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电动汽车无线充电技术的研究进展

电动汽车无线充电技术(WCT)是一种应用于电动汽车充电的非直接接触式电能传输技术,具有运行安全、充电智能、配置灵活等优点。


本文对电动汽车无线充电技术体系、类别与技术特点进行了综述。其研究热点包括:电力电子拓扑结构、磁耦合元件结构、能量传输水平、建模思路、生物安全等,对上述热点问题研究进展进行了汇总。概述了相关汽车企业与实验室的实用化成果。


该技术未来发展趋势包括:电力电子拓扑结构与控制算法的创新与优化、生物安全以及新材料应用等,而应用趋势则包括:行进状态充电、辅助驾驶和 V2X(车辆到电网(Vehicle-to-Grid,V2G)﹑车辆到住宅(Vehicle-to-Home,V2H)等双向电能传输等。

近些年,电动汽车无线充电技术(Wireless Charging Technology,WCT)得到了越来越多的关注。无线充电系统不含外漏端口,无需人工操作,不占据地上空间,能够实现静止状态和行进状态充电,因而其相对于有线充电方式,具有运行安全、充电智能、方案配置灵活等优点,并且有望降低电动汽车蓄电池用量和整车质量 [1],减少能源消耗。


无线充电技术能够实现一定空间距离的高效非直接接触电能传输。1893 年科学家 NikolaTesla 在哥伦比亚世博会上首次采用无线电能传输方式,点亮了磷光照明灯 [2],其后,无线电能传输技术在交通领域成为研究热点。1894 年 M.Hutin 获得了一项轨道交通无线充电系统专利[3]。1974 年 D.V.Otto 提出了一种充电电流为 2000A,频率为 10 kHz 的电动汽车无线充电系统设计方案 [4]。美国劳伦斯伯克利国家实验室在 1976 年和 1992 年开展了两项无线充电研究工作,分别测试了功率 8 kW 和 60 kW 的可移动式充电汽车 [5-8],虽然未能真正商业化应用,但在其后,无线充电技术在汽车行业得到迅速发展。2008 年无线充电联盟「Qi」标准的制定,标志着无线充电技术真正进入商业化运营模式 [9]。而在中国,2013 年 12 月,东南大学成功研制出了充电功率达 3 kW 的无线充电电动汽车[10]。


电动汽车无线充电技术属于无线电能传输技术的一种,在技术需求方面具有以下特殊性:


  • 功率等级:几千瓦到几十千瓦,且充电时间较短,因此要求充电系统容量较大;

  • 充电间距:垂直方向 15 ~ 45 cm [11],水平方向偏移量应大于 15 cm,倾斜方向应保证侧倾角裕度达到 15°;

  • 充电效率:通常来讲,电网到车载电池的充电效率需大于 85% 才具有实用价值;

  • 系统尺寸与质量:考虑到汽车底盘体积、承载能力、轮距,以及无线充电系统比功率等因素,系统横向尺寸应在 40 ~ 80 cm 之间,质量应该在 50 kg 以内 [12-14];

  • 数据通讯:为了实现充电系统的自动运行和充电参数的智能调节,同时配合自动泊车等辅助驾驶技术的实现,系统应具有数据通讯功能。


随着电力电子技术、蓄电池技术以及电动汽车整车技术的进步,无线充电技术在近些年得到了迅速发展,并展现出较强优势。本文将从技术体系、类别和技术特点等方面对电动汽车无线充电技术进行总结和提炼,分析电力电子拓扑结构、磁耦合元件结构、能量传输特性、系统建模思路、生物安全等热点与难点问题研究现状,汇总各大汽车企业和相关研究机构无线充电技术最新研发进展,并从技术和应用角度对未来发展趋势进行展望。



1 电动汽车无线充电技术体系、分类与特点


1.1 电动汽车无线充电技术体系


图 1  电动汽车无线充电系统结构


电动汽车无线充电系统通常分为供电和受电两部分,其系统结构如图 1 所示。


图 2  电动汽车无线充电系统技术体系


电动汽车无线充电系统的本质是电能的变换与控制,可靠、高效、安全是基本要求。无线充电技术基于电力电子拓扑结构优化与协调控制、电磁能量传递生物安全和多源能量双向耦合管理三个科学问题,依托电路设计与参数匹配优化、EMC 与辐射安全防护、非线性系统分析与控制、车辆相关技术等技术支撑,形成了电力电子、电磁场、车辆相关理论、电化学、非线性系统控制、数据通信等多学科交叉,相互影响、深度耦合的技术体系,如图 2 所示。



