崔淑梅 宋貝貝 王志遠

電動汽車動態(tài)無線供電磁耦合機構(gòu)研究綜述

崔淑梅 宋貝貝 王志遠

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院 哈爾濱 150001）

電動汽車無線供電技術(shù)有效提升了充電的便捷性和安全性，動態(tài)無線供電技術(shù)實現(xiàn)了電動汽車的“邊跑邊充”，實時補充電能解決了續(xù)航里程焦慮，進而也可以降低車載電池的容量。磁耦合機構(gòu)是動態(tài)無線供電系統(tǒng)中實現(xiàn)能量無線傳輸?shù)年P(guān)鍵部件，直接決定了系統(tǒng)的傳輸特性，是研究人員關(guān)注的重點。該文首先對電動汽車動態(tài)無線供電系統(tǒng)發(fā)展歷程進行了介紹；之后結(jié)合磁耦合機構(gòu)的分類對目前主要研究的結(jié)構(gòu)類型特點進行了分析，并對當(dāng)前磁耦合機構(gòu)主要研究的關(guān)鍵問題和現(xiàn)狀進行了詳細介紹；最后，對磁耦合機構(gòu)需要在未來進行研究的關(guān)鍵問題進行了討論。

電動汽車 無線能量傳輸 動態(tài)無線供電 磁耦合機構(gòu)

0 引言

近年來，由于傳統(tǒng)燃油車的廣泛使用，全球化石能源消耗加劇，環(huán)境污染問題日趨嚴峻。電動汽車由于其零排放、無污染的優(yōu)點受到了越來越多的關(guān)注。但由于車載電池容量限制導(dǎo)致的續(xù)航里程有限以及充電不便、存在安全隱患等問題制約了電動汽車的推廣普及應(yīng)用[1-2]。無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展為上述問題提供了解決方案[3-7]。

用于電動汽車的無線能量傳輸技術(shù)主要可以分為靜態(tài)無線充電和動態(tài)無線供電兩種[8-11]。靜態(tài)無線充電替代傳統(tǒng)充電樁的有線方式進行充電，去除了機械接口限制，沒有直接電氣連接，提升了充電的安全性和靈活性[12-15]。動態(tài)無線供電技術(shù)通過在地面下鋪設(shè)一定長度供電線圈，實現(xiàn)了電動汽車不停車充電，與傳統(tǒng)充電樁接觸式充電和靜態(tài)無線充電等相比，可以有效延長續(xù)航里程，緩解里程焦慮，降低搭載電池容量需求，同時使電池處于淺充淺放狀態(tài)可以延長壽命，更具有技術(shù)的先進性[16-18]。

電動汽車動態(tài)無線供電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由位于地面的逆變源、發(fā)射端補償網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射線圈以及車載的接收線圈、接收端補償網(wǎng)絡(luò)和接收端電能變換裝置組成。逆變源通過發(fā)射端補償網(wǎng)絡(luò)后，在發(fā)射線圈中產(chǎn)生高頻正弦電流激勵，進而在空間中激發(fā)對應(yīng)的高頻交變磁場；接收線圈在空間高頻磁場的作用下感生出交變電動勢，經(jīng)接收端補償網(wǎng)絡(luò)和接收端電能變化裝置后轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)闹绷麟妷合蛐旭傊械碾妱悠嚬╇?。補償網(wǎng)絡(luò)的作用為補償系統(tǒng)中的無功功率，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

發(fā)射線圈和接收線圈合稱為磁耦合機構(gòu)，是實現(xiàn)能量無線傳輸?shù)暮诵牟考?，直接影響多個系統(tǒng)特性，如輸出功率、傳輸效率、成本、側(cè)移容忍度以及電磁輻射等，是動態(tài)無線供電的核心關(guān)鍵部件和研究重點。

圖1 電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

本文針對動態(tài)無線供電系統(tǒng)中磁耦合機構(gòu)目前的研究進展進行綜述，分別從磁耦合機構(gòu)的分類及特點和關(guān)鍵問題的研究現(xiàn)狀展開分析，最后對亟待解決的關(guān)鍵問題進行了討論。

1 電動汽車動態(tài)無線供電系統(tǒng)發(fā)展歷程

電動汽車動態(tài)無線供電系統(tǒng)發(fā)展歷程如圖2所示。動態(tài)無線供電的概念最早出現(xiàn)在1894年的一項美國專利，如圖3所示[19]。通過在圖3b中埋在地下的發(fā)射電纜E中施加交流電激勵，在空間中產(chǎn)生變化磁場。接收端G的繞組纏繞在鐵心上，在交變磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，為電動汽車的電機系統(tǒng)供電。圖3c所示為接收端鐵心起到的聚磁作用，增強了與發(fā)射端供電電纜間耦合。該專利中的一些內(nèi)容至今仍是設(shè)計過程中需要重點考慮的問題。

圖3 第一個道路供電汽車專利

約100年后，由于20世紀70年代的石油危機，電動汽車受到研究人員越來越多的關(guān)注。1976年由勞倫斯伯克利國家實驗室設(shè)計了第一套道路電動汽車（Roadway Powered Electric Vehicle, RPEV）的實驗樣機用于驗證該項技術(shù)的可行性，實現(xiàn)了8kW的無線能量傳輸[20-22]。1979年圣巴巴拉電動巴士項目啟動，開發(fā)了另一套RPEV樣機[23]。之后在1992年，加州大學(xué)伯克利分校在先進交通和公路項目（PATH）中開發(fā)了第一套完整的用于巴士的RPEV 系統(tǒng)，如圖4所示[24]。實現(xiàn)了在7.6cm傳輸距離下60kW的輸出功率，效率達到60%。但由于較高的建設(shè)成本（約1M$/km）、沉重的線圈、較大的噪聲、上千安的大電流、較低的效率、較小的傳輸距離以及較弱的橫向側(cè)移能力，該系統(tǒng)并未能商業(yè)化。

