電動汽車無線充電技術

電動汽車無線充電技術通過埋於地面下的供電導軌以高頻交變磁場的形式將電能傳輸給運行在地而上一定範圍內的車輛接收端電能拾取機構，進而給車載儲能設備供電，可使電動汽車搭載少量電池組，延長其續航里程，同時電能補給變更加安全、便捷。動態無線供電技術的主要參數指標有電能傳輸距離、功率、效率、藕合機構側移適應能力、電磁兼容性等。因而，開發大功率、高效率、強側移適應能力、低電磁輻射、成本適中的動態無線供電系統，成為國內外各大研究機構當前的主要研究熱點。

基本介紹

• 中文名：電動汽車無線充電技術
• 外文名：Electric Vehicle WirelessCharging Technology
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 套用：電動汽車無線充電
• 特點：效率高、功率大、電磁輻射低等

背景

為了節約能源，減少環境污染，電動汽車受到了世界各國的大力推廣。目前，由於電池容量及充電基礎設施等條件的限制，充電問題成為電動汽車發展過程中而臨的最主要的瓶頸問題。由於無線充電技術可以解決傳統傳導式充電面臨的接口限制、安全問題等而逐漸發展成為電動汽車充電的主要方式。然而，靜態無線充電與有線充電同樣存在著充電頻繁、續航里程短、電池用量大且成本高昂等問題。特別是對於電動巴士一類的公車輛，其連續續航能力格外重要。在這樣的背景下，電動汽車動態無線充電技術應運而生，通過非接觸的方式為行駛中的電動汽車實時地提供能量供給。

然而，隨著研究的深入，許多關鍵問題與瓶頸需要解決，例如高性能磁耦合機構設計問題、電磁兼容問題、能量傳輸魯棒控制問題等，這些問題的解決對於動態無線供電技術的發展具有指導性作用。低碳經濟核心是新能源技術與節能減排技術的套用，電動汽車能夠較好地解決機動車排放污染與能源短缺問題，是我國戰略性新興產業。作為電動汽車大規模推廣套用的重要前提和基礎，電動汽車充換電設施建設引起了各方廣泛關注。新能源產業的發展，尤其純電動汽車的快速增長，必然會對電動汽車的充電方式多樣化和方便性提出更高的要求。無線充電技術作為一項新興技術，目前商業化運作主要套用於手機、電腦、隨身聽等小功率設備的充電上，在電動汽車領域目前還是一個全新的概念。隨著無線充電技術的成熟，電動汽車將是無線充電設備最具潛力的市場。

無線充電技術

無線充電技術引源於無線電力輸送技術。無線電力傳輸也稱無線能量傳輸或無線電能傳輸，主要通過電磁感應、電磁共振、射頻、微波、雷射等方式實現非接觸式的電力傳輸。根據在空間實現無線電力傳輸供電距離的不同，可以把無線電力傳輸形式分為短程、中程和遠程傳輸三大類。

（1）短程傳輸。通過電磁感應電力傳輸(ICPT)技術來實現，一般適用於小型攜帶型電子設備供電。ICPT主要以磁場為媒介，利用可分離變壓器耦合，通過初級和次級線圈感應產生電流，電磁場可以穿透一切非金屬的物體，電能可以隔著很多非金屬材料進行傳輸，從而將能量從傳輸端轉移到接收端，實現無電氣連線的電能傳輸。電磁感應傳輸功率大，能達幾百千瓦，但電磁感應原理的套用受制於過短的供電端和受電端距離，傳輸距離上限是10 cm左右。

（2）中程傳輸。通過電磁耦合共振電力傳輸(ERPT)技術或射頻電力傳輸(RFPT)技術實現，中程傳輸可為手機、MP3等儀器提供無線電力傳輸。ERPT技術主要是利用接收天線固有頻率與發射場電磁頻率相一致時引起電磁共振，發生強電磁耦合的工作原理，通過非輻射磁場實現電能的高效傳輸。電磁共振型與電磁感應型相比，採用的磁場要弱得多，傳輸功率可達幾千瓦，能實現更長距離的傳輸，傳輸距離可達3-4 m。RFPT主要通過功率放大器發射射頻信號，通過檢波、高頻整流後得到直流電，供負載使用。RFPT距離較遠，能達10 m，但傳輸功率很小，為幾毫瓦至百毫瓦。

