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【职教毕业设计论文】电动汽车无线充电技术研究与应用探讨
摘要：能源危机和环境问题越来越受到人们的重视，电动汽车以其节能、环保、低噪声、零排放等优点受到人们的青睐，同时无线充电技术具有接触式充电所不能比拟的优势，因此对电动汽车采用无线充电技术更加符合未来社会的发展趋势。介绍了三种常用的无线充电技术，描述了国内外电动汽车无线充电技术的研究现状。着重总结了感应耦合式和磁耦合谐振式在电动汽车无线充电应用中存在的问题及相应的解决方案。最后对WPT技术在电动汽车无线充电中的发展方向进行概述。
中文引用格式：张鑫，贾二炬，范兴明. 电动汽车无线充电技术研究与应用探讨[J].电子技术应用，2017，43(1)：148-151，155.
英文引用格式：Zhang Xin，Jia Erju，Fan Xingming. Discussion of research and application on wireless power transfer technology in electric vehicle wireless charge[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：148-151，155.
汽车行业的迅速发展，在方便人类的同时也会对能源和环境带来巨大的压力。电动汽车(Electric vehicle，EV)能有效地缓解能源危机，减少环境污染，以其高效、节能、低噪声、零排放等优点越来越受到各国政府和企业的重视，汽车的电气化是未来发展的必然趋势。另一方面，电动汽车的充电方式分为有线充电和无线充电。有线充电在电能传输过程中易产生火花，影响用电设备的寿命和安全，同时维护困难、灵活性较差，在雨雪等恶劣环境下充电困难[1]。而无线充电具有更高的灵活性和稳定性，能够减少对电网冲击的影响。同时还可以实现动态供电，这恰恰解决了目前电动汽车动力电池容量有限而导致续航能力不足这一关键技术问题[2]。利用无线充电技术可以实现人性化、智能化，同时还解决了接触式充电在安全维护方面的问题[3]。因此，对电动汽车采用无线充电技术更加符合未来社会的发展方向。
本文在前人研究的基础上，对电动汽车无线充电技术进行探讨。首先介绍了三种常用的无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，WPT)技术的传输机理。其次描述了三种技术在国内外的研究现状，并对存在的问题及相应的解决措施进行总结。最后概述了WPT在电动汽车无线充电中的发展方向。
常见的WPT技术主要包括：感应耦合式、微波输能式以及耦合谐振式三类[4]。
感应耦合能量传输(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)技术是利用松耦合变压器，在变压器一次侧通入交变电流，通过电磁感应原理在变压器二次侧产生感应电流，实现电能的无线传输[5]。
耦合谐振无线能量传输(Magenetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT)技术基于近场强耦合理论，同样以电磁场为媒介，通过发射线圈与接收线圈之间的耦合谐振作用，实现电能的无线传输[6]。由于该技术利用近场区的能量非辐射特性，使能量在具有相同谐振频率的发射线圈与接收线圈之间来回传递，不同频率的物体基本不受影响，导致该技术可以实现高效、相对ICPT技术较远距离的能量传输。
微波输能(Microwave Power Transfer，MPT)技术是通过微波功率发生器将直流电能转换成微波能量，并由发射天线聚焦后向整流天线高效发射，微波能量经自由空间传播到整流天线，并经过整流天线的整流滤波电路转换为直流功率后给负载供电。该技术将能量直接从发射端传送到接收端，传输损耗只有大气损耗、雨衰和遮挡物损耗等[7]。表1对三种技术的特性进行概述。
