電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)(WCT)是一種應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電的非直接接觸式電能傳輸技術(shù)，具有運(yùn)行安全、充電智能、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)。

本文對(duì)電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)體系、類別與技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了綜述。其研究熱點(diǎn)包括：電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、磁耦合元件結(jié)構(gòu)、能量傳輸水平、建模思路、生物安全等，對(duì)上述熱點(diǎn)問題研究進(jìn)展進(jìn)行了匯總。概述了相關(guān)汽車企業(yè)與實(shí)驗(yàn)室的實(shí)用化成果。

該技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)包括：電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制算法的創(chuàng)新與優(yōu)化、生物安全以及新材料應(yīng)用等，而應(yīng)用趨勢(shì)則包括：行進(jìn)狀態(tài)充電、輔助駕駛和 V2X(車輛到電網(wǎng)(Vehicle-to-Grid，V2G)﹑車輛到住宅(Vehicle-to-Home，V2H)等雙向電能傳輸?shù)取?/p>

本文來自 2015 年 12 月 15 日出版的《 汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào) 》 ，作者是清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高大威、王碩和楊福源。

近些年，電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)(Wireless Charging Technology，WCT)得到了越來越多的關(guān)注。無線充電系統(tǒng)不含外漏端口，無需人工操作，不占據(jù)地上空間，能夠?qū)崿F(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)和行進(jìn)狀態(tài)充電，因而其相對(duì)于有線充電方式，具有運(yùn)行安全、充電智能、方案配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，并且有望降低電動(dòng)汽車蓄電池用量和整車質(zhì)量 [1]，減少能源消耗。

無線充電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一定空間距離的高效非直接接觸電能傳輸。1893 年科學(xué)家 NikolaTesla 在哥倫比亞世博會(huì)上首次采用無線電能傳輸方式，點(diǎn)亮了磷光照明燈 [2]，其后，無線電能傳輸技術(shù)在交通領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。1894 年 M.Hutin 獲得了一項(xiàng)軌道交通無線充電系統(tǒng)專利[3]。1974 年 D.V.Otto 提出了一種充電電流為 2000A，頻率為 10 kHz 的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 [4]。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室在 1976 年和 1992 年開展了兩項(xiàng)無線充電研究工作，分別測(cè)試了功率 8 kW 和 60 kW 的可移動(dòng)式充電汽車 [5-8]，雖然未能真正商業(yè)化應(yīng)用，但在其后，無線充電技術(shù)在汽車行業(yè)得到迅速發(fā)展。2008 年無線充電聯(lián)盟「Qi」標(biāo)準(zhǔn)的制定，標(biāo)志著無線充電技術(shù)真正進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營模式 [9]。而在中國，2013 年 12 月，東南大學(xué)成功研制出了充電功率達(dá) 3 kW 的無線充電電動(dòng)汽車[10]。

電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)屬于無線電能傳輸技術(shù)的一種，在技術(shù)需求方面具有以下特殊性：

功率等級(jí)：幾千瓦到幾十千瓦，且充電時(shí)間較短，因此要求充電系統(tǒng)容量較大;

充電間距：垂直方向 15 ~ 45 cm [11]，水平方向偏移量應(yīng)大于 15 cm，傾斜方向應(yīng)保證側(cè)傾角裕度達(dá)到 15°;

充電效率：通常來講，電網(wǎng)到車載電池的充電效率需大于 85% 才具有實(shí)用價(jià)值;

系統(tǒng)尺寸與質(zhì)量：考慮到汽車底盤體積、承載能力、輪距，以及無線充電系統(tǒng)比功率等因素，系統(tǒng)橫向尺寸應(yīng)在 40 ~ 80 cm 之間，質(zhì)量應(yīng)該在 50 kg 以內(nèi) [12-14];

數(shù)據(jù)通訊：為了實(shí)現(xiàn)充電系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行和充電參數(shù)的智能調(diào)節(jié)，同時(shí)配合自動(dòng)泊車等輔助駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)通訊功能。

隨著電力電子技術(shù)、蓄電池技術(shù)以及電動(dòng)汽車整車技術(shù)的進(jìn)步，無線充電技術(shù)在近些年得到了迅速發(fā)展，并展現(xiàn)出較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。本文將從技術(shù)體系、類別和技術(shù)特點(diǎn)等方面對(duì)電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和提煉，分析電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、磁耦合元件結(jié)構(gòu)、能量傳輸特性、系統(tǒng)建模思路、生物安全等熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題研究現(xiàn)狀，匯總各大汽車企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)無線充電技術(shù)最新研發(fā)進(jìn)展，并從技術(shù)和應(yīng)用角度對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)體系、分類與特點(diǎn)

1.1 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)體系

圖 1 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)通常分為供電和受電兩部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 2 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)技術(shù)體系

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的本質(zhì)是電能的變換與控制，可靠、高效、安全是基本要求。無線充電技術(shù)基于電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化與協(xié)調(diào)控制、電磁能量傳遞生物安全和多源能量雙向耦合管理三個(gè)科學(xué)問題，依托電路設(shè)計(jì)與參數(shù)匹配優(yōu)化、EMC與輻射安全防護(hù)、非線性系統(tǒng)分析與控制、車輛相關(guān)技術(shù)等技術(shù)支撐，形成了電力電子、電磁場(chǎng)、車輛相關(guān)理論、電化學(xué)、非線性系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)通信等多學(xué)科交叉，相互影響、深度耦合的技術(shù)體系，如圖 2 所示。