（3）遠程傳輸。通過微波電力傳輸(MPT)技術或雷射電力傳輸(LPT)技術來實現。遠程傳輸對於太空科技領域如人造衛星、太空飛行器之間的能量傳輸以及新能源開發利用等有重要的戰略意義。MPT是將電能轉化為微波，讓微波經自由空間傳送到目標位置，再經整流，轉化成直流電能，提供給負載。微波電能傳輸適合套用於大範圍、長距離且不易受環境影響的電能傳輸，如空間太陽能電站等。LPT是利用雷射可以攜帶大量的能量，用較小的發射功率實現較遠距離的電能傳輸。雷射方向性強、能量集中，不存在干擾通信衛星的風險，但障礙物會影響雷射與接收裝置之間的能量交換，射束能量在傳輸途中會部分喪失。

電動汽車動態無線充電技術國內外研究現狀

國外研究現狀

目前，紐西蘭奧克蘭大學、日本東京大學、美國橡樹嶺國家實驗室、韓國高等科學技術學院(KAIST)等國外研究團隊己經對電動汽車動態無線供電相關的技術難點以及關鍵問題展開了一系列研究，主要集中在系統建模方法、電能變換拓撲結構、電磁藕合機構最佳化設計和電磁禁止技術等方而。紐西蘭奧克蘭大學與德國康穩公司合作研製出世界上第一台無線充電大巴，功率為30 kW，同時也研製出100 kW無線供電列車樣機，列車軌道長400 m，KAIST將採用動態無線充電技術的電動車稱為線上電動車。2013年位於龜尾市的兩條電動公交線路投入運行，線路總長為24 km，傳輸功率為100 kW,效率為850%。

美國橡樹嶺國家實驗室針對電動車動態無線充電的藕合機構、傳輸特性、介質損耗、電磁輻射展開研究，其地而發射裝置採用全橋逆變和串聯的兩個初級繞組，實驗結果表明傳輸功率和效率受電動汽車位置影響較大。

日本東京大學提出基於直流/直流變換器的副邊最大效率控制方法，通過原邊等效阻抗實時線上估計藕合係數，利用前饋控制器改變DC/DC變換器輸入占空比實現最大效率控制。

在軌道列車的無線供電技術方而，韓國鐵道研究院(KRRI)對整個軌道列車無線供電系統進行了設計研究，並做出了功率1 MW、軌道長128 m的實驗裝置。藕合機構採用發射端長直導軌，通過兩個小U型磁芯增強藕合性能，由於軌道較長，電感較大，為減小電容電壓應力，將電容分散在發射線圈中。

此外德國龐巴迪在電動汽車、有軌電車無線供電領域也處於較為領先的水平，由於商業化的原因，其相應的技術資料較少。

國內動態無線充電技術發展動態

國內各高校、研究所也相繼開展了無線電能傳輸技術及套用的研究工作，並於2011年10月，由中國科協資助在天津工業大學舉辦了“無線電能傳輸關鍵技術問題與套用前景”學術沙龍，這是國內在無線電能傳輸領域的第一次學術會議，隨後2012年在重慶舉辦了“無線電能傳輸技術研討會”、2013年在貴陽舉辦了“無線電能傳輸關鍵技術與套用學術研討會”、2014年在南京舉辦了“無線電能傳輸技術與套用國際學術會議”、2015年在武漢舉辦了“無線電能傳輸技術及套用學術會議”，展示了國內無線電能傳輸技術良好的發展態勢和前景。

國內幾所較早開展與動態無線電能傳輸技術相關研究的高校主要包括華南理工大學、湖南大學、中國礦業大學、南京航空航天大學、上海交通大學、東南大學、天津工業大學、重慶大學、中科院電工所、西南交通大學、哈爾濱工業大學等。這些高校前期研究主要集中在大功率電力電子電能變換與拓撲設計、磁耦合機構最佳化設計、系統建模最佳化與控制、系統複雜動力學行為分析與控制、能量和信息同步傳輸、負載識別與異物檢測、電磁兼容與電磁禁止等技術方而，相關理論、技術難點以及關鍵問題的研究己經取得一定成果，並且己經研製出原理樣機。

東南大學對動態無線能量傳輸的原副邊線圈尺寸對傳輸效率以及側移的影響進行深入研究，並提出基於頻率控制的方法達到系統能量傳輸效率最優。天津工業大學基於耦合模理論基礎，分析了運動狀態下的高速列車無線供電系統發射線圈與接收線圈固有諧振頻率的變化對系統傳輸效率的影響，提出了一種可調節發射端功率因數的頻率跟蹤控制技術，並於2013年提出將動態無線能量傳輸技術套用於高速鐵路列車充電的構想，建立了高鐵充電沙盤模型，受到廣泛關注。重慶大學提出了參數識別理論，以改善原邊控制時副邊參數難以調整的問題，在此基礎上建立了系統的能量流動模型。

