[科普中国]-电动汽车无线充电技术

背景

为了节约能源，减少环境污染，电动汽车受到了世界各国的大力推广。目前，由于电池容量及充电基础设施等条件的限制，充电问题成为电动汽车发展过程中而临的最主要的瓶颈问题。由于无线充电技术可以解决传统传导式充电面临的接口限制、安全问题等而逐渐发展成为电动汽车充电的主要方式。然而，静态无线充电与有线充电同样存在着充电频繁、续航里程短、电池用量大且成本高昂等问题。特别是对于电动巴士一类的公交车辆，其连续续航能力格外重要。在这样的背景下，电动汽车动态无线充电技术应运而生，通过非接触的方式为行驶中的电动汽车实时地提供能量供给。

然而，随着研究的深入，许多关键问题与瓶颈需要解决，例如高性能磁耦合机构设计问题、电磁兼容问题、能量传输鲁棒控制问题等，这些问题的解决对于动态无线供电技术的发展具有指导性作用。低碳经济核心是新能源技术与节能减排技术的应用，电动汽车能够较好地解决机动车排放污染与能源短缺问题，是我国战略性新兴产业。作为电动汽车大规模推广应用的重要前提和基础，电动汽车充换电设施建设引起了各方广泛关注。新能源产业的发展，尤其纯电动汽车的快速增长，必然会对电动汽车的充电方式多样化和方便性提出更高的要求。无线充电技术作为一项新兴技术，目前商业化运作主要应用于手机、电脑、随身听等小功率设备的充电上，在电动汽车领域目前还是一个全新的概念1。随着无线充电技术的成熟，电动汽车将是无线充电设备最具潜力的市场。

无线充电技术无线充电技术引源于无线电力输送技术。无线电力传输也称无线能量传输或无线电能传输，主要通过电磁感应、电磁共振、射频、微波、激光等方式实现非接触式的电力传输。根据在空间实现无线电力传输供电距离的不同，可以把无线电力传输形式分为短程、中程和远程传输三大类2。

（1）短程传输。通过电磁感应电力传输(ICPT)技术来实现，一般适用于小型便携式电子设备供电。ICPT主要以磁场为媒介，利用可分离变压器耦合，通过初级和次级线圈感应产生电流，电磁场可以穿透一切非金属的物体，电能可以隔着很多非金属材料进行传输，从而将能量从传输端转移到接收端，实现无电气连接的电能传输。电磁感应传输功率大，能达几百千瓦，但电磁感应原理的应用受制于过短的供电端和受电端距离，传输距离上限是10 cm左右。

（2）中程传输。通过电磁耦合共振电力传输(ERPT)技术或射频电力传输(RFPT)技术实现，中程传输可为手机、MP3等仪器提供无线电力传输。ERPT技术主要是利用接收天线固有频率与发射场电磁频率相一致时引起电磁共振，发生强电磁耦合的工作原理，通过非辐射磁场实现电能的高效传输。电磁共振型与电磁感应型相比，采用的磁场要弱得多，传输功率可达几千瓦，能实现更长距离的传输，传输距离可达3-4 m。RFPT主要通过功率放大器发射射频信号，通过检波、高频整流后得到直流电，供负载使用。RFPT距离较远，能达10 m，但传输功率很小，为几毫瓦至百毫瓦。

（3）远程传输。通过微波电力传输(MPT)技术或激光电力传输(LPT)技术来实现。远程传输对于太空科技领域如人造卫星、航天器之间的能量传输以及新能源开发利用等有重要的战略意义。MPT是将电能转化为微波，让微波经自由空间传送到目标位置，再经整流，转化成直流电能，提供给负载。微波电能传输适合应用于大范围、长距离且不易受环境影响的电能传输，如空间太阳能电站等。LPT是利用激光可以携带大量的能量，用较小的发射功率实现较远距离的电能传输。激光方向性强、能量集中，不存在干扰通信卫星的风险，但障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换，射束能量在传输途中会部分丧失。

