趙爭鳴 劉 方 陳凱楠

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電動汽車無線充電技術(shù)研究綜述

趙爭鳴 劉 方 陳凱楠

（電力系統(tǒng)及發(fā)電設備安全控制和仿真國家重點實驗室（清華大學） 北京 100084）

無線充電技術(shù)以其運行安全、靈活便捷和低維護成本等優(yōu)點，受到越來越多的關注，是未來電動汽車供電技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。本文從傳輸線圈結(jié)構(gòu)、諧振網(wǎng)絡及系統(tǒng)特性、電力電子變換器及其控制方法三個角度對當前的研究現(xiàn)狀和熱點問題進行了綜述，分析討論了亟待解決的問題及今后的發(fā)展趨勢。

電動汽車 無線充電 磁耦合諧振

0 引言

隨著全球環(huán)境和能源問題的日漸凸顯，發(fā)展和普及電動汽車等新能源汽車變得越來越重要。國內(nèi)外對于純電動汽車（Electric Vehicles, EV）和插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid EV, PHEV）的研究、產(chǎn)量和銷售也已逐步升溫。盡管電動汽車的發(fā)展得到了很多國家和政府政策的大力支持和鼓勵，其推廣還仍然面臨著諸多問題。其中，車載電池有限的能量密度和高成本是制約其發(fā)展的主要瓶頸之一。電池的能量密度遠遠不及汽油，必須經(jīng)常進行充電作業(yè)，每次充滿電都需數(shù)小時。目前主要有三種解決方案：更換電池、有線充電和無線充電。其中，更換電池的方案存在不同汽車品牌的電池不能互用、換電站需要儲備大量電池、建設成本和維護費用高等問題。對于有線充電，頻繁插拔易造成插座磨損、老化，產(chǎn)生電火花；線路破損會帶來漏電等安全隱患，對風暴霜凍天氣的適應性也較差。相比以上兩種方案，無線充電方案將發(fā)射線圈埋入地下，不占據(jù)地上空間且無外漏接口，具有運行安全、便捷靈活、維護成本低、用戶體驗好等優(yōu)點，受到了越來越多的關注。

按傳輸距離，無線電能傳輸可以分為短距離、中距離和遠距離三種[1]。迄今為止能夠?qū)崿F(xiàn)電能無線傳輸?shù)姆绞街饕形⒉?、激光、超聲波、電場耦合和磁場耦合等[2]。文獻[2]對以上五種方式進行了詳細的介紹和對比。微波和激光傳輸距離較遠，但效率很低，適用于諸如軍事、航天及空間太陽能電站等特殊場合。超聲波和電場耦合傳輸方式的傳輸功率較小。傳統(tǒng)磁耦合傳輸方式基于電磁感應原理，傳輸功率大，近距離傳輸效率較高，但對于距離較為敏感，適用于短距離傳輸。2007年麻省理工學院（MIT）的Marin Soljacic教授團隊研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射端和接收端加入調(diào)諧網(wǎng)絡后，可進一步提高傳輸距離[3]。磁耦合諧振式無線傳電技術(shù)使得系統(tǒng)在中等距離（傳輸距離幾倍于傳輸線圈的直徑）傳輸時，仍能得到較高的效率和較大的功率，且電能傳輸不受空間非磁性障礙物的影響，更適用于電動汽車大氣隙（15～45cm）、高效率（＞85%）和大功率（kW級）的技術(shù)需求[4]。

典型的電動汽車無線充電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]，包括電力電子變換器、諧振網(wǎng)絡、發(fā)射線圈、接收線圈、整流濾波和電池負載等部分。本文將針對無線電能傳輸技術(shù)在電動汽車充電中的實際應用，從傳輸線圈、諧振網(wǎng)絡和電力電子變換器及其控制策略等方面對目前的研究現(xiàn)狀和熱點問題進行綜述，并就其亟待解決的關鍵問題和未來的應用趨勢進行展望。

圖1 典型電動汽車無線充電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)[4]