雖然世界各國研究機構仍在不斷深入研究電動汽車動態無線供電技術，並且不斷推進相關理論和技術研究的發展，但是其中依舊存在一定的關鍵技術需要研究，其中包括磁耦合機構設計與最佳化、系統魯棒控制技術、電磁兼容技術研究，以便最大限度提升系統工作性能，保證系統的安全、可靠、穩定、高效運行。

電動汽車動態無線充電技術關鍵問題

磁耦合機構設計與最佳化

現有的動態無線供電導軌大致分為以下幾類:分立形式的連續單線圈結構、矩形長線圈型與雙磁極型。有文獻提出一種新型三相交流激勵能量發射導軌及Quadrature-type接收端，消除了三相交流電源之間的交叉藕合併增加了能量拾取機構橫向偏移容忍度。但是長線圈方案普遍存在路而施工而積大、功率密度低、軌道兩側磁場暴露水平高等不足。

KAIST在奧克蘭大學研究基礎上線上圈中加入經過最佳化設計的磁芯結構，較奧克蘭大學的解決方案提升了傳輸效率和傳輸距離，但是增加了設備成本。

2015年KAIST研究人員針對沿行進方向存在耦合係數零點問題，提出了原邊dq雙相供電導軌結構。該結構雖然能夠解決耦合係數零點問題，但由於採用原邊電流相位檢測雙環控制，需要根據電能拾取機構空間移動位置，利用鎖相環和直流斬波器實時控制d軸與y軸雙供電導軌電流幅度與相位(二者相位差90度)。但控制環節過多，且額外引入的發射線圈、H橋與直流斬波器又增加了功率損耗，導致的系統效率降低問題難以避免。

哈爾濱工業大學通過多年的研究，提出一種基於多初級繞組並聯方式的電動汽車公路式動態無線充電方法，利用分段導軌實現對行駛中的電動汽車無線供電，此外對雙極型導軌結構進行了進一步最佳化，大幅降低了磁芯用量。之後又提出橋臂連線型多相接收端電能拾取機構，消除功率零點對傳輸}h}能及穩定性的影響。多相拾取機構由平板磁芯與多個繞制方向相同的接收線圈構成，間隔的兩個線圈同名端相連，分別構成兩相接收線圈。通過自解耦原理最佳化兩相線圈的尺寸、位置等參數消除交叉藕合，使兩相線圈可以在任意位置同時工作互不影響，實現高效能量接收。

能量傳輸魯棒控制技術

在動態無線電能傳輸控制技術方而，主要分為原邊控制、副邊控制和雙邊控制三種方式。奧克蘭大學提出通過調節逆變器驅動信號占空比來控制原邊諧振電流的方式，簡化了系統的結構。 KAIST在系統設計上採用原邊恆流控制，即在逆變器前端加入DC/ DC變換器，通過調節原邊直流母線電壓來實現逆變器輸出恆流控制。原邊控制的目的主要在於能夠使供電導軌上產生恆定的交變磁場，進而實現對輸出功率的魯棒控制。香港大學研究人員提出無需雙邊通信的功率和最大效率雙參數同步控制方法，通過DC / DC變換器調節副邊等效交流阻抗實現最大效率控制，通過搜尋原邊輸入功率最小值實現輸出恆功率控制。

對於動態無線電能傳輸的魯棒控制策略，國外研究人員普遍採用PI控制算法，控制參數一般通過極點配置法選取，較為簡單且易於實現。但是現有的建模與控制研究通常忽略電動汽車動態無線供電實際套用中的多種不確定擾動信息，系統動態回響特性以及多參數擾動下快速魯棒控制器設計的研究函待進行。

電磁兼容技術

動態無線電能傳輸利用高頻強磁場實現電能的無線傳輸，自身工作頻率較高，電磁環境複雜，因此電磁兼容設計是一項重要內容，具體包括磁禁止設計、頻率配置、接地設計、剩磁設計、軟體抗干擾設計等。

電動汽車無線電能傳輸電磁干擾抑制可分為主動禁止與被動禁止兩類。被動禁止方而，主要是通過鐵磁性材料為磁通提供一個可替代路徑或者利用低磁導率金屬導體材料產生一個與漏磁相反的磁場。利用鐵磁性材料可改善磁藕合線圈的自感和互感係數，在增強耦合性能的基礎上進一步最佳化磁場空間分布約束，磁路損耗較小，但禁止效果有限。金屬禁止廣泛套用於射頻場合中，可抑制高頻磁場電磁干擾。KAIST和橡樹嶺國家實驗室的研究人員開展了金屬導體材料磁禁止方而的研究，利用低磁導率金屬導體來降低電磁干擾，該方案優點為設計簡單、易於操作，但其局限性在於無法將發射線圈與接收線圈全部覆蓋，導電材料在地而上的暴露磨損及存在的渦流損耗直接影響系統的性能。