WPT技术能否用于电动汽车的三个主要因素是：大功率、高效率和远距离[8]。由表1可知：MCR-WPT的传输距离适中，对横向偏移有更大的适应度[9]，是目前最被看好的用于电动汽车的无线充电的方式。ICPT虽然存在传输距离短，横向偏移容差小的问题，但是由于该技术研究起步早，相对成熟，已经成功运用在了EV无线充电中。而MPT技术传输功率小，效率较低，在应用于电动汽车无线充电方面还需要进一步研究。
电动汽车无线充电原理如图1所示。具体原理是：从电网输出的电能经过控制调理电路满足系统的输入电压、输入电流及工作频率等的需要，而后经过发射线圈，利用WPT技术，将能量传递到接收线圈，在控制调理电路的处理下，转换成适合给电动汽车动力电池充电的电压、电流，从而实现电动汽车的无线充电。
2.1 ICPT在EV无线充电中的应用
新西兰奥克兰大学NAGENDRA G R等人最早将ICPT技术应用于EV中，在传输距离为20 cm时实现了10 kW的电动汽车无线充电系统，横向偏移误差可达到20 cm[10]。韩国科学技术学院SHIN J等人利用该技术实现了线上电动汽车(Online Electric Vehicle，OLEV)的无线充电，传输距离为26 cm，输出功率为100 kW，传输效率达到80%，第一代线上电动汽车系统已经被商业化应用在首尔大公园[11]。东北电力大学刘闯等人搭建了一个5.5 kW的电动汽车无线充电系统，效率可达到95.73%[12]。虽然该技术取得了一定的进展，但是仍有问题需要解决。
WPT应用在电动汽车上的前提条件是传输距离最小不能低于20 cm[13]，而ICPT技术存在的最大问题就是传输距离小，一般该技术的传输距离不大于15 cm[14]。为此，韩国明知大学LEE J Y等人提出了一个适用于电动汽车的大间隙双向无线能量传输充电器，通过利用PWM控制，保证系统可以在12～20 cm的距离下稳定的工作[15]。新西兰奥克兰大学BUDHIA M等人采用将线圈直径增大到700 mm，实现了20 cm的无线能量传输[16]。其次，该技术横向偏移容差小：当发射线圈和中心线圈不能完全对准时，系统的传输效率会迅速下降。针对该问题，刘闯等人通过合理设计双LCL补偿网络参数，可将横向偏移增加到12 cm[12]。韩国先进科技学院CHOI S Y等人提出采用不对称的线圈结构将横向位移增加到40 cm，可以满足电动汽车无线充电需求[17]。西班牙萨拉戈萨大学VILLA J L结合串联拓扑和并联拓扑的优点，提出一种发射端串并补偿，拾取端串联补偿的拓补结构，将错位容差的范围增大25%[18]。
在磁芯线圈参数设计方面，系统传输性能和空间尺寸、系统成本等因素相互制约。所以如何实现大功率高效率及小型化的系统设计一直是该技术研究的难点。西南交通大学马林森等人综合E型磁芯和U型磁芯的优点，提出了一种新型磁芯结构，能够提高系统的效率和稳定性[19]。美国橡树林实验室，日本埼玉大学分别采用方形圆角线圈结构，H型磁芯结构实现了千瓦级别的无线能量传输[20-21]。
2.2 MCR-WPT在EV无线充电中的应用
MCR-WPT技术一经问世，就受到各国研究人员的广泛关注。美国威斯康辛大学Sesung-Hwan Lee等人在工作频率为3.7 MHz，传输距离为30 cm的条件下，实现了3 kW的无线能量传输，效率达到了95%[22]。马来西亚多媒体大学UDDIN M K等人在工作频率大于400 kHz，传输距离为20～30 cm的条件下，实现了大于3 kW的能量传输[23]。中国科学院电工研究所廖成林等人基于该技术设计的系统可实现3.3 kW的无线能量传输，传输距离为超过22 cm，与底盘高度相当[24]。东南大学黄学良教授课题组设计了约为3.5 kW的电动汽车无线充电系统，传输距离约为25 cm[25]。