1.2 类别与性能特点


图 3  无线电能传输技术类别


无线电能传输方式包含远场区传输和近场区传输两大类,如图 3 所示。


1.2.1 远场区


远场区是距场源 2D^2/λ+λ 以外的区域[15],其中 D 为发射线圈最大直径,λ 为电磁波波长。在远场区,辐射场起主导作用,电磁波可近似看作平面波,工作频率高于 300 MHz,可以采用 Maxwell 方程来分析该类系统,但由于天线尺寸与波长相当,因此不能采用集总参数方式分析工作过程,根据其原理不同,远场区无线电能传输技术可分为微波式和激光式。


微波式无线电能传输技术可实现远距离传输和小型化设计,但是由于辐射功率与传输距离的平方成反比,且远场大功率传输受法律制约 [16]。因此,该技术一般被应用于小功率、远距离设备,如射频识别卡等,而大功率微波式无线充电只在特殊行业应用,如军事或航天领域 [17-18],不宜用于车辆的无线充电系统。


激光式无线电能传输技术可实现更长距离电能传输以及更小尺寸设计,且对周围环境电磁干扰较低,但是转化效率低,且大气吸收和散射会产生额外损耗,在几百 W 传输功率下,传输效率低于 25%[19-20],同时对人体有伤害,因此其应用局限于军事和航天领域,也很难用于电动汽车无线充电系统。



1.2.2 近场区


近场区是距场源 2D^2/λ+λ 以内的区域,包含辐射近场区和感应近场区,其分界边界为 0.62(D^3/λ)^0.5。近场工作频率范围为 10 kHz~100 MHz,可采用 Faraday 电磁感应定律分析该类系统,由于发射与接收设备尺寸大多小于 λ/10,因此适用于集总参数法。根据耦合方式不同,近场无线电能传输技术可分为磁场耦合式和电场耦合式两类,而根据是否发生谐振,磁场耦合式又包括感应耦合式和磁谐振耦合式两类。目前,近场电能传输技术被车辆无线充电系统广泛采用。


感应耦合式无线充电机理类似于无补偿电路的可分离变压器 [21],由于发射线圈与接收线圈间气隙较窄,且线圈依附铁磁性材料,因此耦合系数通常高于 0.5。该技术线圈间互感相对漏感较强,近距离传输效率较高,但对于距离非常敏感,不适于稍远距离的无线充电,同时由于铁磁性材料的存在,其绕组尺寸与质量较大,高频下铁损较高。因此,该方案适合于充电距离小于线圈尺寸的低频工作范围。


磁谐振耦合式无线充电系统是基于磁场谐振耦合机理实现中等距离(一般为线圈尺寸数倍)无线充电的技术方案。相对于感应耦合式无线充电技术,其显著特点为电路拓扑结构中具有调谐网络,能够实现漏感补偿和频率调谐,提高传输距离,且当充电路径中的障碍物离线圈距离较远时,不会对无线充电产生显著影响 [22]。2007 年麻省理工学院(MIT)的 Marin Soljacic 教授团队利用该技术实现了距离 2m、功率 60W 的传输,线圈间传输效率可达 40% ~ 50% [22]。由于其在充电距离、充电效率和电磁辐射方面的显著优势,近几年成为研究热点。


电场耦合式无线电能传输系统发射端和接收端分别连接金属平板 [23-24],且为提高其传输效率,平板材料需采用高介电常数电介质。由于电场被限定于平板间气隙内,因此对外界电磁干扰较低 [25],但是为了实现高效电能传输,平板间距需要很小,平板面积需要很大,并且对补偿电感值要求较高,因而高频下铜损和铁损较高,技术可行性较低。2012 年日本丰桥技术科学大学针对 1/32 的实车模型开展了相关研究,但该技术未实现商业化应用 [26]。


