史佳蘭，蔡 黎，代妮娜，譚澤富，朱海濤

(1.重慶三峽學(xué)院信息與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 萬州 404000；2.中國電建集團(tuán)國際工程有限公司，北京 100089)

1 引言

直至2021年底，我國新能源汽車達(dá)492萬輛，占出售汽車總量的1.46%。其中，純電動(dòng)汽車為400萬輛，占新能源汽車總量的81.3%。電動(dòng)汽車已成為國內(nèi)不斷高速增長的新能源車輛。電動(dòng)汽車因?yàn)槌潆娦枰环譃橛芯€充電與無線充電兩種。而有線充電式電動(dòng)汽車常常被充電樁限制，充電設(shè)備可能存在老化、接觸不良等問題，因此無需考慮插座問題的無線充電方式更受青睞。

本文主要結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展實(shí)例與現(xiàn)狀，探討基于磁耦合諧振的電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)，對(duì)磁耦合結(jié)構(gòu)下的充電方式、充電結(jié)構(gòu)的影響分析，并對(duì)這一技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

2 國內(nèi)外研究發(fā)展

2.1 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)無線充電技術(shù)的研究主要由各大高校進(jìn)行。重慶理工大學(xué)[1]提出協(xié)同線圈無線充電系統(tǒng)，利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)協(xié)同線圈的耦合系數(shù)進(jìn)行合理取值；深圳大學(xué)田教授等人[2]研究出LCC-S補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，提高在不同耦合情況下的充電效率；鄭州大學(xué)[3]搭建電熱耦合模型，通過混合功率脈沖測試，減小了不同溫度下的平均絕對(duì)誤差；上海交通大學(xué)[4]提出靜態(tài)無線充電時(shí)的精確定位法，減少橫向偏差帶來的損耗，誤差不超過0.003 mm；天津工業(yè)大學(xué)的張教授團(tuán)隊(duì)[5]提出雙LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電流閉環(huán)自整定系統(tǒng)，將系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力提升60%；華南理工大學(xué)的楊教授等人[6]通過改善充電結(jié)構(gòu)達(dá)到無源整流效果，在20 V傳輸電壓下，電壓波動(dòng)不超過1.6 V。

2.2 國外研究進(jìn)展

1964年，William Brown[7]成功利用無線技術(shù)給一架模型飛機(jī)充電，驗(yàn)證了無線充電技術(shù)的可行性。當(dāng)前，奧克蘭大學(xué)[8]提出一種集成布斯特有源橋的功率轉(zhuǎn)換器，可將兩個(gè)直流電感的功能集成到雙D磁耦合線圈，使磁體減少大約70%；多倫多大學(xué)[9]提出能夠檢測系統(tǒng)阻抗和諧振頻率的位置校正控制算法，提高充電車輛的對(duì)準(zhǔn)功能，以降低充電裝置偏移導(dǎo)致的功率降低；2019年，寶馬公司研制出具有無線充電技術(shù)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，210 min即可將電池充滿，充電效率可超90%。

目前國內(nèi)外無線充電的電動(dòng)汽車尚未完全投入市場，主要原因?yàn)闊o線充電技術(shù)的功率較低、傳輸距離偏短。為了增加無線充電系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸距離，可以從充電方式入手。

3 充電方式

無線電能的傳輸可以通過以下三種方式實(shí)現(xiàn)：電場耦合方式，電磁感應(yīng)方式及磁場耦合方式。電場耦合方式傳播距離很短，發(fā)射端與接收端必須緊鄰才能達(dá)到較好效果，傳輸效率也不理想，應(yīng)用效果差；電磁感應(yīng)式在耦合式的基礎(chǔ)上，傳輸距離稍有提高，仍舊達(dá)不到所需范疇，且傳輸功率低下。因此，磁場耦合式的使用更為廣泛。