MCR-WPT虽然优点很突出，但缺点也很明显。在频率方面主要存在着失谐[26]和频率分裂[27]两个问题。华南理工大学傅文珍等人指出受到电磁场环境、温度的影响，以及工作过程中系统的传输距离和负载发生变化时，发射端的等效电感会发生变化，进而造成失谐[26]。为此，文中提出了采用锁相环PLL控制方法。通过检测系统输入端电压和电流，比较两者间的相位进而产生误差电压，由该误差电压控制调节压控振荡器，使其输出新的工作频率来使系统重新达到谐振状态。韩国三星高级技术研究所KIM N Y等人提出采用扰动分析法，选择初始的工作频率，然后以一定的步长迭代，搜寻能够满足一定传输效率的工作频率，然后将搜索到的频率设为系统新的工作频率[28]。针对频率分裂问题，哈尔滨工业大学吕玥珑等人通过合理设计参数不同的线圈，能够使系统无法满足频率分裂的条件，从而有效地解决频率分裂问题[29]。日本东京大学BEH T C等人提出采用自动阻抗匹配方法，利用Γ型匹配电路，选用继电器结合二进制电容的自动调节控制方法，将分裂的偶模式下的工作频率调整到ISM频段的13.56 MHz，提高系统在该频率下的传输性能[30]。
MCR-WPT的两线圈间传输效率高，但是受到驱动源损耗、开关损耗、涡流损耗、工作负载、阻抗匹配程度等多方面的影响，导致其整体效率并不高。中国科学院电工研究所陈德清等人通过研究系统的损耗模型，得出了当磁体结构成发射状时系统的总损耗最小[31]。上海交通大学傅旻帆等人指出采用DC-DC变换，跟踪静态和动态下最优负载值，进而提高系统的输出功率或传输效率[32]。另外韩国电气研究院Kim Jung-Ho等人指出采用多线圈结构，能够提高系统的耦合强度，进而提高传输效率[33]。
由于ICPT和MCR-WPT均是以电磁场为媒介，因此涉及到电磁安全问题。必须采取相应的措施来减弱或消除这些危害。东南大学陈琛等人指出在引入汽车金属底盘后，能够对磁场产生屏蔽作用，可很好地对人体进行保护[25]。韩国先进科技学院KIM S通过引入一个串联连接了补偿电容的谐振线圈来实现磁场屏蔽[34]。中国科学院电工研究所朱庆伟等人提出在发射装置外沿加装水平屏蔽带的屏蔽方式，实验证明了该方法的可行性[35]。
2.3 MPT在EV无线充电中的应用
MPT有很强的穿透效率，但是要求能量定向精确，能量利用效率低，且易受气候条件影响。MPT多用于太阳能卫星、临近空间飞行器等远距离输能，目前在低功率应用领域得到关注。为了将该技术应用于电动汽车无线充电中，人们进行了以下探索：
三菱重工开发了基于微波 WPT 的电动汽车充电系统，系统能量变换效率仅有38%。从2003年到2008年，日本京都大学与尼桑汽车公司合作，在工作频率为2.45 GHz的条件下，开发了基于MPT技术的电动汽车无线充电系统，传输距离约为10 cm[36]。该校的OIDA A等人设计了越野车辆模型并对系统进行测试，系统的传输效率不到1%。为了改善性能，由原来的喇叭型天线改为抛物线型，效率虽然提高到了5%，但还是不能满足实际工作需求[37]。由此可见，该技术在现阶段存在的主要问题是传输效率太低。
为了能够实现电动汽车无线充电的商业化，需要从以下几个方面进行进一步研究：
(1)智能取电，能量加密。当多辆电动汽车同时进行无线充电时，需要将能量加密，对负载识别，考虑该给哪辆汽车充电，充多少电量的问题。只有经过识别认证的车辆，才能允许充电。
(2)有序充电。在无序充电的情况下，大量电动汽车的充电会加剧电网负荷波动，使电网能量损耗和经济效益恶化，因此，采取合理的有序充电控制策略能有效地提高电网对大规模充电负荷的容纳能力。
(3)智能导航系统。研发智能导航系统，引导电动汽车停泊或行驶在与发射装置对准性较高的位置，既能经济有效地利用电能，又能降低系统设计的难度和要求。
(4)新材料的应用。通过新材料的应用，减小系统的损耗，提高系统的输出功率、传输效率，以及增大传输距离、降低错位容差和方向性的要求，增强系统的适用度。
对电动汽车采用无线充电更加符合未来社会的发展趋势。本文主要介绍了三种WPT技术的工作原理及其在电动汽车无线充电中的应用并对在应用中存在的问题以及解决方法进行总结。希望通过本文的总结分析能为WPT技术在电动汽车无线充电中的研究与应用提供有益的参考。
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文献28-37略
作者信息
张 鑫，贾二炬，范兴明
桂林电子科技大学 电气工程及其自动化系，广西 桂林541004