电动汽车动态无线充电技术国内外研究现状国外研究现状目前，新西兰奥克兰大学、日本东京大学、美国橡树岭国家实验室、韩国高等科学技术学院(KAIST)等国外研究团队己经对电动汽车动态无线供电相关的技术难点以及关键问题展开了一系列研究，主要集中在系统建模方法、电能变换拓扑结构、电磁藕合机构优化设计和电磁屏蔽技术等方而。新西兰奥克兰大学与德国康稳公司合作研制出世界上第一台无线充电大巴，功率为30 kW，同时也研制出100 kW无线供电列车样机，列车轨道长400 m，KAIST将采用动态无线充电技术的电动车称为在线电动车。2013年位于龟尾市的两条电动公交线路投入运行，线路总长为24 km，传输功率为100 kW,效率为850%3。

美国橡树岭国家实验室针对电动车动态无线充电的藕合机构、传输特性、介质损耗、电磁辐射展开研究，其地而发射装置采用全桥逆变和串联的两个初级绕组，实验结果表明传输功率和效率受电动汽车位置影响较大。

日本东京大学提出基于直流/直流变换器的副边最大效率控制方法，通过原边等效阻抗实时在线估计藕合系数，利用前馈控制器改变DC/DC变换器输入占空比实现最大效率控制。

在轨道列车的无线供电技术方而，韩国铁道研究院(KRRI)对整个轨道列车无线供电系统进行了设计研究，并做出了功率1 MW、轨道长128 m的实验装置。藕合机构采用发射端长直导轨，通过两个小U型磁芯增强藕合性能，由于轨道较长，电感较大，为减小电容电压应力，将电容分散在发射线圈中。

此外德国庞巴迪在电动汽车、有轨电车无线供电领域也处于较为领先的水平，由于商业化的原因，其相应的技术资料较少3。

国内动态无线充电技术发展动态国内各高校、研究所也相继开展了无线电能传输技术及应用的研究工作，并于2011年10月，由中国科协资助在天津工业大学举办了“无线电能传输关键技术问题与应用前景”学术沙龙，这是国内在无线电能传输领域的第一次学术会议，随后2012年在重庆举办了“无线电能传输技术研讨会”、2013年在贵阳举办了“无线电能传输关键技术与应用学术研讨会”、2014年在南京举办了“无线电能传输技术与应用国际学术会议”、2015年在武汉举办了“无线电能传输技术及应用学术会议”，展示了国内无线电能传输技术良好的发展态势和前景4。

国内几所较早开展与动态无线电能传输技术相关研究的高校主要包括华南理工大学、湖南大学、中国矿业大学、南京航空航天大学、上海交通大学、东南大学、天津工业大学、重庆大学、中科院电工所、西南交通大学、哈尔滨工业大学等。这些高校前期研究主要集中在大功率电力电子电能变换与拓扑设计、磁耦合机构优化设计、系统建模优化与控制、系统复杂动力学行为分析与控制、能量和信息同步传输、负载识别与异物检测、电磁兼容与电磁屏蔽等技术方而，相关理论、技术难点以及关键问题的研究己经取得一定成果，并且己经研制出原理样机。

东南大学对动态无线能量传输的原副边线圈尺寸对传输效率以及侧移的影响进行深入研究，并提出基于频率控制的方法达到系统能量传输效率最优。天津工业大学基于耦合模理论基础，分析了运动状态下的高速列车无线供电系统发射线圈与接收线圈固有谐振频率的变化对系统传输效率的影响，提出了一种可调节发射端功率因数的频率跟踪控制技术，并于2013年提出将动态无线能量传输技术应用于高速铁路列车充电的设想，建立了高铁充电沙盘模型，受到广泛关注。重庆大学提出了参数识别理论，以改善原边控制时副边参数难以调整的问题，在此基础上建立了系统的能量流动模型。

虽然世界各国研究机构仍在不断深入研究电动汽车动态无线供电技术，并且不断推进相关理论和技术研究的发展，但是其中依旧存在一定的关键技术需要研究，其中包括磁耦合机构设计与优化、系统鲁棒控制技术、电磁兼容技术研究，以便最大限度提升系统工作性能，保证系统的安全、可靠、稳定、高效运行。