圖4 第一套用于電動巴士的RPEV系統(tǒng)

在此之后，更多的研究團隊加入RPEV的開發(fā)中，該技術(shù)得到飛速發(fā)展。新西蘭奧克蘭大學(xué)從1988年起開始研究無線供電技術(shù)，在2002年提出了用于電動單軌列車的動態(tài)無線供電系統(tǒng)[25]。隨后分別提出了三相蜿蜒型、雙相長導(dǎo)軌型、DD陣列型等不同的系統(tǒng)方案[26-30]。同時還提出了多種應(yīng)用于靜態(tài)和動態(tài)系統(tǒng)的磁耦合機構(gòu)線圈方案和磁心結(jié)構(gòu)，得到了廣泛應(yīng)用[31-33]。該團隊還提出了由多個小功率線圈組成的RPEV系統(tǒng)方案，單個長度比車輛長度小很多來避免無車輛時不必要的供電，基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示[11]。但該方案待考慮的內(nèi)容還很多，如控制復(fù)雜性、實施方案以及建設(shè)成本等。

圖5 奧克蘭大學(xué)系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)示意圖

從2009年起，韓國高等科學(xué)技術(shù)研究院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST）領(lǐng)導(dǎo)的在線電動汽車（On-Line Electric Vehicles，OLEVs）項目在RPEV的研究和商業(yè)化中取得了大量先進成果[34]。至今已經(jīng)開發(fā)了五代OLEVs系統(tǒng)，在多個測試點進行了測試和商業(yè)化運行，如圖6所示[17]。該團隊在高頻逆變器[35]、低電磁輻射特性[36-37]、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)分析[38]、磁耦合機構(gòu)[39-40]等方面展開了大量研究。

圖6 韓國OLEV建設(shè)情況

龐巴迪團隊自2010年開始對動態(tài)無線供電系統(tǒng)進行開發(fā)，主要用于有軌電車和公共汽車的無線充電。位于德國奧格斯堡的PRIMOVE有軌電車實現(xiàn)了傳輸距離6cm下250kW的功率輸出，如圖7所示[41]。高通公司于2017年在法國凡爾賽建設(shè)一套輸出功率20kW的RPEV系統(tǒng)，充電時車速達到100km/h，如圖8所示[42]。

圖7 龐巴迪PRIMOVE無線充電有軌電車

除此之外，國外還有多家研究機構(gòu)或企業(yè)在RPEV的研究和應(yīng)用上開展了大量工作。美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）自2011年開始對RPEV展開研究，實現(xiàn)了2.2kW 的功率傳輸，效率為74%[43]。

韓國鐵路研究院（KRRI）自2012年起開發(fā)高速列車的動態(tài)無線供電系統(tǒng)[44]，在5cm傳輸距離下實現(xiàn)了820kW的輸出功率，效率達到83%，測試時列車時速為10km/h。西班牙恩德薩研究團隊自2013年起參與了交通運營和道路感應(yīng)應(yīng)用車輛倡議聯(lián)盟項目（VICTORIA)，采用三重充電技術(shù)，包括傳統(tǒng)的插電式充電和靜態(tài)、動態(tài)無線充電技術(shù)。2014年在西班牙馬拉加公交線路上部署了最大功率50kW的RPEV系統(tǒng)[45]。

圖8 高通動態(tài)無線供電系統(tǒng)

國內(nèi)在動態(tài)無線供電技術(shù)領(lǐng)域的研究起步相對較晚，但近年來發(fā)展速度較快。重慶大學(xué)于2003年開始研究動態(tài)無線供電技術(shù)[46]，2016年與南方電網(wǎng)合作建設(shè)完成國內(nèi)第一條動態(tài)無線供電系統(tǒng)示范線路，如圖9所示[47]。線路長100m，最大輸出功率為30kW，效率為75%～90%。

圖9 重慶大學(xué)電動汽車動態(tài)無線供電系統(tǒng)示范道路

江蘇同里新能源小鎮(zhèn)于2018年建設(shè)了世界首條“三合一”電子公路，如圖10所示[48]。實現(xiàn)了光伏發(fā)電、動態(tài)無線充電以及無人駕駛?cè)椉夹g(shù)的融合應(yīng)用。重慶大學(xué)、東南大學(xué)等單位聯(lián)合開發(fā)了其中的電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)。

圖10 江蘇同里“三合一”電子公路

哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對分段導(dǎo)軌式的動態(tài)無線供電系統(tǒng)研究，提出基于多發(fā)射繞組并聯(lián)的供電方式及相應(yīng)的導(dǎo)軌控制策略[49]。針對三相電動汽車動態(tài)無線供電系統(tǒng)展開研究，并搭建實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了接收端移動過程中穩(wěn)定功率輸出[50-51]。

2018年哈工大與中國電力科學(xué)研究院聯(lián)合建設(shè)完成一條電動大巴移動式無線充電實驗路段，如圖11a所示[52]。路段共長180m，包含直道、彎道、上坡和靜態(tài)充電位以模擬不同應(yīng)用場合。單個接收模塊功率達到23kW，無線傳輸距離為21cm。2019年哈工大與宇通公司開始聯(lián)合建設(shè)電動大巴動態(tài)無線供電系統(tǒng)，如圖11b所示。功率等級80kW，供電路段長100m，于2020年底完成。

圖11 哈工大參與建設(shè)的電動大巴動態(tài)無線供電系統(tǒng)