1 傳輸線圈

傳輸線圈是無線充電系統(tǒng)中實現(xiàn)電能與場能相互轉(zhuǎn)化的元件?？紤]到高頻下的趨膚效應和鄰近效應會造成較大損耗，傳輸線圈通常用利茲線來繞制。利茲線采用多股極細的漆包線，結(jié)合特殊的編織方法，有效降低了趨膚效應和鄰近效應的影響。為提高線圈間耦合系數(shù)，減少漏磁，一般選用高磁導率的鐵氧體材料對傳輸線圈間的磁通路徑進行約束。此外，系統(tǒng)的傳輸特性還受到線圈形狀的影響。目前關于傳輸線圈的研究主要集中在提高線圈間耦合系數(shù)、提升系統(tǒng)抗偏移能力、保證周圍電磁環(huán)境安全等方面。

由于需要從功率電源取電，發(fā)射線圈通常安裝在地面，接收線圈緊貼于汽車底盤下方。根據(jù)充電過程中汽車是否處于靜止，主要分為靜態(tài)充電和動態(tài)充電兩類。

1.1 靜態(tài)充電

靜態(tài)充電中使用的線圈類型主要分為雙邊繞組和單邊繞組兩大類。其中，代表性的雙邊繞組結(jié)構(gòu)有奧克蘭大學研究小組提出的flux pipe結(jié)構(gòu)[6]和日本琦玉大學提出的H型結(jié)構(gòu)[7]。雙邊繞組在背面有磁場泄漏，雖可通過外加鋁板進行屏蔽，但產(chǎn)生的渦流損耗會降低系統(tǒng)效率，在實際中應用較少。

對于單邊繞組結(jié)構(gòu)，目前應用較為廣泛的是平面螺旋線圈[8]。為約束磁通路徑，進一步提升汽車停車過程中左右方向上的抗偏移能力（相比于前后方向，左右方向的偏移不方便調(diào)整），文獻[9]提出了DD線圈結(jié)構(gòu)。

對傳輸線圈，當偏移特定距離時，兩線圈之間的耦合會出現(xiàn)一個零點。為了解決這個問題，可在DD線圈之間增加一個正交的線圈，構(gòu)成DDQ線圈結(jié)構(gòu)[9]，如圖2所示。以此增加了DD線圈在行車前后方向上的抗偏移能力，但同時也增加了線材的使用量。此外也有學者提出將DD線圈部分重疊，構(gòu)成BP線圈，在減少銅用量的同時，實現(xiàn)與DDQ類似的功能[10]。

圖2 DDQ線圈結(jié)構(gòu)[8]

韓國科學技術(shù)院（KAIST）的Chun T. Rim教授團隊所提出了的大小線圈（asymmetrical coils）結(jié)構(gòu)[11]，作者所在研究團隊將大小線圈結(jié)構(gòu)應用于30kW電動大巴車無線充電系統(tǒng)中，較大地提升傳輸線圈的抗偏移能力，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 大小線圈結(jié)構(gòu)

1.2 動態(tài)充電

動態(tài)充電（On-Line Electric Vehicles, OLEVs），即汽車在行駛過程中充電，能降低車載電池容量和整車質(zhì)量。動態(tài)充電的傳輸線圈依據(jù)發(fā)射端的不同，主要分為兩種結(jié)構(gòu)，即集中式供電導軌模式（見圖4）和分段式供電導軌模式，其接收端是安裝在汽車底部的接收線圈。發(fā)射端通常為一條固定在地面上的通電長直軌道，由利茲線橫穿W型或U型的鐵氧體構(gòu)成[12]。

圖4 集中式導軌電動汽車無線充電系統(tǒng)[13]

文獻[14]提出了I型結(jié)構(gòu)，能進一步減小導軌體積，提升鋪設線圈的便捷性，降低成本。文獻[13]提出的S型結(jié)構(gòu)線圈較之I型結(jié)構(gòu)能進一步提升系統(tǒng)的抗偏移能力。兩種結(jié)構(gòu)如圖5所示。

（a）S型導軌[13] （b）I型導軌[14]

圖5 集中式導軌截面示意圖

Fig.5 Profiles of lumped power supply rail

汽車行駛過程中，由于接收線圈僅能與單一長直軌道的部分區(qū)域發(fā)射耦合，耦合系數(shù)下降，傳輸效率較低，故也采用由多個沿軌道串行布置發(fā)射線圈（分段供電導軌模式）[15]。每段導軌上的發(fā)射線圈由對應的變換器單獨供電，當汽車沿路面駛過，對汽車取電軌道上對應的線圈通電，從而實現(xiàn)在行駛狀態(tài)中充電。