电动汽车动态无线充电技术关键问题磁耦合机构设计与优化现有的动态无线供电导轨大致分为以下几类:分立形式的连续单线圈结构、矩形长线圈型与双磁极型。有文献提出一种新型三相交流激励能量发射导轨及Quadrature-type接收端，消除了三相交流电源之间的交叉藕合并增加了能量拾取机构横向偏移容忍度。但是长线圈方案普遍存在路而施工而积大、功率密度低、轨道两侧磁场暴露水平高等不足。

KAIST在奥克兰大学研究基础上在线圈中加入经过优化设计的磁芯结构，较奥克兰大学的解决方案提升了传输效率和传输距离，但是增加了设备成本5。

2015年KAIST研究人员针对沿行进方向存在耦合系数零点问题，提出了原边dq双相供电导轨结构。该结构虽然能够解决耦合系数零点问题，但由于采用原边电流相位检测双环控制，需要根据电能拾取机构空间移动位置，利用锁相环和直流斩波器实时控制d轴与y轴双供电导轨电流幅度与相位(二者相位差90度)。但控制环节过多，且额外引入的发射线圈、H桥与直流斩波器又增加了功率损耗，导致的系统效率降低问题难以避免。

哈尔滨工业大学通过多年的研究，提出一种基于多初级绕组并联方式的电动汽车公路式动态无线充电方法，利用分段导轨实现对行驶中的电动汽车无线供电，此外对双极型导轨结构进行了进一步优化，大幅降低了磁芯用量。之后又提出桥臂连接型多相接收端电能拾取机构，消除功率零点对传输}h}能及稳定性的影响。多相拾取机构由平板磁芯与多个绕制方向相同的接收线圈构成，间隔的两个线圈同名端相连，分别构成两相接收线圈。通过自解耦原理优化两相线圈的尺寸、位置等参数消除交叉藕合，使两相线圈可以在任意位置同时工作互不影响，实现高效能量接收。

能量传输鲁棒控制技术在动态无线电能传输控制技术方而，主要分为原边控制、副边控制和双边控制三种方式。奥克兰大学提出通过调节逆变器驱动信号占空比来控制原边谐振电流的方式，简化了系统的结构。 KAIST在系统设计上采用原边恒流控制，即在逆变器前端加入DC/ DC变换器，通过调节原边直流母线电压来实现逆变器输出恒流控制。原边控制的目的主要在于能够使供电导轨上产生恒定的交变磁场，进而实现对输出功率的鲁棒控制。香港大学研究人员提出无需双边通信的功率和最大效率双参数同步控制方法，通过DC / DC变换器调节副边等效交流阻抗实现最大效率控制，通过搜索原边输入功率最小值实现输出恒功率控制6。

对于动态无线电能传输的鲁棒控制策略，国外研究人员普遍采用PI控制算法，控制参数一般通过极点配置法选取，较为简单且易于实现。但是现有的建模与控制研究通常忽略电动汽车动态无线供电实际应用中的多种不确定扰动信息，系统动态响应特性以及多参数扰动下快速鲁棒控制器设计的研究函待进行。

电磁兼容技术动态无线电能传输利用高频强磁场实现电能的无线传输，自身工作频率较高，电磁环境复杂，因此电磁兼容设计是一项重要内容，具体包括磁屏蔽设计、频率配置、接地设计、剩磁设计、软件抗干扰设计等。

电动汽车无线电能传输电磁干扰抑制可分为主动屏蔽与被动屏蔽两类。被动屏蔽方而，主要是通过铁磁性材料为磁通提供一个可替代路径或者利用低磁导率金属导体材料产生一个与漏磁相反的磁场。利用铁磁性材料可改善磁藕合线圈的自感和互感系数，在增强耦合性能的基础上进一步优化磁场空间分布约束，磁路损耗较小，但屏蔽效果有限。金属屏蔽广泛应用于射频场合中，可抑制高频磁场电磁干扰。KAIST和橡树岭国家实验室的研究人员开展了金属导体材料磁屏蔽方而的研究，利用低磁导率金属导体来降低电磁干扰，该方案优点为设计简单、易于操作，但其局限性在于无法将发射线圈与接收线圈全部覆盖，导电材料在地而上的暴露磨损及存在的涡流损耗直接影响系统的性能。