西南交通大學(xué)針對用于軌道交通的動態(tài)無線供電系統(tǒng)進行了大量研究[53]。研制了非接觸牽引供電軌道車實驗平臺，實現(xiàn)了12cm傳輸距離下100kW功率等級的能量傳輸[54]。在2018年和2019年，分別提出了兩種高輸出穩(wěn)定性的三相動態(tài)無線供電系統(tǒng)[55-56]。天津工業(yè)大學(xué)設(shè)計了高鐵無線供電系統(tǒng)演示模型，對耦合機構(gòu)和效率分析展開系列研究[57-59]。東南大學(xué)[60]、中科院電工所[61]等機構(gòu)也分別搭建了動態(tài)無線供電系統(tǒng)原理樣機或演示系統(tǒng)進行研究。

2 磁耦合機構(gòu)的分類及特點

2.1 分類方式及特點

動態(tài)磁耦合機構(gòu)一般可以根據(jù)其發(fā)射端和接收端延長度方向（車輛行進方向）的尺寸關(guān)系被分為長軌道型（Long Track）結(jié)構(gòu)和陣列型（Short-individual Transmitter）結(jié)構(gòu)[62-63]。其中，長軌道型磁耦合機構(gòu)的發(fā)射端線圈長度大于接收端線圈，車輛行駛在發(fā)射端上方時可以持續(xù)供電，無需頻繁地切換控制。這種結(jié)構(gòu)電路組成少，配電網(wǎng)絡(luò)和控制簡單。但由于開啟的發(fā)射端較長導(dǎo)致?lián)p耗增加，效率下降。陣列型磁耦合機構(gòu)的發(fā)射端由一系列線圈組成，單個線圈長度與接收端線圈接近。發(fā)射端線圈分別獨立供電，只有當(dāng)接收端位于其正上方時開啟工作。因此具有高效率和漏磁場范圍小的優(yōu)點。但同時會導(dǎo)致成本增加，位置檢測和切換控制的復(fù)雜性增加。

該分類方式未考慮發(fā)射端線圈的磁場特性，不能充分反映磁耦合機構(gòu)的傳輸特性。而靜態(tài)無線充電系統(tǒng)中磁耦合機構(gòu)通常根據(jù)磁場特性進行區(qū)分，可以為動態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類提供參考：靜態(tài)無線充電系統(tǒng)中磁耦合機構(gòu)根據(jù)發(fā)射端線圈產(chǎn)生磁場特征分為單極型線圈（Unipolar Coil，或稱為非極化線圈，Non-Polarized Pad）與雙極型線圈（Bipolar Pad，或稱為極化線圈，Polarized Pad），如圖12所示[64]。

圖12 靜態(tài)無線充電系統(tǒng)中磁耦合機構(gòu)分類與磁通形式

單極型的發(fā)射端線圈表面只有一個磁極方向，產(chǎn)生垂直線圈平面方向的磁通分量，如圖12a所示。該類型線圈結(jié)構(gòu)通常較為簡單，如圓形和矩形線圈[31]。圓形線圈及其產(chǎn)生磁通形式如圖12b所示。但由于主磁通磁路的部分路徑在線圈外側(cè)，存在耦合較弱，對周圍漏磁場較大的問題。

雙極型的發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生兩個磁極方向，產(chǎn)生平行和垂直線圈平面方向的磁通分量，如圖12c所示。該類型線圈結(jié)構(gòu)通常更為復(fù)雜，如Double-D線圈（DDP）、Bipolar線圈（BPP）和磁通管結(jié)構(gòu)線圈（Flux Pipe, FP）[65-66]。其中DD線圈及其產(chǎn)生的磁通形式如圖12d所示。與單極型相比，這種結(jié)構(gòu)增強了發(fā)射端與接收端線圈的耦合，減弱了線圈周圍的漏磁場。

參考靜態(tài)系統(tǒng)中的分類，動態(tài)系統(tǒng)根據(jù)發(fā)射端線圈產(chǎn)生磁場的方向特性也可以分為單極型軌道和雙極型軌道。單極型軌道在發(fā)射端線圈表面只產(chǎn)生一個磁極方向。雙極型軌道在發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生兩個磁極方向，其中平行于發(fā)射端線圈所在平面的磁通分量的方向與發(fā)射端的布置方式相關(guān)，與車輛行進方向相同時稱為縱向布置，與車輛行進方向垂直時稱為橫向布置。

綜上所述，將上述兩種分類方式交叉組合后，動態(tài)無線供電系統(tǒng)的磁耦合機構(gòu)可以分為四類，分別是：單極型陣列軌道、雙極型陣列軌道、單極型長軌道和雙極型長軌道。

2.2 各類結(jié)構(gòu)的特點及分析

2.2.1 單極型陣列軌道

單極型陣列軌道磁耦合機構(gòu)發(fā)射端由多個獨立供電的單極型線圈組成，如圖13a所示，通常為矩形或圓形線圈，結(jié)構(gòu)簡單，易于實施。每個發(fā)射端線圈表面只產(chǎn)生一個磁極方向，如圖13b所示?？梢钥吹桨l(fā)射端線圈與接收端線圈耦合的主磁通回路中部分回路在發(fā)射端線圈外側(cè)，因此在道路兩側(cè)產(chǎn)生的漏磁場較大。

圖13 單極型陣列軌道磁耦合機構(gòu)

美國ORNL[67]和圣地亞哥州立大學(xué)的Chris Mi團隊[68]分別采用圓形線圈和矩形線圈結(jié)構(gòu)搭建了3kW功率等級的實驗系統(tǒng)。猶他州立大學(xué)采用圓形線圈結(jié)構(gòu)建設(shè)了實際環(huán)境下的25kW充電系統(tǒng)[69]。

