林立文，翟麗，宋超

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)

林立文，翟麗，宋超

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

隨著低碳經(jīng)濟(jì)理念傳播，電動(dòng)汽車的發(fā)展促進(jìn)電動(dòng)汽車無線充電研究步伐，將成為未來電動(dòng)汽車能量補(bǔ)給最佳的選擇。介紹電動(dòng)汽車無線充電的電磁感應(yīng)電力傳輸、磁諧振電力傳輸、微波電力傳輸?shù)脑?；深入探討磁諧振無線充電的整體結(jié)構(gòu)以及各個(gè)模塊的原理和方案利弊，對整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系和控制方法做了闡述；指出磁諧振無線充電尚存在的問題及發(fā)展趨勢。

電動(dòng)汽車；無線充電；磁諧振

近年來，新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其純電動(dòng)汽車的快速增長，對電動(dòng)汽車的充電方式多樣化和便捷性提出更高的要求。電動(dòng)汽車能源供給方式目前有電池更換、交流慢充和直流快充3種方式。電池更換形式存在實(shí)現(xiàn)電池箱標(biāo)準(zhǔn)化及電池快速更換實(shí)用化2大關(guān)鍵難題；交流慢充存在充電時(shí)間過長的缺點(diǎn)；直流快充則會(huì)大大縮短電池的使用壽命，大電流變化還會(huì)對電網(wǎng)造成沖擊。利用無線充電可以做到充電設(shè)備隱形，設(shè)備磨損率較低，應(yīng)用范圍廣，公共充電面積相對較小，可實(shí)現(xiàn)非接觸充電，甚至實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在行駛時(shí)非接觸充電；無線充電形式有著便捷性的同時(shí)還適應(yīng)快速發(fā)展的電動(dòng)汽車行業(yè)；國家政策對電動(dòng)汽車的扶持和規(guī)劃，將對無線充電發(fā)展有著極大的推動(dòng)作用。

1 無線充電技術(shù)

無線充電技術(shù)是一種非接觸的能量轉(zhuǎn)化和傳輸過程，主要包括電磁感應(yīng)電力傳輸（Inductively Coupled Power Transfer，ICPT）、磁諧振電力傳輸（Electromag-netic Resonance Power Transfer，ERPT）、微波電力傳輸3大類。

1.1 電磁感應(yīng)電力傳輸

如圖1所示，電動(dòng)汽車上的ICPT由電源發(fā)射端、無接觸變壓器和電動(dòng)汽車接收端組成。電源發(fā)射端和原邊繞組安裝在地面下，副邊繞組和接收端安裝在電動(dòng)汽車上。從電網(wǎng)獲取電能，在信號控制電路控制下，經(jīng)過整流濾波、高頻逆變電路、原邊繞組，通過電磁感應(yīng)將電能感應(yīng)到副邊繞組；電動(dòng)汽車側(cè)在信號控制電路控制下，經(jīng)整流濾波、功率調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)為車載電池充電。

1.2 磁諧振電力傳輸

如圖2所示，該系統(tǒng)主要由電源側(cè)發(fā)射端、發(fā)射線圈、接收線圈和電動(dòng)汽車側(cè)接收端組成。ERPT是利用線圈及電容組成諧振電路，使發(fā)射端與接收端的諧振回路的固有頻率與電源工作頻率相同，從而引起發(fā)射和接收諧振電路發(fā)生諧振，實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。

圖2 電動(dòng)汽車磁諧振無線充電原理圖

1.3 微波電力傳輸

微波電力傳輸技術(shù)主要由微波發(fā)射模塊和微波接收模塊組成，利用微型高效接收電路捕捉從障礙物反射回來的無線電波，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓，再對電池進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳輸。

3 種無線充電技術(shù)利弊比較見表1。

表1 無線充電技術(shù)利弊歸納表

由表1可知，對于電動(dòng)汽車無線充電的實(shí)際應(yīng)用，采用磁諧振電力傳輸技術(shù)是較佳的選擇。

2 磁諧振無線充電系統(tǒng)

磁諧振的無線充電系統(tǒng)主要由電源輸入電路、發(fā)射與接收諧振回路和電動(dòng)汽車充電電路3大模塊組成。

2.1 電源輸入電路模塊

介紹2種結(jié)構(gòu)的電源輸入電路。振蕩器結(jié)構(gòu)的電源輸入電路（見圖2下半部分）采用了振蕩器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直流-交流和變頻（變高頻）的轉(zhuǎn)化，高頻逆變結(jié)構(gòu)的電源輸入電路（見圖1下半部分）采用了整流濾波電路和高頻逆變電路的結(jié)構(gòu)。由于較大容量振蕩器體積較大，且振蕩器的價(jià)格昂貴，而整流濾波電路和高頻逆變電路的結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了上述的不足，也能較好地實(shí)現(xiàn)變頻控制和功率輸出控制，因此采用圖1下半部分結(jié)構(gòu)。

