電動汽車無線充電的磁耦合結構

電動汽車無線充電的磁耦合結構是指將無線電能傳輸技術與電動汽車充電結合起來實現無線充電，能夠大大提高電動汽車充電的方便性。用戶只需把車停在安裝有電能傳送裝置的指定區域，充電即可自動進行；無線充電系統的發射裝置可埋設在車庫或停車場，不需要任何維護。

磁耦合結構的性能是影響無線電能傳輸的重要因素，目前磁耦合結構的種類繁多，但磁耦合結構的設計基本上是圍繞著提高耦合係數為中心。

基本介紹

• 中文名：電動汽車無線充電的磁耦合結構
• 外文名：Magnetic coupling structure for electric charging of electric automobile
• 結構類型：環形，螺線管線圈和8字形線圈
• 優點：便捷、安全、免維護
• 建議：減輕重量，降低成本
• 趨勢：產品化、商業化

背景

石油是人類生存必不可少的資源，但是石油屬於不可再生能源。面對石油消耗終端不斷增大（龐大的汽車數量）和不斷減少的石油儲量，電動汽車有替代傳統汽車的趨勢。推廣電動汽車的障礙在於電動汽車的充電機充電問題。

目前，電動汽車的充電機充電方式有三種：有線充電機充電、無線充電機充電和更換電池方案。有線充電機充電的技術成熟，成本低，但是面臨著雨雪天氣有觸電的危險；更換電池的方案看似完美，但是不同汽車產商之間的電池差異明顯，不具有普遍性；而無線充電機充電是近年來興起的充電機充電方式，雖然技術不夠成熟，成本高，但是，它具有便捷、安全的優勢，引起社會的廣泛關注。

無線電能傳輸的研究可以追溯到19世紀末，尼古拉·特斯拉就夢想著實現隔空傳能，但是由於技術原因未能實現。無線電能傳輸經過一百多年緩慢發展，直到2007年麻省理工大學的物理教授Marin Soljacic帶領的研究團隊在《Science》發表了諧振式無線電能傳輸技術的論文[1]後，引起學術界的轟動，帶來無線電能傳輸的研究熱潮。隨之，各大企業也紛紛展開無線電能傳輸的套用開發，典型的比如Witricity、Evatran、Qualcomm等。

最基本的磁耦合結構

僅從線圈的繞制方式可以將磁耦合結構分為最基本的3種。分別是環形線圈，螺線管線圈和8字形線圈，其中8字形線圈也稱為DD線圈。這三種線圈各有各的特點。

環形線圈是最早採用的磁耦合結構，其繞制方便，分析簡單。雖然環形線圈的耦合較差，但是鐵損和銅損也很小。以長方形環形線圈為例，結構示意圖如圖1所示。

螺線管線圈屬於典型的“銅包鐵”結構，其磁力線集中，耦合係數高。但是，高耦合係數帶來的代價是較大的銅損和鐵損。無線充電機充電中典型的螺線管線圈如圖2所示

8字形線圈是與環形線圈相似，由兩個環形線圈反向串聯而成，產生方向相反的磁場。8字形線圈的耦合係數和損耗介於環形線圈和螺線管線圈之間。結構如圖3所示。

國外研究現狀

雖然麻省理工大學把無線電能傳輸帶入大眾的視野，然而，在無線電能傳輸的套用上，奧克蘭大學的研究是最具代表性的。在無線電能傳輸研究的早期，奧克蘭大學對CP(circle pad)線圈、DD線圈 (8字形線圈)以及E型磁芯接收線圈等結構進行最佳化。

雖然CP線圈和DD線圈作為接收側在理想情況下能夠實現高效的傳輸，然而，實際中存在泊車位置偏移造成收發線圈錯位，為了實現同樣的功率傳輸除了採用足夠大的發射線圈外就是增加逆變器的輸入電壓，這些都是十分不經濟的做法。而E型磁芯作為接收側可以繞制多個繞組，雖然能夠提高線圈偏移後的性能，但是結構過於笨重，不易於扁平化設計，因此並不適合於電動汽車使用。

為了解決這一問題，奧克蘭大學提出了DDQ線圈結構[6 7]，即在DD線圈的基礎上增加一個Q線圈。DD線圈和Q線圈正交，產生的磁場互不影響，兩線圈分別輸出，輸出電壓經過整流後再並聯。DDQ線圈結構和相應的充電機電路拓撲如圖4所示。

在奧克蘭大學後續研究中，學者們更多關注泄露磁場的抑制方面。以發射側為DD線圈，接收側為BP線圈為例，改進結構如圖7所示。將線圈外側的導線分層緊密繞制，磁芯尺寸大於線圈尺寸，為漏磁通提供低磁阻迴路。當接收線圈水平偏移200mm時，與傳統結構相比，在1/2傳輸高度下，距線圈800mm處的漏磁場能夠減小46%。

國內研究現狀

國內的無線電能傳輸起步較晚，但是也取得一些成就。重慶大學是國內最早進入無線電能傳輸領域的研究機構。重慶大學將4個D線圈串聯，稱為DLDD結構，為了減輕重量，將磁芯改為雙“田”字結構，線圈繞制方式、結構以及17cm傳輸高度下產生的磁場分布如圖所示。該結構具有很好的抗偏移能力，當線圈尺寸為60cm*60cm，水平偏移量20cm時，傳輸效率仍有82.3%。

南京航空航天大學和中興新能源汽車合作，先後提出了帶擴展臂磁芯結構和繞組混合繞法結構。圖(a)中採用兩個大面積的磁芯作為磁極，減小磁阻，線圈採用8字形繞法。

圖(b)是在圖(a)的基礎上，磁芯中柱再增加一個螺線管繞組，增加收發線圈的耦合。圖(b)的結構套用在中興新能源汽車上，充電機充電效率超過90%。從磁場的分布來分析，在空間上，場的分布基本上都具有三維特徵，如果能夠將各個方向的磁場全部耦合到接收線圈，那么，輸出功率一定是最大的。

影響因素

電動汽車無線充電機充電相比傳統的插電式充電機充電具有便捷、安全、免維護等優點，有著巨大的潛力。磁耦合結構是影響傳輸效率及輸出功率的重要因素，而且合理的結構能夠大大減小漏磁場的泄露。相比國外研究機構，國內的研究略顯單薄。目前磁耦合方案的設計主要是提高耦合係數，然而，影響傳輸效率的因素除了線圈的耦合係數，還與線圈Q值密切相關。

發展趨勢

與傳統插電式充電方式相比，電動汽車無線充電具有方便、安全和免維護的巨大優勢。電動汽車用無線充電系統的研發已經成為業界熱點，但是其產品化、商業化的進程才剛剛開始，還有許多實際的工程問題需要解決，在未來幾年依然是行業熱點。

電動汽車無線充電用磁耦合機構是無線充電系統中最為關鍵的部件，其研究難點與未來發展趨勢主要在以下幾個方面：

(1)通過最佳化線圈、磁性材料結構進一步提高磁耦合機構的耦合係數，提高系統效率，減小周圍磁場輻射。

(2)適用於電動汽車無線充電套用的高效磁場禁止技術。

(3)通過改進結構或者結合電路控制進一步

提高磁耦合機構對橫向偏移的容忍度，降低電動汽車無線充電使用過程中對汽車泊車位置的要求，提高使用方便性。

(4)通過改進磁耦合機構提高無線充電系統對不同車型，不一致的車體環境的兼容性。