yàn)證［11］。實(shí)驗(yàn)所用的 WiTricity 公司的電動(dòng)汽車無線充電產(chǎn)品如圖 7 所示。

圖7 WiTricity 公司的電動(dòng)汽車無線充電產(chǎn)品Fig. 7 Electric Vehicle oriented wireless charging system produced by WiTricity Corporation

此外，著名汽車部件制造商博世（Bosch）也與 Evatran Group 合作開發(fā)了他們的無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)（Plugless Level 2 Electric Vehicle Charging System）［2］，如圖 8 所示。據(jù)稱該無線充電設(shè)備是美國(guó)市場(chǎng)上首款商業(yè)化的無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由地面發(fā)送器、車載適配器及地面操控面板組成，220 V 交流市電輸入，額定功率為3.3 kW。Bosch 公司在拉斯維加斯的消費(fèi)電子展上宣布將對(duì)前 250 名用戶提供 3 折優(yōu)惠，優(yōu)惠后該充電裝置售價(jià)約 2000 美元［12］。目前，該無線充電系統(tǒng)只適用于日產(chǎn) Leaf、雪佛蘭 Chevy Volt這兩款電動(dòng)汽車。同時(shí)，Evatran 宣布 2015 年將針對(duì)其他車型開發(fā)相應(yīng)的無線充電系統(tǒng)。

圖8 針對(duì) Chevy Volt 和 Nissan Leaf 的 Plugless Level 2 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)Fig. 8 Plugless Level 2 wireless charging system for Chevy Volt and Nissan Leaf produced by Evatran Corporation

3 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)在電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)用及實(shí)用化推廣方面相對(duì)較為落后，目前相關(guān)研究主要集中在中國(guó)科學(xué)院電工研究所、重慶大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研院所。企業(yè)在電動(dòng)汽車無線充電產(chǎn)業(yè)化的探索則尚未見報(bào)道。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出利用高磁導(dǎo)率平板磁芯繞制發(fā)射/接收線圈的方案，設(shè)計(jì)了 1.85 kW 的無線電能傳輸系統(tǒng)［13］；東南大學(xué)在無線充電與電網(wǎng)交互方面進(jìn)行了較為深入的研究；重慶大學(xué)在無線充電系統(tǒng)的恒流控制、負(fù)載檢測(cè)等方面取得大量研究成果，解決了一些電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)實(shí)用化過程中會(huì)遇到的實(shí)際問題。

南京航空航天大學(xué)陳乾宏等［14］也在無線能量傳輸方面開展了研究工作。為提高非接觸變壓器的耦合系數(shù)，同時(shí)減小其體積、質(zhì)量，提出了改進(jìn)的變壓器磁芯結(jié)構(gòu)及繞組排列方法，并結(jié)合電磁場(chǎng)仿真結(jié)果，提出新型非接觸變壓器的磁路模型，以此設(shè)計(jì)了邊沿?cái)U(kuò)展平面 U 型磁芯結(jié)構(gòu)，如圖 9 所示。該新型非接觸變壓器結(jié)構(gòu)可顯著降低非接觸變壓器的質(zhì)量，提高其耦合系數(shù)，并有助于改善變換器的效率，有望應(yīng)用在電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中。

中國(guó)科學(xué)院電工研究所對(duì)比研究了基于感應(yīng)耦合方式的非接觸充電技術(shù)和基于磁共振耦合方式的非接觸充電技術(shù)，在電動(dòng)汽車用無線充電系統(tǒng)線圈設(shè)計(jì)、電容參數(shù)設(shè)計(jì)［15］、磁場(chǎng)分析與屏蔽等方面進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了基于磁共振耦合方式的無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)額定功率為3.3 kW，傳輸距離為 20 cm，與轎車底盤高度相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)室條件下，該系統(tǒng)達(dá)到了 94% 的 DCDC 效率。在此基礎(chǔ)上，如圖 10 所示，針對(duì)北汽E150 完成了裝車試驗(yàn)，在電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與裝車應(yīng)用方面取得了初步的成果。

圖9 南京航空航天大學(xué)開發(fā)的平面 U 型磁耦合機(jī)構(gòu)Fig. 9 The U-type magnetic coupler developed in Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

圖10 電工所在北汽電動(dòng)車上開展無線充電系統(tǒng)裝車示范Fig. 10 Researchers from Institute of Electrical Engineering conduct wireless charging demonstration on the E-150 of BAIC Group

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)插電式充電方式相比，電動(dòng)汽車無線充電具有方便、安全和免維護(hù)的巨大優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)汽車用無線充電系統(tǒng)的研發(fā)已經(jīng)成為業(yè)界熱點(diǎn)，但是其產(chǎn)品化、商業(yè)化的進(jìn)程才剛剛開始，還有許多實(shí)際的工程問題需要解決，在未來幾年依然是行業(yè)熱點(diǎn)。

電動(dòng)汽車無線充電用磁耦合機(jī)構(gòu)是無線充電系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件，其研究難點(diǎn)與未來發(fā)展趨勢(shì)主要在以下幾個(gè)方面：

（1）通過優(yōu)化線圈、磁性材料結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高磁耦合機(jī)構(gòu)的耦合系數(shù)，提高系統(tǒng)效率，減小周圍磁場(chǎng)輻射。

（2）適用于電動(dòng)汽車無線充電應(yīng)用的高效磁場(chǎng)屏蔽技術(shù)。

（3）通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)或者結(jié)合電路控制進(jìn)一步提高磁耦合機(jī)構(gòu)對(duì)橫向偏移的容忍度，降低電動(dòng)汽車無線充電使用過程中對(duì)汽車泊車位置的要求，提高使用方便性。

（4）通過改進(jìn)磁耦合機(jī)構(gòu)提高無線充電系統(tǒng)對(duì)不同車型，不一致的車體環(huán)境的兼容性。

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State-of-Art of the Magnetic Coupler in an Electric Vehicle Oriented Wireless Charging System

WANG Lifang1ZHU Qingwei1，2LI Junfeng1，2GUO Yanjie1

1（ Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drives， Institute of Electrical Engineering， Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190， China ）

2（ University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China ）

On demand of a sustainable， green， and low-carbon economy development， there is a worldwide stimulation on the progress of Electric Vehicle （EV） industry. The wireless charging technique， embodying advantages of convenience，safety and low-maintenance， has been gaining interests from both the academia and industrial community. It is promising to be the future trend for the EV charging technology. And the magnetic coupler which enables wireless charging is the most essential part in a wireless charging system. In this paper， the latest research progress in the development of EV oriented wireless charging system， especially the magnetic coupler， which is the most important unit， was reviewed internationally. Besides， the pioneering deployments and commercializing trial of the wireless charging system using EV was highlighted as well. At last， challenges to be addressed and perfections to be made in the near future on the magnetic coupler were summarized.

electric vehicle； wireless charging； magnetic coupler； coil； magnetic pad

TM 910.6 U 469.72

A

2014-10-29

2014-11-17

王麗芳（通訊作者），研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車能量管理及其充電技術(shù)，E-mail：wlf@mail.iee.ac.cn；朱慶偉，博士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)；李均鋒，博士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車無線充電技術(shù)；郭彥杰，博士，助理研究員，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車無線充電技術(shù)及電磁兼容技術(shù)。