各类无线电能传输技术性能对比在表 1 中列出,通过比较可以发现,在传输距离、体积、质量和成本等方面,磁谐振耦合式以及感应耦合式电能传输技术相对其他无线电能传输技术具有显著优势,更适合于电动汽车大气隙(15 ~ 45cm)、高效率(>85%),大功率(kW 级)的无线充电技术需求。


表 1  各类无线电能传输技术性能对比 [15-16,21,27-28]



2 电动汽车无线充电技术研究热点


2.1 电力电子拓扑结构与工作特点


图 4  典型电动汽车无线充电系统电力电子拓扑结构及电能表现形式


电动汽车无线充电系统工作目标是将电网中的电能传输到车载蓄电池中,因此其电源端与电网相连,负载端与车载蓄电池相接,传输环节电力电子拓扑结构及电能表现形式如图 4 所示。其电能传输过程包括有线传输和无线传输两部分。


在电能的有线传输环节中(图中黑色线路),电网中的交流电通过电磁干扰滤波器滤除杂波,进入整流器,变为直流,功率因数校正单元能够提高功率因数,改善电能质量,而功放电路则能够将直流电变为高频交流电,进而通入由调谐网络和励磁线圈组成的 LC 谐振电路中形成正弦交流电,同时在励磁线圈周边空间形成高频交变磁场。而在接收端,负载线圈中感应出的交流电流经过整流和滤波,流入蓄电池中,为蓄电池充电。


在电能的无线传输环节中,通过感应耦合方式,励磁线圈产生的高频交变磁场在距其最近的发射线圈中感应出交流电流,接收线圈也在距其最近的负载线圈中感应出交流电流,各环节中交流电流频率均相同;而通过磁谐振耦合方式,自振频率相同的发射线圈与接收线圈实现了高效耦合,从而保障了电能的中等距离传输。


值得注意的是,电动汽车无线充电系统中的电力电子拓扑结构与有线式充电桩主电路拓扑结构相似,其区别在于后者将无线传输环节中的线圈结构变为了变压器结构,从而使发射端电路与接收端电路通过变压器实现物理连接,再经过整流滤波后接入电动汽车充电插口。


针对电力电子拓扑结构,国内外研究点主要集中在功放电路和调谐(补偿)网络两方面。


表 2  功放电路拓扑结构比较


现有研究中,用于电动汽车无线充电系统的功放电路拓扑结构主要包括全桥逆变电路和E型功放电路,其拓扑结构及优缺点在表 2 中列出。


图 5  调谐网络拓扑结构不同组合


调谐网络用于连接变换器与线圈,降低无用功,提高电能传输效率。根据调谐网络结构不同,可将其分为 5 种,分别为 S、P、CC、LC(CL)和LCC(CCL),其电路结构及现有研究中发射端与接收端主要组合方式在图 5 中已给出。


对于发射端:


  • S 型拓扑输入阻抗较低,适用于大功率器件,且易实现电压反馈调节;

  • P 型拓扑谐振频率与耦合系数、负载相耦合,易受扰动,且输入阻抗较大,因此实际应用较少;

  • CC 型拓扑能够提高线圈间的横向偏移裕度 [36];

  • LC 型拓扑能够获得较高功率因数,从而提高电能传输效率;

  • 而 LCC 型拓扑则能够进一步降低开关损耗,实现输出电流与负载解耦,增加电路功率因数,从而降低控制难度,提高电能传输效率。


但是电路结构愈复杂,其成本和体积也越大,电路参数匹配难度越高。


对于接收端,S 型拓扑能够输出平稳电压,P 型拓扑则能够输出平稳电流,而以 P 型拓扑为基础衍生出来的 CC 型、CL 型和 CCL 型拓扑则能进一步实现输出电流与负载的解耦,提高输出功率可控性,有助于实现较高功率因数,使其成为理想电流源,进而提高系统的传输功率。同时,从图 5 可知,目前仍有多种组合拓扑结构未开展研究。因此,调谐网络拓扑结构和组合方式有待开展更深入的探索工作。