高頻逆變結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)在于逆變高頻電路的設(shè)計(jì)。目前，電壓型高頻逆變的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有推挽式拓?fù)洌▓D3）、半橋式拓?fù)洌▓D4）和全橋式拓?fù)洌▓D5）等。

全橋式逆變的弊端是所需的功率器件多，需較復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。但同推挽式逆變相比，全橋式高頻逆變電路需開關(guān)管承受的電壓和電流都較低且原理簡單；同半橋式逆變相比，當(dāng)負(fù)載相同時(shí)，全橋逆變輸出電壓和電流幅值為單相半橋逆變電路的2倍，輸出功率相對較高。因此，在電動(dòng)汽車上采用全橋高頻逆變的方案，能獲得更好的性能和性價(jià)比。

對于電動(dòng)汽車無線充電，韓國科學(xué)技術(shù)院研究團(tuán)隊(duì)研制了功率為6.6 kW，效率達(dá)95%，直流母線電壓為540V，輸出電壓為400V；密歇根大學(xué)Mi團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了功率為8 kW，效率達(dá)95%，直流母線電壓420V，輸出電壓500V。研究表明低頻的磁諧振無線充電距離較短；而高頻的磁諧振無線充電輸出效率較低，成本也較高，目前尚不具備實(shí)用性，百kHz的頻率范圍將會(huì)成為近年來研究的一個(gè)重要頻率范圍和趨勢。這些研究說明對于逆變器開關(guān)管耐壓需達(dá)到幾百V，頻率要達(dá)到幾百kHz，MOSFET開關(guān)管是最佳的選擇。

圖3 電壓型推挽式諧振逆變器

圖4 半橋式拓?fù)渲C振逆變器

圖5 全橋式拓?fù)渲C振逆變器

2.2 發(fā)射和接收諧振回路模塊

諧振回路的設(shè)計(jì)有如圖6所示的4種方案，一次側(cè)和二次側(cè)分別采用串聯(lián)-串聯(lián)（S-S）、串聯(lián)-并聯(lián)（SP）、并聯(lián)-串聯(lián)（P-S）、并聯(lián)-并聯(lián)（P-P）。

圖6 補(bǔ)償回路的4種結(jié)構(gòu)

為了系統(tǒng)輸出功率等級和效率達(dá)到最優(yōu)，必須保證無線充電系統(tǒng)的工作頻率與一次側(cè)諧振回路固有頻率相等，同時(shí)還與二次側(cè)的諧振回路固有頻率相等。當(dāng)系統(tǒng)處于磁共振的狀態(tài)時(shí)，對這4種結(jié)構(gòu)的參量進(jìn)行歸納總結(jié)見表2。S-S結(jié)構(gòu)只需控制ω、Lp、Cp三者之間的參量就能控制系統(tǒng)產(chǎn)生磁共振；含有并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)，還與互感量M有關(guān)；P-S、P-P兩種結(jié)構(gòu)還和負(fù)載RL有關(guān)系。

在實(shí)際中，當(dāng)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)工作時(shí)，由于停車位置不是完全一致，會(huì)造成接收線圈和發(fā)射線圈的偏移，互感必然發(fā)生變化。不同汽車的電池有所差異，會(huì)導(dǎo)致原邊諧振點(diǎn)發(fā)生變化，大大降低系統(tǒng)效率和能量傳輸?shù)燃墶τ谡麄€(gè)系統(tǒng)而言，選用S-S更容易控制系統(tǒng)工作于磁共振的最佳工況。

表2 補(bǔ)償回路4種結(jié)構(gòu)的參數(shù)關(guān)系歸納

諧振回路中，線圈的設(shè)計(jì)是此模塊的技術(shù)難點(diǎn)也是系統(tǒng)最關(guān)鍵的元件之一。近年來，國外在這方面已取得比較好的成果；國內(nèi)研發(fā)車用無線充電有中興通訊公司，其他主要都集中在非電動(dòng)汽車應(yīng)用的低功率方面的研究，國內(nèi)新型結(jié)構(gòu)線圈設(shè)計(jì)較少，主要通過改進(jìn)優(yōu)化。具體總結(jié)如表3。

2.3 電動(dòng)汽車側(cè)充電電路

電動(dòng)汽車側(cè)充電電路見圖2上半部分，主要包括整流濾波電路、電池管理電路、反饋控制電路和電池。二次側(cè)的諧振回路接收到的電能經(jīng)過整流濾波與電池管理電路在反饋控制電路的控制下給電池完成充電。根據(jù)韓國科學(xué)技術(shù)院團(tuán)隊(duì)和密歇根大學(xué)Mi團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果，輸出的電壓能達(dá)到500V左右，所以需要選用耐壓較高的元器件。