主动屏蔽方而，主要通过在耦合机构附近放置一个有源或无源主动屏蔽线圈，用以产生抵消磁场，相比于金属屏蔽，所占空间更小。KAIST在2013年发表的文章中，提出了一种加入谐振线圈的主动磁场抵消方法，并在一个绿色公交系统中进行了实验。在此基础上，2015年又提出了一种基于双线圈和相位调节的谐振式无源主动屏蔽方案，将屏蔽线圈放置在藕合机构的一侧，通过漏磁场产生感应电流，生成一个与原磁场相反的抵消磁场，实现磁屏蔽功能。然而由于受到控制因素制约，要产生一个与原磁场相位相反、幅度完全相同的抵消磁场难度较大，且引入的屏蔽线圈带来的系统整体效率的降低成为不可忽视的短板。

多导轨充电技术（1）多级导轨模式分析

电动汽车无线供电系统的导轨模式分为单级导轨模式和多级导轨模式，如右图所示。对于单级导轨供电模式，系统工作时在初级回路中只有一条导轨和一套初级电能变换装置在工作。对于多级导轨供电模式，系统工作时在初级线圈中有多段导轨和多套电能变换装置在工作，当电动汽车行驶到哪一条导轨上时就由该条导轨给电动汽车供电，其余导轨处于待机状态。当汽车行驶到下一段导轨时就关断上一段导轨并开启下一段导轨给电动汽车供电。

由图可以看出单级导轨供电模式结构简单，容易控制和维护。但是由于导轨结构是单根长导轨，它也存在以下这些缺点：

①当导轨上行驶的汽车数量少时，系统的传输效率将会非常低；

②系统非常不稳定，对参数的变化敏感，任何微小的参数变化都可能导致系统无法稳定运行。

因此希望提出基于多级导轨模式的电动汽车不停车供电系统，解决单级导轨供电模式下系统传输效率低，对参数变化十分敏感等问题。

（2）单层多级导轨模式

在单层多级导轨模式中，系统供电导轨被切分成N段导轨，每段供电导轨都配备有各自的电能变换装置、谐振补偿装置和换流开关，如右图所示。电能从电网输出，通过每段供电导轨各自的电能变换装置将工频交流电转换为高频交流电，在换流开关的控制下注入到谐振补偿网络中，在每段供电导轨中产生高频激励电流。最后通过祸合机构将能量输送到系统次级回路。

由图看出单层多级导轨模式具有以下优点：

①实现了多级导轨的分时供电，提高了系统的传输效率；

②某一段导轨出现故障时，并不影响其他导轨的正常工作；

③降低了系统对参数变化的敏感性，提高了系统的稳定性；

但是，这种导轨模式也存在一些争论。如果导轨长度设计的非常短，可以大大减小系统损耗，提高系统传输效率。但是由于增加了许多电能变换装置，也增加了系统控制和维护的难度，降低了系统的稳定性。如果导轨长度设计的较长，可以大大减少电能变换装置的数量，但是电能变换装置的单机容量增大，对电子器件的要求更高。同时增加了系统对参数变化的敏感性，也降低了系统的稳定性。为了解决这些问题，本文提出了另一种多级导轨供电模式，即双层多级导轨模式。

（3）双层多级导轨模式

在单层多级导轨的基础上，将N个导轨段改为N个导轨组，在每个导轨组中只有一套电能变换装置将工频交流电转换为高频交变电后注入到供电导轨中。每个导轨组又被分为n个小的导轨段，这n个小的导轨段都配备有各自的谐振补偿装置和换流开关。它们根据自身的负载状况，自适应切换到导轨供电状态，即实现了对双层多级导轨的分级控制。双层多级导轨示意图如图所示。