1.3 電磁環(huán)境與異物檢測

面向?qū)嶋H應用的無線充電系統(tǒng)，既要考慮其對對周圍環(huán)境的友好性，又要兼顧系統(tǒng)對周圍環(huán)境的適應性。充電系統(tǒng)運行時會在傳輸線圈周邊區(qū)域激發(fā)高頻交變電磁場，因此有必要評估電磁輻射對周圍生命體和電子設備的影響。針對生物安全性，目前主要以仿真分析和實驗測試為主[16]，借助電磁波比吸收率（Specific Absorption Rate, SAR）分析電磁輻射對人體的影響[17]。當前國際上對于電磁暴露限值主要有ICNIRP制定的《限制時變電場、磁場和電磁場暴露的導則》和IEEE制定的《處于射頻電磁場3kHz～300GHz人體安全等級》。我國也陸續(xù)出臺了一系列與電磁安全相關的法規(guī)和標準。各類標準關于電磁和磁場強度的限值對無線充電系統(tǒng)的參數(shù)設置、系統(tǒng)在電動汽車上的安裝位置和底盤的改裝都能起到指導和約束的作用。除對生物體的影響評估外，關于無線充電系統(tǒng)對外界電子設備干擾問題研究則較少。

在實際應用中，無線充電系統(tǒng)難免會受到外界電磁干擾或周圍掉落異物的影響。文獻[18]對有源干擾和無源干擾進行了分析。文獻[19]仿真分析了不同位置的鐵質(zhì)障礙物對系統(tǒng)周圍磁場的影響。筆者所在研究團隊對傳輸線圈間不同位置、不同形狀、不同材質(zhì)的異物溫升進行了測試，如圖6所示。文獻[20,21]對金屬異物檢測的方法進行了研究。

圖6 線圈間及周邊金屬異物溫升測試

2 諧振網(wǎng)絡及系統(tǒng)建模

2.1 諧振網(wǎng)絡

無線充電系統(tǒng)中傳輸線圈間是松耦合，因此需要加入諧振網(wǎng)絡來減小系統(tǒng)無功，提升傳輸效率。諧振網(wǎng)絡又稱補償網(wǎng)絡，通常其與傳輸線圈的自感發(fā)生諧振，進而起到提升傳輸效率，改變輸入輸出特性等作用。目前主要有串聯(lián)（Series, S）補償，并聯(lián)（Parallel, P）補償和串并聯(lián)（LCL）補償及其他一些在此基礎上衍生的補償網(wǎng)絡。

對于一次側(cè)，S型拓撲可直接與電壓源型逆變器連接，輸入阻抗較低，損耗小，易實現(xiàn)電壓反饋調(diào)節(jié)。P型拓撲需要電流源供電，且易受擾動，在實際中應用較少。LCL型拓撲則能使發(fā)射線圈的電流呈現(xiàn)出恒流源特性[22]，適用于多負載傳輸?shù)那闆r。

圖7所示為常用的六種補償網(wǎng)絡的拓撲電路。表1列出了這六種補償結(jié)構(gòu)在一次、二次側(cè)均諧振的情況下系統(tǒng)的輸出特性。圖7中，為傳輸線圈間互感；1、1、2、2分別為發(fā)射、接收線圈的電感和等效電阻；、、、分別為一次側(cè)、二次側(cè)的諧振電容和諧振電感；L為負載電阻；為電源電壓；2為二次側(cè)的諧振角頻率。

（a）SS （b）LCL-LCL

（c）S-LCL （d）LCL-S

（e）SP （f）LCL-P

圖7 補償網(wǎng)絡

Fig.7 Basic compensation network

對于二次側(cè)，S型拓撲能夠獲得類似恒壓源的輸出特性，P型拓撲則能夠獲得類似恒流源的輸出特性[23]，LCL型拓撲能進一步實現(xiàn)輸出電流與負載的解耦，同時避免二次側(cè)發(fā)生短路故障時對一次側(cè)造成的過電流問題。

在LCL諧振的基礎之上，文獻[24]提出了LCC諧振網(wǎng)絡，即在發(fā)射線圈支路上額外串入電容。該電路穩(wěn)態(tài)條件下可等效成為LCL電路[25]，通過合理選擇串入的電容值來調(diào)整發(fā)射線圈上的電流，同時可以隔離電源側(cè)的直流分量，避免傳輸線圈的直流磁化。