主動禁止方而，主要通過在耦合機構附近放置一個有源或無源主動禁止線圈，用以產生抵消磁場，相比於金屬禁止，所占空間更小。KAIST在2013年發表的文章中，提出了一種加入諧振線圈的主動磁場抵消方法，並在一個綠色公交系統中進行了實驗。在此基礎上，2015年又提出了一種基於雙線圈和相位調節的諧振式無源主動禁止方案，將禁止線圈放置在藕合機構的一側，通過漏磁場產生感應電流，生成一個與原磁場相反的抵消磁場，實現磁禁止功能。然而由於受到控制因素制約，要產生一個與原磁場相位相反、幅度完全相同的抵消磁場難度較大，且引入的禁止線圈帶來的系統整體效率的降低成為不可忽視的短板。

多導軌充電技術

（1）多級導軌模式分析

電動汽車無線供電系統的導軌模式分為單級導軌模式和多級導軌模式，如右圖所示。對於單級導軌供電模式，系統工作時在初級迴路中只有一條導軌和一套初級電能變換裝置在工作。對於多級導軌供電模式，系統工作時在初級線圈中有多段導軌和多套電能變換裝置在工作，當電動汽車行駛到哪一條導軌上時就由該條導軌給電動汽車供電，其餘導軌處於待機狀態。當汽車行駛到下一段導軌時就關斷上一段導軌並開啟下一段導軌給電動汽車供電。

單機導軌供電模式

多級導軌供電模式

由圖可以看出單級導軌供電模式結構簡單，容易控制和維護。但是由於導軌結構是單根長導軌，它也存在以下這些缺點：

①當導軌上行駛的汽車數量少時，系統的傳輸效率將會非常低；

②系統非常不穩定，對參數的變化敏感，任何微小的參數變化都可能導致系統無法穩定運行。

因此希望提出基於多級導軌模式的電動汽車不停車供電系統，解決單級導軌供電模式下系統傳輸效率低，對參數變化十分敏感等問題。

（2）單層多級導軌模式

在單層多級導軌模式中，系統供電導軌被切分成N段導軌，每段供電導軌都配備有各自的電能變換裝置、諧振補償裝置和換流開關，如右圖所示。電能從電網輸出，通過每段供電導軌各自的電能變換裝置將工頻交流電轉換為高頻交流電，在換流開關的控制下注入到諧振補償網路中，在每段供電導軌中產生高頻激勵電流。最後通過禍合機構將能量輸送到系統次級迴路。

單層多級導軌莫使

由圖看出單層多級導軌模式具有以下優點：

①實現了多級導軌的分時供電，提高了系統的傳輸效率；

②某一段導軌出現故障時，並不影響其他導軌的正常工作；

③降低了系統對參數變化的敏感性，提高了系統的穩定性；

但是，這種導軌模式也存在一些爭論。如果導軌長度設計的非常短，可以大大減小系統損耗，提高系統傳輸效率。但是由於增加了許多電能變換裝置，也增加了系統控制和維護的難度，降低了系統的穩定性。如果導軌長度設計的較長，可以大大減少電能變換裝置的數量，但是電能變換裝置的單機容量增大，對電子器件的要求更高。同時增加了系統對參數變化的敏感性，也降低了系統的穩定性。為了解決這些問題，本文提出了另一種多級導軌供電模式，即雙層多級導軌模式。

（3）雙層多級導軌模式

在單層多級導軌的基礎上，將N個導軌段改為N個導軌組，在每個導軌組中只有一套電能變換裝置將工頻交流電轉換為高頻交變電後注入到供電導軌中。每個導軌組又被分為n個小的導軌段，這n個小的導軌段都配備有各自的諧振補償裝置和換流開關。它們根據自身的負載狀況，自適應切換到導軌供電狀態，即實現了對雙層多級導軌的分級控制。雙層多級導軌示意圖如圖所示。