2.2.2 雙極型陣列軌道

雙極型陣列軌道磁耦合機構(gòu)的發(fā)射端由多個雙極型線圈組成，如DD線圈。由圖12可知由于雙極型線圈產(chǎn)生與線圈平行的磁通分量，其特性會由于布置方向而不同。采用DD線圈不同布置方式的雙極型陣列軌道磁耦合機構(gòu)如圖14所示。奧克蘭大學(xué)分別采用橫向布置[70]和縱向布置[71]的DD線圈結(jié)構(gòu)搭建了3.5kW和5kW的動態(tài)無線供電系統(tǒng)。

圖14 雙極型陣列軌道磁耦合機構(gòu)

圖14a所示為橫向布置的DD線圈結(jié)構(gòu)。接收端行進方向為方向，沿行進方向發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生的磁場具有相同方向。根據(jù)圖中所示電流方向，藍色線圈均產(chǎn)生垂直向下的磁通方向，而綠色線圈均產(chǎn)生垂直向上的磁通方向。主磁通回路方向在平面內(nèi)，如圖14c所示。

圖14b所示為縱向布置的DD線圈結(jié)構(gòu)。沿行進方向發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生交錯的磁場方向，相鄰兩個D線圈產(chǎn)生的磁場方向相反。主磁通回路方向在平面內(nèi)，如圖14c所示。

由圖14可知不同布置方式的雙極型陣列軌道結(jié)構(gòu)發(fā)射端和接收端線圈耦合的主磁通回路均在發(fā)射端范圍內(nèi)，增強耦合的同時減小了對道路兩側(cè)的漏磁通。

2.2.3 單極型長軌道

單極型長軌道磁耦合機構(gòu)的發(fā)射端線圈表面只產(chǎn)生一個磁場方向，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，易于工程應(yīng)用?；镜膯螛O型長軌道結(jié)構(gòu)和主磁通示意圖如圖15所示。KAIST提出的第6代（6G）OLEV發(fā)射端采用了長直矩形線圈，通過去磁心化降低建設(shè)成本和時間[72]。

2.2.4 雙極型長軌道

雙極型長軌道磁耦合機構(gòu)發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生兩個磁極方向。與雙極型陣列軌道相似，不同線圈布置方式的特性不同。橫向布置和縱向布置的雙極型長軌道結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖15 單極型長軌道磁耦合機構(gòu)

圖16 雙極型長軌道磁耦合機構(gòu)

圖16a所示為橫向布置的雙極型長軌道結(jié)構(gòu)。沿行進方向上發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生磁場方向固定。根據(jù)圖中所示電流方向，藍色線圈產(chǎn)生垂直向下的磁通方向，綠色線圈產(chǎn)生垂直向上的磁通方向。主磁通回路方向在平面內(nèi)，如圖16b所示。沿行進方向輸出穩(wěn)定，但橫向布置導(dǎo)致發(fā)射端較寬，對路面影響大，接收端側(cè)移容忍度較差。奧克蘭大學(xué)在AGV供電系統(tǒng)中采用了橫向雙極長軌道結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了300W的動態(tài)無線供電[29]；日本鐵路技術(shù)研究院將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鐵路車輛供電，實驗樣機的負載輸出功率達到40kW[73]。圖16c所示為縱向布置的雙極型長軌道結(jié)構(gòu)。發(fā)射端在多個磁極上交錯繞制，沿行進方向上發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生的磁場方向交替變化。如圖16d所示主磁通回路方向在平面內(nèi)，發(fā)射端寬度可以設(shè)計較窄，對路面影響小，同時接收端具有較大的側(cè)移容忍度。KAIST在第四、五代OLEV中均采用了這類磁耦合機構(gòu)[17]。

不同布置方式的雙極型長軌道結(jié)構(gòu)發(fā)射端和接收耦合主磁通回路均在發(fā)射端范圍內(nèi)，減小了單極型長軌道結(jié)構(gòu)對道路兩側(cè)的漏磁通。

綜合前述分析，動態(tài)無線供電系統(tǒng)中各類磁耦合機構(gòu)的特點對比見表1，可以為磁耦合機構(gòu)的研究和設(shè)計提供指導(dǎo)。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和系統(tǒng)要求確定合適的結(jié)構(gòu)類型，提升磁耦合機構(gòu)設(shè)計效率。

表1 動態(tài)無線供電系統(tǒng)磁耦合機構(gòu)結(jié)構(gòu)類型及特點

Tab.1 Structure types and characteristics of magnetic couplers in dynamic wireless charging system

3 關(guān)鍵問題研究現(xiàn)狀

3.1 高功率密度、低成本的磁耦合機構(gòu)構(gòu)型研究

為了增強發(fā)射端和接收端之間的耦合性能，提升傳輸功率，通常采用增加磁心的方式，平板結(jié)構(gòu)為最常用的磁心形式，但成本也較為高昂。因此如何設(shè)計低成本、高耦合性能的磁心構(gòu)型成為研究者們的研究重點。

對于陣列軌道結(jié)構(gòu)的磁耦合機構(gòu)，每個獨立供電的發(fā)射端線圈與靜態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，存在互通性，因此通常磁心結(jié)構(gòu)與靜態(tài)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)相同。為了降低磁耦合機構(gòu)成本，通常采用條形磁心構(gòu)型，如圖17分別為單極型和雙極型線圈結(jié)構(gòu)的磁心構(gòu)型[74]。

圖17 陣列軌道結(jié)構(gòu)磁心構(gòu)型

對于長軌道結(jié)構(gòu)的磁耦合機構(gòu)，KAIST在過去10年領(lǐng)導(dǎo)的五代OLEV開發(fā)中，提出了多種結(jié)構(gòu)用于不同類型的磁耦合機構(gòu)，如圖18所示[3]。