表1 諧振網(wǎng)絡輸出特性比較

Tab.1 Comparison of output characteristics of resonant network

除諧振網(wǎng)絡的輸出特性外，目前已有大量文獻對不同的諧振方式和補償網(wǎng)絡的一次側(cè)電容[26]、穩(wěn)定條件[27]、輸入阻抗[28]及系統(tǒng)傳輸效率優(yōu)化方 法[29,30]等方面進行了深入的研究。

2.2 系統(tǒng)特性

2.2.1 穩(wěn)態(tài)模型

穩(wěn)態(tài)條件下磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的建模已較為成熟，目前主要有三種理論：帶通濾波器理論、耦合模理論、互感理論。國內(nèi)外理論研究多以后兩種理論為主[31,32]，主要針對電阻型或阻感型負載進行建模。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型能定量分析穩(wěn)態(tài)條件下各系統(tǒng)參數(shù)對于傳輸功率、效率的影響，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)設計?？紤]到實際充電系統(tǒng)通常帶電池負載運行，文獻[33]建立了含電壓源型負載的無線充電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型并分析了各系統(tǒng)參數(shù)對傳輸性能的影響。文獻[34,35]借助穩(wěn)態(tài)模型對兩線圈和四線圈傳輸結(jié)構(gòu)的頻率分裂現(xiàn)象進行了研究。

2.2.2 動態(tài)模型

現(xiàn)有無線充電系統(tǒng)的控制方法大多基于上述穩(wěn)態(tài)模型進行設計，對于啟動、負載突變、停機等暫態(tài)過程的適用性較差。建立系統(tǒng)的動態(tài)模型有助于分析各個元件在暫態(tài)過程中受到的電應力及系統(tǒng)在開路、短路情況下的過電壓、過電流問題，進一步提升系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。SS諧振網(wǎng)絡的等效電路如圖8所示。目前主要是借助微分方程來刻畫充電系統(tǒng)動態(tài)行為，式（1）給出了SS諧振網(wǎng)絡的數(shù)學模型。

圖8 SS諧振網(wǎng)絡等效電路

不同諧振網(wǎng)絡的數(shù)學表達略有差異，隨無源元件的增加系統(tǒng)方程趨于復雜化。文獻[36]基于狀態(tài)空間方法建立了LCLC-LCLC線圈結(jié)構(gòu)相應的動態(tài)模型，其等效電路如圖9所示，其數(shù)學模型為

圖9 LCLC-LCLC諧振網(wǎng)絡等效電路

電力電子變換器的接入使得系統(tǒng)具有了非線性的特征，給系統(tǒng)整體動態(tài)模型的建立造成了困難?；谑褂脙蓚€慢狀態(tài)量來反映一個快狀態(tài)量的思想，廣義狀態(tài)空間平均法[37]、拉普拉斯變換法[38]和擴展函數(shù)描述法[39]分別被用于建立系統(tǒng)的非線性模型。相比于穩(wěn)態(tài)條件下的相量模型，這些方法得到模型的階數(shù)往往較高。文獻[40]利用耦合模理論和平均化的思想降低了模型階次。

無線充電系統(tǒng)往往運行在高頻狀態(tài)，對控制器的計算能力和采樣裝置的采樣率有較高要求，因此，有必要建立不同時間尺度下系統(tǒng)的動態(tài)模型，在保證系統(tǒng)動態(tài)性能的同時，降低系統(tǒng)采樣頻率，簡化控制策略。

3 電力電子變換器及其控制策略

與常規(guī)有線充電樁相比，電動汽車無線充電系統(tǒng)采用傳輸線圈替代了前者的隔離變壓器，其在電力電子電源及控制策略方面與前者既有相似之處，又有不同，具體表現(xiàn)在：①后者的發(fā)射端與接收端間存在較大氣隙，傳輸線圈工作在高頻諧振狀態(tài)；②控制策略的設計需考慮傳輸線圈間的數(shù)學模型；③一次、二次側(cè)間既有電氣隔離，又有信息隔離。完整的無線充電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖10所示，為降低系統(tǒng)損耗成本，實際中會做相應合并和簡化。

圖10 電動汽車無線充電系統(tǒng)主電路

3.1 單向傳輸系統(tǒng)