2.2 磁耦合元件结构


磁耦合元件是电动汽车无线充电系统中实现电能与场能相互转化的元件,通常由高电导率部件和高磁导率部件组成。高电导率部件是电能的导体,考虑高频下的趋肤效应和邻近效应,通常选择铜管或利兹线绕制;高磁导率部件是场能的载体,构成磁路的一部分,可提高发射端与接收端耦合系数,降低磁场在汽车金属部件内引起的电涡流损耗,增强系统功率密度,通常可选用铁氧体材料。磁耦合元件发射端通常固定,而接收端则有固定式和移动式两类。



2.2.1 固定式磁耦合元件


固定式结构通常包含两类,一类是平板式,即将螺旋线圈平行布置在铁磁性材料上;另一类是圆柱式,即将螺线管式线圈绕在铁磁性材料上,前者在实际中应用较为广泛。




图 6  奥克兰大学单侧多线圈平板式磁耦合元件 [45-46,50]


在平板式磁耦合元件设计中,新西兰奥克兰大学以及国内东南大学研究团队 [49] 等都有相关研究成果,奥克兰大学 J.T.Boys 教授团队的研究成果具有代表性,他们起步于 20 世纪 90 年代,并分别在 2009 年和 2013 年提出了第 1 代和第 2、3 代平板式磁耦合元件结构 [45-46,50],如图 6 所示。


由于基体为铁氧体,此类耦合元件通常较脆,需要用软塑料或橡胶材料填充其缝隙,并用铝板包裹侧边和背面,以降低电磁辐射。从结构上讲,圆形充电平板可以允许汽车从任何一个方向靠近,位置较为灵活,而矩形平板则能提供更大的耦合面积。分析显示,采用 DD 形平板作为发射平板,安装在地面,DDQ 或 BP 形平板作为接收平板,安装在汽车底盘能够取到最理想的充电效果 [50]。



2.2.2 移动式磁耦合元件


对于移动式磁耦合元件,发射端通常为一条固定在路基的通电长直轨道,或由多个沿道路串行布置的磁耦合元件构成,接收端则是安装在汽车底部的平板式耦合器。


当汽车沿路面驶过,车载平板式耦合器中激发出电流,为车载蓄电池充电,从而实现行进状态充电。基于轨道供电的行进状态充电最早是由美国劳伦斯伯克利国家实验室开展实车试验 [51],加拿大庞巴迪公司的三相式轨道供电列车 [52-53] 以及 Ross 提出的充电平板分布式移动充电方式 [54] 也具有一定可行性。




图 7  韩国科学技术院 OLEV 无线充电电动汽车轨道方案 [57-59]


在国内,重庆大学 [55] 和天津工业大学 [56] 也分别针对行进中的电动汽车和高速列车提出了无线供电方案。而在已经商业化的产品中,韩国科学技术院(KAIST)ChunT.Rim 教授团队研究的在线式电动汽车(On-line Electric Vehicle,OLEV)[57-59] 具有代表性,其无线充电设计方案演变过程如图 7 所示。



2.3 能量传输特性


电动汽车无线充电系统能量传输技术指标主要体现在 3 个方面,即传输功率(单套磁耦合元件能够传输的最大功率)P、传输距离(耦合器间距)S 和传输效率 η,而与之相关的参数又包括无线充电系统工作频率 f、耦合面积(磁耦合元件最大平面面积)A、偏移裕度 ε(水平方向偏移长度除以耦合元件横向最大外径)等。国际范围内各研究机构在电动汽车无线充电技术领域实现的能量传输指标如表 3 所示


表 3  电动汽车无线充电能量传输水平




基于统计结果绘制了相关特性影响因素和发展趋势如图 8、图 9 所示。图 8 为传输效率随耦合器面积与传输距离比值的变化趋势。图 9 展示了无线充电系统频率与功率随时间的变化趋势。




图 8  耦合器面积和传输距离对效率的影响


由图 8 可知,随着耦合器面积与传输距离之比的增加,传输效率总体趋于增大,这主要与耦合系数增大相关,而近些年随着相关技术的进步,实现了同等传输效率下,更小耦合器面积和更远距离的传输。



图 9  工作频率与传输功率限值


从图 9 中可以获得 3 个方面的信息:


1)大部分研究成果工作频率集中在 20 kHz 和 100 kHz,这主要与电磁辐射限值和电力电子器件工作频率相关;

2)从全局来看

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