2.4 控制方法

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中大部分為閉環(huán)控制，若系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或者擾動(dòng)時(shí)，通過控制系統(tǒng)對電流和電壓進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)穩(wěn)定地工作在最佳的狀態(tài)。恒流控制、移相控制和變頻控制是電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)常用的3種控制方式。

2.4.1 恒流控制

通過控制系統(tǒng)采集電流的信號，保持發(fā)射線圈中的電流恒定的負(fù)反饋控制方式為恒流控制。當(dāng)系統(tǒng)中充電距離和負(fù)載等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，反饋電路能夠快速地調(diào)節(jié)，保持系統(tǒng)的電壓輸出穩(wěn)定，維持系統(tǒng)工作在最佳的工況。當(dāng)線圈相對位置保持不變時(shí)，無線能量傳輸結(jié)構(gòu)的輸出電壓為原邊電流的常數(shù)倍，即輸出電壓和輸入電流成正比例關(guān)系，因此可以實(shí)現(xiàn)恒流控制。

2.4.2 移相控制

通過控制全橋逆變電路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號的相位，從而調(diào)節(jié)能量傳輸參數(shù)的控制方式稱為移相控制。當(dāng)系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)能量傳輸參數(shù)時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)信號的相位，使在每半個(gè)控制周期內(nèi)，逆變電路的橋臂存在直通，就能對直流電感進(jìn)行儲能；當(dāng)直通結(jié)束后，諧振電感和電容把直流電感中增加的能量傳遞到接收端，從而達(dá)到控制系統(tǒng)傳輸功率的目的。

表3 國內(nèi)外線圈設(shè)計(jì)歸納

圖7 DD型線圈

圖8 美國橡樹林國家

圖9 猶他大學(xué)設(shè)計(jì)的線圈

圖10 日本埼玉大學(xué)設(shè)計(jì)的線圈

2.4.3 變頻控制

變頻控制是根據(jù)不同的工況，通過變頻控制改變電源輸入電路的工作頻率，來調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于最佳的工況。

圖11 哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的線圈

鎖相環(huán)控制技術(shù)是無線充電系統(tǒng)最常用的變頻控制方式。通過檢測接收端電壓與線圈中電流的相位差來控制系統(tǒng)工作的頻率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)。鎖相環(huán)見圖12，一般由PC（相位比較器）、LF（環(huán)路濾波器）和VCO（壓控振蕩器）3部分組成。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化或者其它干擾，電路會(huì)工作于非諧振狀態(tài)，即工作頻率和諧振固有頻率不同，基準(zhǔn)信號和壓控振蕩器的信號就存在相位差。利用鎖相環(huán)節(jié)，采集它們的相位差，調(diào)節(jié)工頻，使二者的相位差處于允許的范圍。具體來說，相位器比較反饋信號和基準(zhǔn)信號的相位，并將相位差表示成脈沖電壓信號，從而實(shí)現(xiàn)相位檢測；在環(huán)路濾波環(huán)節(jié)中，脈沖電壓信號經(jīng)過濾波、放大等過程，最終形成控制電壓信號；控制電壓信號在壓控振蕩器的作用下，輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)管電壓信號，控制開關(guān)管的通斷狀態(tài)，使高頻逆變器的開關(guān)頻率跟隨初級側(cè)諧振頻率處于動(dòng)態(tài)的變化控制的過程，實(shí)現(xiàn)對初級側(cè)頻率跟蹤控制。

圖12 鎖相環(huán)控制技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)中主要參量的關(guān)系

系統(tǒng)傳輸特性的影響參量主要包括輸入一次側(cè)電源頻率、諧振回路固有頻率、負(fù)載電阻、距離、品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)。

如圖13和圖14所示，其它參數(shù)一定時(shí)，傳輸效率隨距離增大而減小。當(dāng)傳輸距離不變時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率隨系統(tǒng)諧振頻率的增大先升高后下降，傳輸效率隨系統(tǒng)諧振頻率的增加而逐漸提高；當(dāng)系統(tǒng)諧振頻率較低時(shí)，近距離傳輸可實(shí)現(xiàn)較大的輸出功率；相反地，當(dāng)系統(tǒng)諧振頻率高時(shí)，遠(yuǎn)距離傳輸可實(shí)現(xiàn)較大的輸出功率。

Qs、Qd分別為發(fā)射回路和接收回路的品質(zhì)因數(shù)，Qg2=Qs×Qd。由圖15可以得出品質(zhì)因數(shù)越高，諧振回路的選擇性相對也就越多，系統(tǒng)輸出功率隨品質(zhì)因數(shù)幾何平均值的增大呈先升高后下降的關(guān)系；如圖16傳輸效率則有隨品質(zhì)因數(shù)幾何平均值增大而增大的變化趨勢。