單向傳輸系統(tǒng)即指能量僅能從電網(wǎng)流向車載電池，而無法進行能量回饋的系統(tǒng)。其典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常為：電網(wǎng)經(jīng)整流后，經(jīng)過DC-DC環(huán)節(jié)調(diào)壓，由逆變環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成高頻交流電并通過傳輸線圈輸送到接收端，再經(jīng)不控整流、負載匹配及濾波等環(huán)節(jié)給車載電池充電。傳輸系統(tǒng)的控制主要實現(xiàn)調(diào)節(jié)傳輸功率和保證傳輸效率兩個目的。針對系統(tǒng)中不同的變換器，對應有不同的控制策略。

3.1.1 基于DC-DC變換器的控制方法

常用的DC-DC變換器包括Buck、Boost、Cuk和Buck-Boost電路。通常用一次側(cè)DC-DC調(diào)節(jié)高頻逆變器的母線電壓，進而控制系統(tǒng)傳輸功率，二次側(cè)DC-DC主要起到調(diào)節(jié)充電電流或?qū)崿F(xiàn)阻抗匹配的作用。文獻[41]提出了由二次側(cè)DC-DC跟蹤BMS（battery management system）的電流指令，一次側(cè)DC-DC采用基于擾動觀察法尋優(yōu)系統(tǒng)傳輸?shù)淖畲笮庶c的方法。

圖11 最大效率跟蹤控制算法示意圖[39]

基于DC-DC變換器的控制策略具有調(diào)節(jié)功率范圍寬、控制可靠等優(yōu)點，但該控制方法增加了一級電能變換，因此增加了系統(tǒng)的體積、成本和復雜度，降低了系統(tǒng)的整體效率。為此，文獻[42]提出基于自由振蕩和能量注入控制的AC-AC變換器，省去直流環(huán)節(jié)，減少了變換器的功率損耗。此外，也可將一次側(cè)整流環(huán)節(jié)與直流環(huán)節(jié)合并成三相可控整流，既實現(xiàn)了功率因數(shù)校正，又能在一定范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)母線電壓來調(diào)節(jié)傳輸功率。

3.1.2 基于一次側(cè)高頻逆變器的控制方法

一次側(cè)高頻逆變器通常采用全控型H橋，其恒頻控制主要有PWM控制和移相控制方式。PWM控制中處于對角線的兩個開關管驅(qū)動波形相同，由于工作在硬開關狀態(tài)，開關損耗較大，且可能產(chǎn)生較強的電磁干擾，影響系統(tǒng)的可靠性[43]。

移相控制中所有開關管占空比均為50%，同一橋臂上、下開關管互補導通，對角線的兩個開關管驅(qū)動波形相差移相角。可通過調(diào)節(jié)移相角來調(diào)整傳輸線圈上電流大小，進而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出功率。通過移相控制策略來控制系統(tǒng)的輸出功率不需要增加額外的硬件電路，且一次側(cè)諧振時，在180°移相角情況下能實現(xiàn)零電壓開關，是目前較為常用的控制方式之一。

磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的傳輸功率與系統(tǒng)工作頻率密切相關，也可以改變傳輸線圈中電流頻率對傳輸功率進行調(diào)節(jié)。設計調(diào)頻控制策略時，需考慮頻率分裂現(xiàn)象[44]，合理選取工作頻率范圍?；谡{(diào)頻的控制方式簡單可靠，易于實現(xiàn)，但由于偏移線圈諧振頻率時，系統(tǒng)效率下降較快，該方法常用在傳輸功率較小且調(diào)頻范圍不大的系統(tǒng)中。

3.1.3 基于諧振網(wǎng)絡參數(shù)的控制方法

系統(tǒng)傳輸功率受諧振網(wǎng)絡參數(shù)的影響較大，可串聯(lián)電感矩陣或并聯(lián)電容矩陣構(gòu)成參數(shù)可調(diào)的諧振網(wǎng)絡[45]，通過調(diào)整電路參數(shù)實現(xiàn)對系統(tǒng)功率的調(diào)節(jié)。但該方法功率調(diào)節(jié)范圍不連續(xù)，控制精度不高，存在系統(tǒng)體積偏大、成本高等問題。

無線充電系統(tǒng)中一次、二次側(cè)之間無物理連接，電流、電壓等信息需要通過Wi-Fi或藍牙等無線通信的方式實現(xiàn)交互。無線通信存在延時問題，且在極端電磁環(huán)境下可靠性降低，給系統(tǒng)控制帶來了困難，因此也會采用發(fā)射端和接收端分別獨立控制的方法。文獻[46]提出了一種通過控制一次側(cè)逆變器調(diào)節(jié)傳輸功率的方法，二次側(cè)僅保留不控整流和濾波電路，降低了成本和體積，提高了系統(tǒng)可靠性，其算法框圖如圖12所示。