3.1 靜態(tài)無線充電

靜態(tài)無線充電中，輸入端與輸出端常采用簡單的幾何形狀，如圓形或者矩形的線圈結(jié)構(gòu)，其后也有較為復(fù)雜的線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。靜態(tài)充電面臨的挑戰(zhàn)有：停車時(shí)輸入端與輸出端無法完全對(duì)準(zhǔn)，導(dǎo)致偏移問題[10]。文獻(xiàn)[11]采用雙H型耦合線圈，在充電系統(tǒng)中增加新型的補(bǔ)償拓?fù)洌瓜到y(tǒng)在諧振頻率達(dá)90 kHz時(shí)，輸入端與輸出端的充電效率可在200 mm內(nèi)保持穩(wěn)定。文獻(xiàn)[12]對(duì)比不同磁芯和線圈的搭配，提出多發(fā)射線圈耦合結(jié)構(gòu)，有效增加50 mm的抗偏移距離。

3.2 動(dòng)態(tài)無線充電

動(dòng)態(tài)無線充電適用于汽車移動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)充電地面要求較高。在一定長度的充電地面上設(shè)置發(fā)射端，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車邊行駛邊充電。這一方式大幅度縮小電池容量，有效降低整輛充電汽車所需材料和體積。

動(dòng)態(tài)無線充電過程中，根據(jù)設(shè)置在地面處發(fā)射端的設(shè)計(jì)特性，劃分為陣列式，供電導(dǎo)軌式和分段供電導(dǎo)軌式。陣列式發(fā)射線圈即不改變線圈參數(shù)的情況下，在地面上將多個(gè)線圈比鄰設(shè)置，后兩種方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為均改變了設(shè)計(jì)參數(shù)，使得線圈長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度。長導(dǎo)軌式因?yàn)槁裨O(shè)于地面的發(fā)射線圈單一，有在其產(chǎn)生故障的情況下則導(dǎo)致相當(dāng)長一段距離內(nèi)，電動(dòng)汽車無法安全工作；陣列式由多個(gè)線圈組成，單個(gè)線圈故障不會(huì)對(duì)全線造成影響，但線圈數(shù)量過多，在汽車行駛過程中容易產(chǎn)生電能不穩(wěn)定的問題。分段導(dǎo)軌式選取了適宜的線圈長度參數(shù)，較好的平衡了上述兩種方法的缺點(diǎn)。

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電過程中的橫向誤差可以采用四線圈電路構(gòu)成的實(shí)時(shí)汽車橫向偏差檢測電路，以達(dá)到穩(wěn)定電流效果，或?qū)Τ潆娤到y(tǒng)接收端的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也可以增加系統(tǒng)抗偏移特性。

4 結(jié)構(gòu)介紹

4.1 耦合線圈

磁耦合結(jié)構(gòu)是無線充電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。在無線階段之前，有兩個(gè)轉(zhuǎn)換步驟：將電網(wǎng)中的低頻交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流，然后將直流電流轉(zhuǎn)換為高頻交流電流。

奧克蘭大學(xué)提出可應(yīng)用于無線充電的圓形電磁感應(yīng)結(jié)構(gòu)，同年設(shè)計(jì)了性能更好的DD(double-D)型偏振耦合器，在0.31 m2的尺寸下，充電面積達(dá)相同尺寸下圓形結(jié)構(gòu)的五倍以上[13]；美國阿克倫大學(xué)的Mostak教授對(duì)磁芯損耗隨磁通密度分布的變化進(jìn)行研究，通過改變磁芯幾何設(shè)計(jì)，將損耗降低25%[14]；2020年，楊志紅等人[15]以DD線圈為基礎(chǔ)，采用減少磁芯和優(yōu)化參數(shù)的方式，將系統(tǒng)的傳輸效率提高至95%以上，并在82.5 kHz至90 kHz的頻率范圍內(nèi)傳輸11 kW的功率。

在磁耦合線圈形狀對(duì)特性的影響探究中，天津工業(yè)大學(xué)[16]仿真對(duì)比了圓形、D型、DD型等不同耦合線圈設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，在橫向偏差250 mm時(shí)，圓形與方型線圈耦合度趨近于零，而DD型線圈的橫向耦合范圍可達(dá)600 mm，鐵氧體磁芯的加入對(duì)四種線圈的耦合性能均有極大的提升，比無鐵氧體磁芯的線圈增強(qiáng)30.4%。