對于單極型長軌道結(jié)構(gòu)，第一代（1G）采用E型磁心實現(xiàn)了1cm傳輸距離下3kW功率輸出，效率達到80%，如圖18a所示[75]。為了降低磁心成本，第三代（3G）采用骨架的W型磁心實現(xiàn)了17cm傳輸距離下15kW功率輸出，效率達到71%，但發(fā)射端軌道寬80cm，如圖18b所示[75]。采用該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了26cm傳輸距離下的100kW功率等級快速充電[76]。

圖18 長軌道結(jié)構(gòu)磁心構(gòu)型

對于雙極型長軌道結(jié)構(gòu)，第二代（2G）將U型磁心用于橫向布置的雙極型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了17cm傳輸距離下6kW輸出功率，效率達到72%，如圖18c所示[17]。但其發(fā)射端寬度高達140cm。接收端橫向側(cè)移能力受到寬度限制較小。因此該結(jié)構(gòu)更常用于AGV、軌道交通等領(lǐng)域的動態(tài)無線供電系統(tǒng)。為了提升磁耦合機構(gòu)的側(cè)移容忍度和耦合性能，第四代（4G）采用了革新性的I型磁極結(jié)構(gòu)供電軌道[35]，該結(jié)構(gòu)為縱向布置的雙極型長軌道結(jié)構(gòu)，如圖18d所示。在20cm傳輸距離下實現(xiàn)了27kW輸出功率，效率達到74%。其中發(fā)射端供電軌道寬度僅10cm，接收端側(cè)移容忍度達到24cm。后續(xù)提出了S型磁極供電軌道的第五代（5G）[40]，如圖18e所示。寬度進一步減小至4cm，側(cè)移距離相應(yīng)的增加至30cm，但耦合性能下降。

表2對各類磁心構(gòu)型的特點進行了對比總結(jié)。

表2 磁心構(gòu)型的特點

Tab.2 Characteristics of magnetic core structure

3.2 分段導(dǎo)軌間過渡輸出穩(wěn)定性

靜態(tài)無線充電系統(tǒng)中，接收端和發(fā)射端相對位置發(fā)生偏移時，隨著偏移距離的增大，輸出功率會隨著耦合性能的下降逐漸減小。對于動態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)接收端駛出供電的分段導(dǎo)軌或發(fā)射端線圈，并且未完全駛?cè)胂乱欢位蛳乱欢挝垂╇姇r，與靜態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移的情況相似，輸出功率會隨著耦合性能的下降而減小。因此接收端行進過程中在相鄰分段導(dǎo)軌間過渡時存在輸出跌落問題。研究人員針對陣列軌道和長軌道結(jié)構(gòu)中存在的這種問題展開大量研究。

對于如圖19a所示的陣列軌道結(jié)構(gòu)，圣地亞哥州立大學(xué)團隊通過優(yōu)化單極型線圈長度和間距等參數(shù)，同時對多個發(fā)射端線圈供電，實現(xiàn)了動態(tài)過程中接收端輸出波動的降低[68]。如圖19b所示虛線為接收端與不同發(fā)射端之間的耦合系數(shù)，存在較大波動；（紅色）實線為優(yōu)化尺寸后對多個發(fā)射端同時供電時的等效耦合系數(shù)。最終實現(xiàn)15cm傳輸距離下1.4kW的輸出功率，動態(tài)行進過程中輸出功率波動在±7.5%內(nèi)。對于圖14a中橫向布置的DD線圈結(jié)構(gòu)，奧克蘭大學(xué)團隊通過線圈尺寸設(shè)計降低了過渡波動，在10kW輸出功率時的最大功率跌落為25%[30]。西南交通大學(xué)研究人員對矩形線圈和DD線圈交替布置結(jié)構(gòu)的尺寸進行優(yōu)化，搭建384W實驗樣機實現(xiàn)輸出電壓波動在±2%內(nèi)[77]。天津工業(yè)大學(xué)研究人員分析了相鄰線圈中心距和同時供電區(qū)間對輸出特性的影響，確定了輸出最穩(wěn)定的切換區(qū)間范圍[78]。

圖19 降低輸出波動的陣列軌道

對于長軌道結(jié)構(gòu)，重慶大學(xué)研究人員分別提出了滲透型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)[79]和交錯DD型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)[80]以解決過渡時輸出跌落的問題，降低輸出波動的長軌道結(jié)構(gòu)如圖20所示。相鄰兩段供電軌道間設(shè)置部分重疊的區(qū)域為“接入?yún)^(qū)域”或增加交錯區(qū)域，增加功率補償線圈提升原切換過程中輸出下降的問題。在15cm傳輸距離10kW功率等級的實驗系統(tǒng)中，滲透型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)段間過渡時感應(yīng)電壓最大跌落為25%，實現(xiàn)了導(dǎo)軌切換時的平穩(wěn)過渡。中科院電工所研究人員通過控制相鄰兩段同時開啟的切換策略減小了段間過渡時的輸出波動，實現(xiàn)了2.5kW輸出功率的平穩(wěn)過渡[81]。

圖20 降低輸出波動的長軌道結(jié)構(gòu)

表3對解決分段導(dǎo)軌間過渡波動問題、提升輸出穩(wěn)定性的方法進行了總結(jié)。

表3 提升過渡輸出穩(wěn)定性方法

Tab.3 The method of improving transition output stability

3.3 單段供電導(dǎo)軌內(nèi)行進輸出穩(wěn)定性

對于縱向布置的雙極型磁耦合機構(gòu)，沿行進方向上產(chǎn)生的磁場方向交替變化，因此接收端感應(yīng)電壓輸出存在較大波動。以長軌道發(fā)射端結(jié)構(gòu)為例，接收端感應(yīng)電壓與位置的關(guān)系如圖21所示[82]。感應(yīng)電壓輸出存在近似正弦的波動和零點問題，嚴重制約了其實際應(yīng)用。研究人員分別從發(fā)射端和接收端角度進行研究以解決這個問題。

