[科普中国]-电动汽车无线充电的磁耦合结构

背景

石油是人类生存必不可少的资源，但是石油属于不可再生能源。面对石油消耗终端不断增大（庞大的汽车数量）和不断减少的石油储量，电动汽车有替代传统汽车的趋势。推广电动汽车的障碍在于电动汽车的充电机充电问题。

目前，电动汽车的充电机充电方式有三种：有线充电机充电、无线充电机充电和更换电池方案。有线充电机充电的技术成熟，成本低，但是面临着雨雪天气有触电的危险；更换电池的方案看似完美，但是不同汽车产商之间的电池差异明显，不具有普遍性；而无线充电机充电是近年来兴起的充电机充电方式，虽然技术不够成熟，成本高，但是，它具有便捷、安全的优势，引起社会的广泛关注。

无线电能传输的研究可以追溯到19世纪末，尼古拉·特斯拉就梦想着实现隔空传能，但是由于技术原因未能实现。无线电能传输经过一百多年缓慢发展，直到2007年麻省理工大学的物理教授Marin Soljacic带领的研究团队在《Science》发表了谐振式无线电能传输技术的论文[1]后，引起学术界的轰动，带来无线电能传输的研究热潮。随之，各大企业也纷纷展开无线电能传输的应用开发，典型的比如Witricity、Evatran、Qualcomm等。1

最基本的磁耦合结构仅从线圈的绕制方式可以将磁耦合结构分为最基本的3种。分别是环形线圈，螺线管线圈和8字形线圈，其中8字形线圈也称为DD线圈。这三种线圈各有各的特点。

环形线圈是最早采用的磁耦合结构，其绕制方便，分析简单。虽然环形线圈的耦合较差，但是铁损和铜损也很小。以长方形环形线圈为例，结构示意图如图1所示。

螺线管线圈属于典型的“铜包铁”结构，其磁力线集中，耦合系数高。但是，高耦合系数带来的代价是较大的铜损和铁损。无线充电机充电中典型的螺线管线圈如图2所示

8字形线圈是与环形线圈相似，由两个环形线圈反向串联而成，产生方向相反的磁场。8字形线圈的耦合系数和损耗介于环形线圈和螺线管线圈之间。结构如图3所示。1

国外研究现状虽然麻省理工大学把无线电能传输带入大众的视野，然而，在无线电能传输的应用上，奥克兰大学的研究是最具代表性的。在无线电能传输研究的早期，奥克兰大学对CP(circle pad)线圈、DD线圈 (8字形线圈)以及E型磁芯接收线圈等结构进行优化。

虽然CP线圈和DD线圈作为接收侧在理想情况下能够实现高效的传输，然而，实际中存在泊车位置偏移造成收发线圈错位，为了实现同样的功率传输除了采用足够大的发射线圈外就是增加逆变器的输入电压，这些都是十分不经济的做法。而E型磁芯作为接收侧可以绕制多个绕组，虽然能够提高线圈偏移后的性能，但是结构过于笨重，不易于扁平化设计，因此并不适合于电动汽车使用。

为了解决这一问题，奥克兰大学提出了DDQ线圈结构[6 7]，即在DD线圈的基础上增加一个Q线圈。DD线圈和Q线圈正交，产生的磁场互不影响，两线圈分别输出，输出电压经过整流后再并联。DDQ线圈结构和相应的充电机电路拓扑如图4所示。

在奥克兰大学后续研究中，学者们更多关注泄露磁场的抑制方面。以发射侧为DD线圈，接收侧为BP线圈为例，改进结构如图7所示。将线圈外侧的导线分层紧密绕制，磁芯尺寸大于线圈尺寸，为漏磁通提供低磁阻回路。当接收线圈水平偏移200mm时，与传统结构相比，在1/2传输高度下，距线圈800mm处的漏磁场能够减小46%。1

国内研究现状国内的无线电能传输起步较晚，但是也取得一些成就。重庆大学是国内最早进入无线电能传输领域的研究机构。重庆大学将4个D线圈串联，称为DLDD结构，为了减轻重量，将磁芯改为双“田”字结构，线圈绕制方式、结构以及17cm传输高度下产生的磁场分布如图所示。该结构具有很好的抗偏移能力，当线圈尺寸为60cm*60cm，水平偏移量20cm时，传输效率仍有82.3%。

南京航空航天大学和中兴新能源汽车合作，先后提出了带扩展臂磁芯结构和绕组混合绕法结构。图(a)中采用两个大面积的磁芯作为磁极，减小磁阻，线圈采用8字形绕法。

图(b)是在图(a)的基础上，磁芯中柱再增加一个螺线管绕组，增加收发线圈的耦合。图(b)的结构应用在中兴新能源汽车上，充电机充电效率超过90%。从磁场的分布来分析，在空间上，场的分布基本上都具有三维特征，如果能够将各个方向的磁场全部耦合到接收线圈，那么，输出功率一定是最大的。1

影响因素电动汽车无线充电机充电相比传统的插电式充电机充电具有便捷、安全、免维护等优点，有着巨大的潜力。磁耦合结构是影响传输效率及输出功率的重要因素，而且合理的结构能够大大减小漏磁场的泄露。相比国外研究机构，国内的研究略显单薄。目前磁耦合方案的设计主要是提高耦合系数，然而，影响传输效率的因素除了线圈的耦合系数，还与线圈Q值密切相关。1

发展趋势与传统插电式充电方式相比，电动汽车无线充电具有方便、安全和免维护的巨大优势。电动汽车用无线充电系统的研发已经成为业界热点，但是其产品化、商业化的进程才刚刚开始，还有许多实际的工程问题需要解决，在未来几年依然是行业热点。

电动汽车无线充电用磁耦合机构是无线充电系统中最为关键的部件，其研究难点与未来发展趋势主要在以下几个方面：

(1)通过优化线圈、磁性材料结构进一步提高磁耦合机构的耦合系数，提高系统效率，减小周围磁场辐射。

(2)适用于电动汽车无线充电应用的高效磁场屏蔽技术。

(3)通过改进结构或者结合电路控制进一步

提高磁耦合机构对横向偏移的容忍度，降低电动汽车无线充电使用过程中对汽车泊车位置的要求，提高使用方便性。

(4)通过改进磁耦合机构提高无线充电系统对不同车型，不一致的车体环境的兼容性。2