雙層多級導軌模式

雙層多級導軌模式具有以下優點：

①實現了導軌的分時分段供電，減小系統損耗，提高系統傳輸效率；

②電能變換裝置數量少，易於控制和維護；

③電能變換裝置的功率等級小，減小了對電子器件的要求；

④降低了系統對參數變化的敏感性，提高了系統的穩定性。

無線充電技術亟待解決的關鍵問題

高性能耦合機構設計問題

與單極性長線圈型導軌相比，雙極供電導軌具有功率密度高、尺寸緊湊、側移適應性強、對軌道兩側磁場暴露水平低等特點，且地而施工難度小、磁極磁芯用量少、施工成本低，適合大規模工程套用，但是雙極性導軌磁場分布不均勻，存在藕合零點問題，造成能量傳輸不連續，不僅影響系統穩定性，還會降低能量傳輸功率與效率，還需要對其結構進行進一步最佳化設計，提升動態無線供電平均傳輸效率與平均傳輸功率。

能量傳輸魯棒控制問題

雙極型供電導軌動態無線供電系統中，由於藕合機構相對位置變化、分段導軌間磁場的不均勻分布、路基介質不同等多參數擾動的影響，能量傳輸處於快速非線性變化過程，如何提高系統穩定性，提升系統回響速度成為動態無線能量傳輸系統控制策略的研究目標。

電磁兼容問題

電磁兼容問題與能量傳輸的質量、對系統造成的電磁干擾、對人體造成的影響等方而息息相關，只有有效地解決電磁兼容問題才能保證系統安全、可靠、穩定的運行。可見，如何在最小限度影響系統效率的情況下，高效、可靠地保證系統的電磁兼容性成研究的主要內容。

能源供給方式及充電技術優缺點分析

傳統電動汽車能源供給方式分類

目前，電動汽車傳統能源供給方式主要有電池更換、交流慢充和直流快充3種方式，均屬於有線接觸式充電。

(1)電池更換方式是用充滿電的電池組更換車輛上能量接近耗盡的電池組，一般在10 min以內即可完成。該方式可有效解決續駛里程不足問題，同時通過對電池組的集中充電和專業維護以及梯次利用，延長電池壽命，提高電動汽車經濟性。對於用戶而言，可以買車不買電池，降低了一次性購買成本。此外更換電池方式可充分利用低谷電價優勢，降低充電成本。但由於電池組較重，更換電池的專業化要求較強，需配備專業人員藉助專業機械來快速完成電池的更換、充電和維護，如何實現電池箱的標準化及電池快速更換的實用化是此模式普及的關鍵所在。

(2)交流慢充方式由交流充電樁提供電能，車載充電機完成交直流變換，充電功率一般不大，充電時間通常為5-8 h。該方式充電電流較小，可降低電池在充電過程中的發熱量，提高充電效率和延長電池的使用壽命，但其問題是充電時間過長。

(3)直流快充方式由非車載充電機完成交直流變換，充電功率較大，通常情況下常規充電時間在3-4 h左右;也可提供20 min -2h之內。以較大電流提供快速充電，一般充電電流為150 -400 A。經常性大電流快速充電會大大縮短電池使用壽命，對充電接頭的規格、充電設施的容量也提出了更高的要求。另外，快速充電引起的大電流變化將對電網造成衝擊，引起公共電網電壓波動，大功率充電機產生的大量諧波，也會影響公共電網的電能質量。

有線和無線充電技術優缺點分析

有線充電技術具有如下優點:能源轉換一次性獲得，電能損失小，節能環保;交直流轉換一次性，不存在中高頻電磁輻射;充電樁及充電機等充電設備技術門檻不太高，經濟投入不大，維修方便;充電功率調節範圍較寬，適合多種不同電壓和電流等級的動力電池儲能補給。其缺點是：充電設備的移動搬運和電源的引線過長，人工操作繁瑣;充電站及充電設備公共占地而積過大;人工操作過程中，極易出現設備的過度磨損等不安全性隱患。

無線充電技術具備如下優點:使用方便、安全，無火花及觸電危險，無積塵和接觸損耗，無機械磨損和相應的維護問題，可適應多種惡劣環境和天氣。其缺點是：設備的經濟成本投入較高，維修費用大;實現遠距離大功率無線電磁轉換，能量損耗相對較高;無線充電設備的電磁輻射會對環境造成污染。

結語

電動汽車無線充電技術具有方便、快捷的優點，但目前還處於研發和探索階段，在實用化方而還有大量的工作要做。此外根據當前能源匾乏的實際情況，電動汽車實現大功率無線充電技術的產業化運作還為時過早，但作為未來靈活的充電方式，進行前期探索很有必要。隨著該技術的不斷完善，同時結合中國智慧型電網的建設，其在電動汽車智慧型充換電服務網路方而的套用必將大大推動電動汽車的大規模套用。