對于負(fù)載的特性，系統(tǒng)的效率先在較小的范圍內(nèi)隨負(fù)載增大快速增大，而后隨負(fù)載的增大緩慢下降。對于功率系統(tǒng)則是先隨著負(fù)載的增大而逐漸增大，而后趨于平緩。

在充電過程中，在不同工況下，根據(jù)各個(gè)參量相互間的關(guān)系，調(diào)節(jié)反饋系統(tǒng)相應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最佳功率特性、距離特性和傳輸效率特性。

圖13 諧振頻率與輸出效率關(guān)系曲線

圖14 諧振頻率與輸出功率關(guān)系曲線

圖15 Qg與輸出功率的關(guān)系曲線

圖16 Qg與輸出效率的關(guān)系曲線

4 總結(jié)

與傳統(tǒng)的插電式和電池更換的形式相比，無線充電技術(shù)有著不可替代的優(yōu)勢。近年來，無線充電成為此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，許多實(shí)際工程問題有待解決，但隨著研究的不斷進(jìn)展，也將逐步走向產(chǎn)品化。目前對于磁諧振無線充電歸納出如下有待解決與完善的難題和未來的研究趨勢。

1）MHz和百kHz的頻率范圍和無線充電系統(tǒng)中，高頻線圈參數(shù)優(yōu)化問題。主要受到實(shí)際應(yīng)用時(shí)線圈尺寸和兩線圈之間充電距離影響，優(yōu)化難度大大提高。

2）由于磁諧振無線充電需要高頻的交流電源，性能較好的高頻逆變電路設(shè)計(jì)是系統(tǒng)需要克服的一大技術(shù)難題，而且引入高頻逆變裝置后會(huì)對整個(gè)裝置產(chǎn)生很大的影響，這就對高頻逆變器提出了更高的要求。

3）MHz和百kHz的頻率范圍無線充電的功率和效率相對較低，成本也較高，若想要從理論走向應(yīng)用，需要克服技術(shù)和成本的問題。

4）優(yōu)化線圈、改進(jìn)磁性材料結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提升磁諧振機(jī)構(gòu)的耦合系數(shù)，升高系統(tǒng)效率，進(jìn)一步降低磁場輻射。

5）通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)和結(jié)合電路控制進(jìn)一步提高磁諧振機(jī)構(gòu)對橫向偏移的容忍度，降低電動(dòng)汽車無線充電使用過程中對泊車位置的要求，提高使用方便性。

6）研究開發(fā)適用于電動(dòng)汽車上的無線充電的高性能電磁場屏蔽技術(shù)。

［1］王妍.無線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2015（5）：60-90.

［2］杜秀.磁諧振耦合無線傳輸機(jī)理及實(shí)驗(yàn)裝置研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2015.

［3］李斌，劉暢，陳企楚，等.電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)［J］.江蘇電機(jī)工程，2013，32（1）：81-84.

［4］賽燕燕，孫鵬.面向數(shù)字終端的智能無線充電技術(shù)分析與研究［J］.信息技術(shù)與信息化，2014（6）：151-152.

［5］董苗苗.磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)难芯浚跠］.北京：華北電力大學(xué)，2014.

［6］王麗芳，朱慶偉，李均峰，等.電動(dòng)汽車無線充電用磁耦合機(jī)構(gòu)研究進(jìn)展［J］.集成技術(shù)，2015，4（1）：1-7.

［7］翟鵬偉.電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2015.

［8］張建.中頻磁共振式電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與效率優(yōu)化［D］.長春：吉林大學(xué)，2015.

（編輯 陳程）

W ireless Charging Technology on Electric Vehicle

LIN Li-wen，ZHAI Li，SONG Chao
（School of Mechanical and Vehicular Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

With the spread of green-economy idea，the development of electric vehicles promotes the research of wireless charging，which will become the best choice of electric vehicle energy supply in the future.The article firstly introduces principles of Inductively Coupled Power Transfer（ICPT），Electromagnetic Resonance Power Transfer（ERPT）and Radio Waves for wireless charging technology；discusses overall structure and module principals of ERPT，as well as pros and cons of various schemes；demonstrates the relationship between the various parameters of the whole system and the control method in this technology；finally，makes a summary and points out existing problems and development trend about ERPT.

electric vehicles；wireless charging；electromagnetic resonance

U469.72

A

1003－8639（2016）08－0001－05

2016-01-07；

2016-03-06

林立文，男，在讀研究生；翟麗，女，副教授，從事車輛電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁兼容和電傳動(dòng)車輛動(dòng)力學(xué)控制研究工作；宋超，男，在讀研究生。