圖21 雙極型長軌道感應(yīng)電壓與位置的關(guān)系

對于發(fā)射端，可以采用多相繞組供電的方式產(chǎn)生疊加后與位置近似無關(guān)的磁場分布[83-84]。多相供電軌道磁耦合機構(gòu)如圖22所示。KAIST研究人員提出了dq雙相軌道結(jié)構(gòu)，如圖22a所示[82]。藍色和紅色為不同的發(fā)射端繞組，圖中位置時接收端與紅色繞組間耦合為0，但與藍色繞組間耦合最大，在接收端中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓疊加后補償原有的輸出零點。不同繞組中激勵電流相位相差90°時輸出波動最小。由于負載在不同繞組中反射阻抗不同導(dǎo)致控制復(fù)雜，僅通過實驗室200W實驗樣機進行驗證，功率波動降低至11%。

圖22 多相供電軌道磁耦合機構(gòu)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了三相線圈供電的解決方案，如圖22b所示[84]。利用三相發(fā)射線圈在空間中產(chǎn)生平行于車輛行駛方向的行波磁場來提高輸出穩(wěn)定性。搭建實驗樣機實現(xiàn)了傳輸距離為30cm，輸出功率為5kW，輸出波動為±2.5%的功率傳輸。

除了具有輸出穩(wěn)定的優(yōu)點，多相發(fā)射端結(jié)構(gòu)還可以增大傳輸功率，但同時也會導(dǎo)致成本增加，電路組成增多和控制變復(fù)雜的問題。龐巴迪團隊將三相系統(tǒng)用于軌道交通，實現(xiàn)了250kW功率傳輸[41]。

對于接收端，研究人員提出了多種多線圈接收端以解決供電單元內(nèi)的輸出波動問題。通過空間位置不同的線圈相互補償移動過程中的輸出零點，各組線圈分別整流后直接輸出或分別經(jīng)過DC-DC變換器后連接輸出至負載。奧克蘭大學(xué)采用BPP雙線圈結(jié)構(gòu)作為接收端，結(jié)合接收端控制實現(xiàn)了5kW近似恒定的功率輸出[71]。西南交通大學(xué)采用DDQ(Double-D Quradrature)雙線圈結(jié)構(gòu)接收端，結(jié)合接收端控制實現(xiàn)了600W功率等級的恒定輸出[85]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了多相接收端結(jié)構(gòu)，其中四相接收端在不進行接收端控制下可以將輸出波動降低至8%[86]。

表4對解決單段供電導(dǎo)軌內(nèi)行進輸出波動問題、提升輸出穩(wěn)定性的方法進行了總結(jié)。

表4 提升行進輸出穩(wěn)定性方法

Tab.4 The method of improving moving output stability

3.4 偏移容忍度

車輛行駛的過程中，受路況和駕駛技術(shù)的影響，接收端不可避免地會相對于發(fā)射端發(fā)生橫向偏移。隨著偏移距離的增加，輸出功率和傳輸效率均會降低。因此，提升接收端的偏移容忍度是磁耦合機構(gòu)的關(guān)鍵問題之一。

由于陣列軌道結(jié)構(gòu)可以理解為靜態(tài)磁耦合機構(gòu)在動態(tài)無線供電系統(tǒng)中的推廣，因此，陣列軌道結(jié)構(gòu)中提升偏移容忍度的方法與靜態(tài)系統(tǒng)中的方法相同。常見的方法為使用多線圈接收端結(jié)構(gòu)。奧克蘭大學(xué)的研究團隊提出了一種DDQ型接收端結(jié)構(gòu)，如圖23a所示[87]。該結(jié)構(gòu)中，DD線圈和Q線圈分別在整流后串聯(lián)。接收端偏移過程中，穿過DD線圈的磁場量減少，穿過Q線圈的磁場量增加，因此Q線圈可以補償DD線圈中的功率跌落。此后，該團隊提出了一種BPP型（Bipolar）接收端結(jié)構(gòu)，如圖23b所示[88]。

圖23 提升偏移容忍度的多線圈接收端結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)與DDQ型結(jié)構(gòu)具有相同的側(cè)移容忍度，但用線量更少。

對于單極型長軌道結(jié)構(gòu)，可以通過采用多相發(fā)射線圈或增加接收線圈寬度的方式來提升偏移容忍度。奧克蘭大學(xué)的研究人員提出了一種三相單極型長軌道結(jié)構(gòu)，如圖24所示[89]。該結(jié)構(gòu)中，三相發(fā)射線圈沿橫向偏移方向鋪設(shè)，產(chǎn)生與偏移方向平行的行波磁場來改善偏移容忍度，使最大偏移距離近似等于發(fā)射軌道寬度。然而，橫向布置的三相發(fā)射線圈使得發(fā)射端寬度較大，且發(fā)射端兩側(cè)的漏磁輻射嚴重。此外，三相發(fā)射線圈之間的相間互感并不平衡，使得各相發(fā)射端之間存在能量耦合。

圖24 三相單極型長軌道結(jié)構(gòu)

橫向布置的雙極型長軌道結(jié)構(gòu)具有較差的偏移容忍度，目前更多地應(yīng)用于軌道交通等無需考慮接收端偏移的場景中。由于這類結(jié)構(gòu)的主磁路方向在平面內(nèi)，因此可以參考橫向布置的雙極型陣列軌道結(jié)構(gòu)，使用DDQ等多線圈接收端結(jié)構(gòu)來改善偏移容忍度。