4.2 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

除在磁耦合機(jī)構(gòu)上進(jìn)行進(jìn)一步的研究外，為了有效增加該機(jī)構(gòu)的傳輸效率，大幅度提升傳輸功率，還需要對(duì)這個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行電容補(bǔ)償，使兩者的工作在共振狀態(tài)。

補(bǔ)償電容的方法，也因?yàn)樵O(shè)計(jì)過程中其結(jié)構(gòu)的不同，劃分成四種不同的組合類型：SS耦合(原邊串聯(lián)-副邊串聯(lián)類型)、PS耦合(原邊并聯(lián)-副邊串聯(lián)類型)、SP耦合(原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián)類型)、PP耦合(原邊并聯(lián)-副邊并聯(lián)類型)。SS型的一次側(cè)電容值僅與自身特性，諧振頻率和自感系數(shù)有關(guān)，其他三種都會(huì)受到其他參數(shù)的影響。除此以外，這四種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)無法滿足大功率充電汽車的需求，復(fù)合型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的研究很有必要。

補(bǔ)償電路作為穩(wěn)定系統(tǒng)狀態(tài)，提升充電效率的結(jié)構(gòu)，除了在轉(zhuǎn)換效率上的提升，輸入功率的提升也十分重要，在這方面進(jìn)行優(yōu)化，可極大縮短充電時(shí)間，延長電池使用壽命，為了提升補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的效率，可以采用復(fù)合型補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。

4.3 復(fù)合補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

復(fù)合型補(bǔ)償機(jī)構(gòu)在原有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)上，在原邊或副邊增設(shè)電元器件來增強(qiáng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的效率。常見復(fù)合補(bǔ)償結(jié)構(gòu)有：雙LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、LCC-S補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、LCL-LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、雙LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、雙T型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)這幾種結(jié)構(gòu)，雙LCC結(jié)構(gòu)和LCC-S結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗偏移能力，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)中，山東大學(xué)[17]優(yōu)化了LCC-S結(jié)構(gòu)參數(shù)，在125 W功率下工作效率達(dá)93.1%，提高了穩(wěn)流能力；雙LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和LCL-S補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可以分別輸出恒定電流與恒定電壓，且都能實(shí)現(xiàn)零相角，并建立了173 W的樣機(jī)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證；雙T型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)有穩(wěn)壓作用，在負(fù)載電阻10 Ω或30 Ω處，輸出電壓大小不受影響。

以上幾種復(fù)合補(bǔ)償結(jié)構(gòu)具有不同特性，可根據(jù)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)要求來進(jìn)行選擇，在動(dòng)態(tài)電路多段導(dǎo)軌式中，可應(yīng)用LCC和LCC-S補(bǔ)償結(jié)構(gòu)以減少動(dòng)態(tài)影響造成的偏移損耗，在靜態(tài)電路中選擇LCL-S補(bǔ)償結(jié)構(gòu)穩(wěn)定輸出電壓，提高輸電效率。

5 結(jié)果與討論

“十四五”期間，工信部提出圍繞碳排放問題，通過制定相關(guān)法律法規(guī)，推動(dòng)新能源汽車的發(fā)展，推動(dòng)磁耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與提升，對(duì)推進(jìn)無線充電汽車的發(fā)展具有極大的幫助。未來無線充電技術(shù)的發(fā)展應(yīng)集中在以下兩個(gè)方面。

(1)提高充電結(jié)構(gòu)的效率及穩(wěn)定性，達(dá)到用戶的日常使用需求，降低充電使用過程中的充電時(shí)間和充電次數(shù)。

(2)增加電動(dòng)汽車的抗偏移能力，減少停車或行駛中的位移偏差導(dǎo)致的充電功率低下，提升電動(dòng)汽車充電穩(wěn)定性。