双层多级导轨模式具有以下优点：

①实现了导轨的分时分段供电，减小系统损耗，提高系统传输效率；

②电能变换装置数量少，易于控制和维护；

③电能变换装置的功率等级小，减小了对电子器件的要求；

④降低了系统对参数变化的敏感性，提高了系统的稳定性。

无线充电技术亟待解决的关键问题高性能耦合机构设计问题与单极性长线圈型导轨相比，双极供电导轨具有功率密度高、尺寸紧凑、侧移适应性强、对轨道两侧磁场暴露水平低等特点，且地而施工难度小、磁极磁芯用量少、施工成本低，适合大规模工程应用，但是双极性导轨磁场分布不均匀，存在藕合零点问题，造成能量传输不连续，不仅影响系统稳定性，还会降低能量传输功率与效率，还需要对其结构进行进一步优化设计，提升动态无线供电平均传输效率与平均传输功率。

能量传输鲁棒控制问题双极型供电导轨动态无线供电系统中，由于藕合机构相对位置变化、分段导轨间磁场的不均匀分布、路基介质不同等多参数扰动的影响，能量传输处于快速非线性变化过程，如何提高系统稳定性，提升系统响应速度成为动态无线能量传输系统控制策略的研究目标。

电磁兼容问题电磁兼容问题与能量传输的质量、对系统造成的电磁干扰、对人体造成的影响等方而息息相关，只有有效地解决电磁兼容问题才能保证系统安全、可靠、稳定的运行。可见，如何在最小限度影响系统效率的情况下，高效、可靠地保证系统的电磁兼容性成研究的主要内容。

能源供给方式及充电技术优缺点分析传统电动汽车能源供给方式分类目前，电动汽车传统能源供给方式主要有电池更换、交流慢充和直流快充3种方式，均属于有线接触式充电1。

(1)电池更换方式是用充满电的电池组更换车辆上能量接近耗尽的电池组，一般在10 min以内即可完成。该方式可有效解决续驶里程不足问题，同时通过对电池组的集中充电和专业维护以及梯次利用，延长电池寿命，提高电动汽车经济性。对于用户而言，可以买车不买电池，降低了一次性购买成本。此外更换电池方式可充分利用低谷电价优势，降低充电成本。但由于电池组较重，更换电池的专业化要求较强，需配备专业人员借助专业机械来快速完成电池的更换、充电和维护，如何实现电池箱的标准化及电池快速更换的实用化是此模式普及的关键所在。

(2)交流慢充方式由交流充电桩提供电能，车载充电机完成交直流变换，充电功率一般不大，充电时间通常为5-8 h。该方式充电电流较小，可降低电池在充电过程中的发热量，提高充电效率和延长电池的使用寿命，但其问题是充电时间过长。

(3)直流快充方式由非车载充电机完成交直流变换，充电功率较大，通常情况下常规充电时间在3-4 h左右;也可提供20 min -2h之内。以较大电流提供快速充电，一般充电电流为150 -400 A。经常性大电流快速充电会大大缩短电池使用寿命，对充电接头的规格、充电设施的容量也提出了更高的要求。另外，快速充电引起的大电流变化将对电网造成冲击，引起公共电网电压波动，大功率充电机产生的大量谐波，也会影响公共电网的电能质量。

有线和无线充电技术优缺点分析有线充电技术具有如下优点:能源转换一次性获得，电能损失小，节能环保;交直流转换一次性，不存在中高频电磁辐射;充电桩及充电机等充电设备技术门槛不太高，经济投入不大，维修方便;充电功率调节范围较宽，适合多种不同电压和电流等级的动力电池储能补给。其缺点是：充电设备的移动搬运和电源的引线过长，人工操作繁琐;充电站及充电设备公共占地而积过大;人工操作过程中，极易出现设备的过度磨损等不安全性隐患。

无线充电技术具备如下优点:使用方便、安全，无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣环境和天气。其缺点是：设备的经济成本投入较高，维修费用大;实现远距离大功率无线电磁转换，能量损耗相对较高;无线充电设备的电磁辐射会对环境造成污染。

结语电动汽车无线充电技术具有方便、快捷的优点，但目前还处于研发和探索阶段，在实用化方而还有大量的工作要做。此外根据当前能源匾乏的实际情况，电动汽车实现大功率无线充电技术的产业化运作还为时过早，但作为未来灵活的充电方式，进行前期探索很有必要。随着该技术的不断完善，同时结合中国智能电网的建设，其在电动汽车智能充换电服务网络方而的应用必将大大推动电动汽车的大规模应用。