而對于縱向布置的雙極型長軌道結(jié)構(gòu)，如Ⅰ型和S型等磁極結(jié)構(gòu)供電軌道，目前共有三種方案來提升其偏移容忍度。

1）增加接收線圈的寬度

以Ⅰ型磁極結(jié)構(gòu)供電軌道為例，圖25給出了發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場在接收線圈所在的平面上沿偏移方向的分布情況。從圖中可以看出，磁場主要集中在供電軌道的正方上區(qū)域，沿偏移方向，磁感應(yīng)強度逐漸減小。

圖25 偏移時穿過接收線圈的磁通變化量（軌道寬度固定）

圖25中陰影部分表示穿過接收線圈的磁通變化量。對于圖25a所示的寬接收線圈，當(dāng)接收線圈發(fā)生偏移時，穿過接收線圈的磁場量變化量較小，故輸出電壓基本保持不變。而對于圖25b所示的窄接收線圈來，在相同的側(cè)移距離下，穿過接收線圈的磁場量變化較大，導(dǎo)致輸出電壓降低。因此，增大接收線圈的寬度可以有效地提升偏移容忍度，接收線圈的寬度越大，允許的偏移距離越大。

對于I型和S型等縱向布置的雙極型長軌道結(jié)構(gòu)，為了接收端的提升偏移容忍度，接收線圈寬度通常設(shè)計為發(fā)射端供電軌道寬度的數(shù)倍以上[35, 40]。

2）降低發(fā)射端供電軌道的寬度

圖26給出了發(fā)射端供電軌道寬度不同時，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場沿偏移方向的分布情況。

圖26 偏移時穿過接收線圈的磁通變化量（接收線圈寬度固定）

從圖26中可以看出，對于相同寬度的接收線圈來說，在相同的偏移距離下，發(fā)射端供電軌道越窄，穿過接收線圈的磁場量變化較小，輸出電壓的變化也越小。因此，減小發(fā)射端供電軌道的寬度同樣可以增加最大偏移距離。KAIST提出的S型磁極結(jié)構(gòu)供電軌道正是通過降低發(fā)射端供電軌道的寬度的方式來提升偏移容忍度的[40]。

然而，由圖26可知，減小發(fā)射端供電軌道的寬度同樣會降低發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感，使得輸出電壓降低。

3）使用橫向布置的多線圈接收端結(jié)構(gòu)

KAIST的研究人員提出了一種自解耦的雙線圈接收端結(jié)構(gòu)（self-decoupled dual receiver coils）來改善偏移容忍度[90]。圖27a和圖27b分別給出了該接收端的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路。

圖27 KAIST提出的自解耦接收端

自解耦的雙線圈接收端使用了兩個并聯(lián)的接收線圈，其工作原理如圖27c所示。在接收端偏移的過程中，始終由感應(yīng)電壓更高的接收線圈工作，而另一個接收線圈不工作。通過兩個接收線圈的整流后并聯(lián)來提升接收端的偏移容忍度。然而，該接收端需要使用兩組整流橋裝置，且同一時刻只能有一個接收線圈工作，因此該結(jié)構(gòu)中接收線圈的利用率較低，這增加了系統(tǒng)成本[91]。

表5對提升偏移容忍度的方法進行了總結(jié)。

表5 提升偏移容忍度的方法

Tab.5 The method of improving misalignment tolerance

4 關(guān)鍵問題

綜合目前電動汽車動態(tài)無線供電系統(tǒng)中磁耦合機構(gòu)的研究現(xiàn)狀，可以看到各方面均已有較多研究和解決方案。但這項技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的進程才剛剛起步，磁耦合機構(gòu)仍存在許多關(guān)鍵問題亟待解決，包括以下幾個方面：

1）高效率。與傳統(tǒng)有線充電方式相比，無線充電系統(tǒng)中增加了多級環(huán)節(jié)導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降。而動態(tài)無線供電系統(tǒng)由于工作時發(fā)射端導(dǎo)軌尺寸通常大于接收端，效率進一步降低。磁耦合機構(gòu)的損耗占據(jù)了系統(tǒng)能量損失的主要部分，需要從多個方面研究減小損耗的方法，如材料角度，采用可以降低損耗或提升耦合性能的新型磁心材料或繞組線材；結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化角度，對磁心和線圈優(yōu)化設(shè)計提升耦合性能，降低損耗。實現(xiàn)高效率磁耦合機構(gòu)可以有效提升充電效率，降低能量損失并減小溫升，促進動態(tài)無線供電技術(shù)的實際應(yīng)用。

2）低成本。磁耦合機構(gòu)占據(jù)了動態(tài)無線供電系統(tǒng)建設(shè)成本的主要部分，通常由鐵氧體磁心和繞組利茲線組成。由于供電路段均需要鋪設(shè)發(fā)射端導(dǎo)軌會導(dǎo)致較高昂的前期基礎(chǔ)建設(shè)投入。而在設(shè)計時為了實現(xiàn)更高的傳輸功率，通常采用增加磁心、匝數(shù)等方式，這會導(dǎo)致成本進一步增高。因此需要通過研究磁耦合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)設(shè)計方法來降低材料使用量，進而提升系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)濟性。

3）高功率密度。磁耦合機構(gòu)的功率密度可以分為發(fā)射端和接收端功率密度。發(fā)射端功率密度反映了磁耦合機構(gòu)對道路的影響，通過發(fā)射端導(dǎo)軌面積或體積功率密度體現(xiàn)；接收端功率密度反映了磁耦合機構(gòu)對車輛的影響，通過接收端線圈面積、體積或質(zhì)量功率密度體現(xiàn)。在進行設(shè)計時為了提升傳輸性能，通常采用增大耦合面積或采用多線圈結(jié)構(gòu)的方式，這會導(dǎo)致尺寸、重量增加，對車輛和路面影響增加。因此，需要通過研究磁耦合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提升功率密度，為動態(tài)無線供電技術(shù)的推廣應(yīng)用提供必要條件。