此外，混合靈敏度∞控制器[47]、滑?？刂破骷盎Ｔu估函數(shù)[48]等方法也被應用于無線充電系統(tǒng)中用于提高系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。

圖12 一次側(cè)控制算法[46]

3.2 雙向傳輸系統(tǒng)

相對于有線充電，無線充電系統(tǒng)以其無需插拔、即停即充、靈活便捷等特點，適用于V2G（vehicle to grid）的應用，實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)的能量雙向流動，在電網(wǎng)的削峰填谷、空載備用、調(diào)節(jié)峰值功率、自動發(fā)電控制等方面有很強的優(yōu)勢。無線電能雙向傳輸?shù)南到y(tǒng)中，一次、二次側(cè)的高頻逆變器均采用全控型H橋。為保證系統(tǒng)對電網(wǎng)的友好性，一次側(cè)與電網(wǎng)之間通常增設一級AC-DC變換器，實現(xiàn)功率因數(shù)校正（Power Factor Control，PFC）和能量回饋。

圖13 雙向無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙向傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)拓撲、可控量以及工作模態(tài)與單向傳輸系統(tǒng)均有所區(qū)別，因此首先需要對其系統(tǒng)建模進行研究。文獻[36,49]分別針對基于CLCL補償拓撲的雙向傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型進行了研究，之后文獻[50]又將上述動態(tài)模型擴展到了多接收端系統(tǒng)。

與單向傳輸系統(tǒng)相比，雙向傳輸系統(tǒng)對系統(tǒng)參數(shù)和控制變量更加敏感，相應的控制更加復雜，需要更好的魯棒性和適應性。雙向系統(tǒng)傳輸功率的大小和方向可通過傳輸線圈上電壓的幅值和相位進行調(diào)節(jié)[51]。傳統(tǒng)控制方法通過改變二次側(cè)變換器的移相角來調(diào)節(jié)功率，一次側(cè)變換器則負責控制輸入電流的大小。文獻[52]建立了系統(tǒng)整體損耗模型，提出一種減少線圈損耗的移相調(diào)制方法。文獻[53]將同步整流技術(shù)應用于雙向傳輸系統(tǒng)中，減小了開關損耗和EMI干擾。文獻[54]結(jié)合無線充電的特點，提出一種頻率-功率下垂控制方法，該方法不依賴一次、二次側(cè)的通信，降低了成本。

在雙向無線傳輸系統(tǒng)中，由于一次、二次側(cè)均需要對變換器進行主動控制，其控制信號同步成為一個難以回避的問題。由于無線傳輸系統(tǒng)的特殊性，一次、二次側(cè)通常無法采用有線通信，而無線通信在通信帶寬、延遲、成本、可靠性等方面均有所限制。對此，有學者提出利用在二次側(cè)放置輔助線圈的方式解決一次、二次側(cè)信號同步的問題[55]。輔助線圈產(chǎn)生的感應電動勢同時受一次線圈電流和二次線圈電流所建立的磁場的影響，通過檢測輔助線圈的感應電動勢，將其減去與二次線圈電流相耦合的部分，即可得出一次線圈電流的相位信息。

此外，近年來亦有文獻對雙向無線傳輸系統(tǒng)的效率優(yōu)化控制[56]、控制參數(shù)設計[57]、變換器拓撲改進[58]等方面展開了研究。目前對于雙向傳輸系統(tǒng)的研究大多集中于傳輸線本身的優(yōu)化設計和控制策略等方面，尚未研究電網(wǎng)電壓不平衡等暫態(tài)過程對充電系統(tǒng)造成的影響及功率反向流動時的并網(wǎng)策略等問題，未來研究應關注傳輸系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的交互方法。

電動汽車充電站地理分布廣泛，充電負荷在時空上不均勻，把電動汽車視作移動的蓄電池用于消納或儲存風電、光伏等間歇性能源，有助于提高能源系統(tǒng)整體運行的經(jīng)濟和環(huán)境效益[59]，面向分布式微電網(wǎng)應用的電動汽車無線充電模式也是今后的研究熱點之一。