4）輸出穩(wěn)定性和側(cè)移容忍度。與靜態(tài)無線充電系統(tǒng)中車輛在固定位置靜止充電不同，動態(tài)無線供電系統(tǒng)中車輛在行進過程中充電，接收端與發(fā)射端供電線圈的相對位置可能發(fā)生縱向和橫向水平偏移或旋轉(zhuǎn)偏移，導(dǎo)致輸出波動和功率跌落；由于磁耦合機構(gòu)結(jié)構(gòu)特性，如縱向布置的雙極型結(jié)構(gòu)，在行進方向上存在固有輸出波動；此外，由于固有參數(shù)，如電感、電容可能受外界環(huán)境影響發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)諧振狀態(tài)和輸出功率受到影響，產(chǎn)生波動。因此需要考慮上述不同情況，研究能夠降低輸出波動、提升輸出穩(wěn)定性、提高偏移容忍度的磁耦合機構(gòu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計方法。

5）互操作性。隨著靜態(tài)無線充電技術(shù)相關(guān)標準的出臺和未來商業(yè)化應(yīng)用的推廣普及，用于動態(tài)無線供電系統(tǒng)的磁耦合機構(gòu)需要考慮與標準中結(jié)構(gòu)具備互操作性。需要研究基于標準互操作性的磁耦合機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計方法。此外，不同于靜態(tài)充電一對一的模式，動態(tài)供電系統(tǒng)存在同一路段對多個負載、不同功率等級負載、不同結(jié)構(gòu)負載供電的可能性，因此需要分別研究發(fā)射端和接收端具備互操作性的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)設(shè)計方法，具體為：對于發(fā)射端，需要研究滿足不同（結(jié)構(gòu)形式、尺寸）接收端、不同功率等級負載時的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計方法；對于接收端，需要研究可以應(yīng)用于已建設(shè)發(fā)射端結(jié)構(gòu)、并滿足車輛負載要求的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)設(shè)計方法。

6）電磁安全性。由于發(fā)射端產(chǎn)生的高頻交變磁場不能與接收端完全耦合，會對周圍環(huán)境造成影響。保證環(huán)境的電磁安全性是動態(tài)無線供電技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)用的前提。磁耦合機構(gòu)可以分別從電磁發(fā)射源和傳播途徑兩個方面實現(xiàn)屏蔽保護，如在源頭增加屏蔽線圈或在傳播途徑增加屏蔽材料（鐵氧體、鋁）。但額外增加的電磁安全防護裝置勢必會對系統(tǒng)能量傳輸性能產(chǎn)生影響，并造成成本增加。因此需要研究如何在保證環(huán)境電磁安全性的同時減少對原有系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)安全、可靠、經(jīng)濟的電磁安全防護。

5 結(jié)論

本文對電動汽車動態(tài)無線供電系統(tǒng)的發(fā)展歷程進行了全面回顧，對動態(tài)無線供電系統(tǒng)中磁耦合機構(gòu)進行了系統(tǒng)分類并就其特點進行了詳細分析，重點分析了磁耦合機構(gòu)目前研究的關(guān)鍵問題及主要解決方案。最后討論了面臨的關(guān)鍵問題。主要結(jié)論如下：

1）動態(tài)無線供電技術(shù)仍處于實驗室研究和小規(guī)模實驗示范線路建設(shè)階段，建成系統(tǒng)中功率等級在20～30kW范圍內(nèi)，傳輸距離在20～30cm之間。該功率等級下，系統(tǒng)效率在70%～91%之間。

2）動態(tài)磁耦合機構(gòu)可以分為單極型陣列軌道、單極型長軌道、橫向雙極型陣列軌道、縱向雙極型陣列軌道、橫向雙極型長軌道和縱向雙極型長軌道六種結(jié)構(gòu)，其中單極長軌道結(jié)構(gòu)成本低，縱向雙極長軌道結(jié)構(gòu)綜合性能優(yōu)。

3）磁耦合機構(gòu)目前研究的關(guān)鍵問題集中在高性能磁耦合機構(gòu)構(gòu)型、分段導(dǎo)軌過渡穩(wěn)定性、行進輸出穩(wěn)定性以及偏移容忍度等方面。

4）在動態(tài)無線供電技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的進程中磁耦合機構(gòu)還面臨較多關(guān)鍵問題亟需解決，包括效率、成本、功率密度、穩(wěn)定性、偏移容忍度、互操作性和安全性。

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Overview of Magnetic Coupler for Electric Vehicles Dynamic Wireless Charging

Cui Shumei Song Beibei Wang Zhiyuan

（School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）

Wireless charging technology for electric vehicles effectively improves the convenience and safety of charging. Dynamic wireless charging technology realizes the “charging while driving” of electric vehicles. The range anxiety can be solved through real-time power supply, and then the vehicle battery capacity can also be reduced. Magnetic coupler is the key component of wireless power transfer in dynamic wireless charging system, which directly determines the transmission characteristics of the system. Therefore, it has become the focus of researchers. Firstly, this paper introduces the development of dynamic wireless charging system for electric vehicles. Then, combined with the classification of magnetic couplers, the main structure types and characteristics of the current research are analyzed. And the key issues and research status of magnetic coupler are introduced in detail. Finally, the issues of magnetic coupler which need to be studied in the future are discussed.

Electric vehicles, wireless power transfer, dynamic wireless charging, magnetic coupler

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201543

TM 724

國家電網(wǎng)公司總部科技項目（5200-201940251A-0-0-00）資助。

2020-11-21

2021-03-11

崔淑梅 女，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電動汽車無線供電技術(shù)及電機系統(tǒng)。E-mail：cuism@hit.edu.cn

宋貝貝 男，1993年生，博士，研究方向為電動汽車無線供電技術(shù)。E-mail：songbei_mt@126.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）