4 待研究問題及發(fā)展趨勢

在傳輸結(jié)構(gòu)方面，如何提升系統(tǒng)抗偏移能力一直是當前研究的熱點。目前關于無線傳輸系統(tǒng)的方向性問題研究較少，對于系統(tǒng)偏移角度、偏移距離與傳輸效率之間的定量關系，仍未得到一致的結(jié)論。對傳輸線圈間電磁場中的功率隨時間變化的規(guī)律及其與系統(tǒng)參數(shù)之間的關系，還需要進一步的理論研究。深入分析空間功率密度分布及傳遞機理，有助于更好地控制能量傳輸方向，提高傳輸效率，合理約束空間電磁場，保證周圍電磁環(huán)境安全[60]。傳輸線圈形狀的優(yōu)化，新材料的應用，線圈與汽車底盤的合理裝配等對于提高系統(tǒng)傳輸效率和實現(xiàn)較好的電磁屏蔽具有重要意義。

不同諧振網(wǎng)絡穩(wěn)態(tài)條件下輸入、輸出特性的研究已較為成熟，但對于短路和開路等特殊工況下不同諧振網(wǎng)絡中電壓、電流變化關系的研究較少。傳輸系統(tǒng)在啟動、負載突變、切負荷等暫態(tài)過程中的響應特性缺乏定量的描述。建立不同諧振網(wǎng)絡及整體系統(tǒng)的動態(tài)模型有利于更好地對系統(tǒng)的動態(tài)行為進行控制，分析暫態(tài)過程中系統(tǒng)各個部分的電應力，設定合理的保護閾值，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

電力電子變換器的接入給傳輸系統(tǒng)帶來了非線性特征，使得系統(tǒng)性能對參數(shù)變化更加敏感，控制方法更加復雜。系統(tǒng)性能的進一步提升，很大程度上依賴電力電子變換器的設計與優(yōu)化，以及相應控制方法的改進和創(chuàng)新。結(jié)合無線傳輸?shù)奶攸c，設計并研制高功率因數(shù)、低輸入阻抗、電路參數(shù)兼容性高的電力電子變換器，提出并采用更加先進和精確的控制方法，是當前及今后研究的主要方向之一。

雙向無線電能傳輸技術(shù)為電動汽車參與到電網(wǎng)調(diào)度，實現(xiàn)與分布式微電網(wǎng)的友好融合提供了極大的便利?；赩2G的電動汽車無線充電系統(tǒng)的優(yōu)化設計、相應控制方法及與電網(wǎng)間交互策略的研究是今后研究的熱點問題。

5 結(jié)論

本文綜述了目前電動汽車無線充電技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展，從傳輸結(jié)構(gòu)、諧振網(wǎng)絡及系統(tǒng)建模、電力電子變換器及其控制策略三個方面，歸納和概述了當前的主要研究熱點及最新進展，討論了該項技術(shù)有待研究的問題以及發(fā)展趨勢。關于電動汽車無線充電技術(shù)，目前仍有很多基礎理論和關鍵技術(shù)有待解決，如系統(tǒng)抗偏移能力、諧振網(wǎng)絡及整體系統(tǒng)的動態(tài)模型、基于V2G的電動汽車無線電能雙向傳輸系統(tǒng)優(yōu)化設計等，這些問題將成為未來電動汽車無線充電技術(shù)研究的主要熱點。

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New Progress of Wireless Charging Technology for Electric Vehicles

（State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments Tsinghua University Beijing 100084 China）

Wireless charging technology for electric vehicles (EV) has become more and more popular for its advantages of operation safety, flexibility, convenience and low cost. This paper reviews current researches and key points on the technology from the aspects of power transmission coils, compensation networks and power electronics converters as well as their control methods. Hot issues and the future of wireless charging technology are discussed in the end.

Electric vehicles, wireless power charging, magnetically coupled resonant

TM910.6；U469.72

趙爭鳴 男，1959年生，教授，博士生導師，研究方向為大容量電力電子變換器、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、無線電能傳輸?shù)取?/p>

E-mail: zhaozm@tsinghua.edu.com（通信作者）

劉 方 男，1990年生，博士研究生，研究方向為電力電子變換器控制和無線電能傳輸。

E-mail: liufangmail08@126.com

2016-08-25 改稿日期 2016-09-08

國家自然科學基金重大項目資助（51490683）。