1.2 類別與性能特點(diǎn)

圖 3 無線電能傳輸技術(shù)類別

無線電能傳輸方式包含遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)傳輸和近場(chǎng)區(qū)傳輸兩大類，如圖 3 所示。

1.2.1 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)

遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)是距場(chǎng)源 2D^2/λ+λ 以外的區(qū)域[15]，其中 D 為發(fā)射線圈最大直徑，λ 為電磁波波長。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，輻射場(chǎng)起主導(dǎo)作用，電磁波可近似看作平面波，工作頻率高于 300 MHz，可以采用 Maxwell 方程來分析該類系統(tǒng)，但由于天線尺寸與波長相當(dāng)，因此不能采用集總參數(shù)方式分析工作過程，根據(jù)其原理不同，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)無線電能傳輸技術(shù)可分為微波式和激光式。

微波式無線電能傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸和小型化設(shè)計(jì)，但是由于輻射功率與傳輸距離的平方成反比，且遠(yuǎn)場(chǎng)大功率傳輸受法律制約 [16]。因此，該技術(shù)一般被應(yīng)用于小功率、遠(yuǎn)距離設(shè)備，如射頻識(shí)別卡等，而大功率微波式無線充電只在特殊行業(yè)應(yīng)用，如軍事或航天領(lǐng)域 [17-18]，不宜用于車輛的無線充電系統(tǒng)。

激光式無線電能傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更長距離電能傳輸以及更小尺寸設(shè)計(jì)，且對(duì)周圍環(huán)境電磁干擾較低，但是轉(zhuǎn)化效率低，且大氣吸收和散射會(huì)產(chǎn)生額外損耗，在幾百 W 傳輸功率下，傳輸效率低于 25%[19-20]，同時(shí)對(duì)人體有傷害，因此其應(yīng)用局限于軍事和航天領(lǐng)域，也很難用于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)。

1.2.2 近場(chǎng)區(qū)

近場(chǎng)區(qū)是距場(chǎng)源 2D^2/λ+λ 以內(nèi)的區(qū)域，包含輻射近場(chǎng)區(qū)和感應(yīng)近場(chǎng)區(qū)，其分界邊界為 0.62(D^3/λ)^0.5。近場(chǎng)工作頻率范圍為 10 kHz~100 MHz，可采用 Faraday 電磁感應(yīng)定律分析該類系統(tǒng)，由于發(fā)射與接收設(shè)備尺寸大多小于 λ/10，因此適用于集總參數(shù)法。根據(jù)耦合方式不同，近場(chǎng)無線電能傳輸技術(shù)可分為磁場(chǎng)耦合式和電場(chǎng)耦合式兩類，而根據(jù)是否發(fā)生諧振，磁場(chǎng)耦合式又包括感應(yīng)耦合式和磁諧振耦合式兩類。目前，近場(chǎng)電能傳輸技術(shù)被車輛無線充電系統(tǒng)廣泛采用。

感應(yīng)耦合式無線充電機(jī)理類似于無補(bǔ)償電路的可分離變壓器 [21]，由于發(fā)射線圈與接收線圈間氣隙較窄，且線圈依附鐵磁性材料，因此耦合系數(shù)通常高于 0.5。該技術(shù)線圈間互感相對(duì)漏感較強(qiáng)，近距離傳輸效率較高，但對(duì)于距離非常敏感，不適于稍遠(yuǎn)距離的無線充電，同時(shí)由于鐵磁性材料的存在，其繞組尺寸與質(zhì)量較大，高頻下鐵損較高。因此，該方案適合于充電距離小于線圈尺寸的低頻工作范圍。

磁諧振耦合式無線充電系統(tǒng)是基于磁場(chǎng)諧振耦合機(jī)理實(shí)現(xiàn)中等距離(一般為線圈尺寸數(shù)倍)無線充電的技術(shù)方案。相對(duì)于感應(yīng)耦合式無線充電技術(shù)，其顯著特點(diǎn)為電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中具有調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)漏感補(bǔ)償和頻率調(diào)諧，提高傳輸距離，且當(dāng)充電路徑中的障礙物離線圈距離較遠(yuǎn)時(shí)，不會(huì)對(duì)無線充電產(chǎn)生顯著影響 [22]。2007 年麻省理工學(xué)院(MIT)的 Marin Soljacic 教授團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了距離 2m、功率 60W 的傳輸，線圈間傳輸效率可達(dá) 40% ~ 50% [22]。由于其在充電距離、充電效率和電磁輻射方面的顯著優(yōu)勢(shì)，近幾年成為研究熱點(diǎn)。

電場(chǎng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)發(fā)射端和接收端分別連接金屬平板 [23-24]，且為提高其傳輸效率，平板材料需采用高介電常數(shù)電介質(zhì)。由于電場(chǎng)被限定于平板間氣隙內(nèi)，因此對(duì)外界電磁干擾較低 [25]，但是為了實(shí)現(xiàn)高效電能傳輸，平板間距需要很小，平板面積需要很大，并且對(duì)補(bǔ)償電感值要求較高，因而高頻下銅損和鐵損較高，技術(shù)可行性較低。2012 年日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)針對(duì) 1/32 的實(shí)車模型開展了相關(guān)研究，但該技術(shù)未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用 [26]。

各類無線電能傳輸技術(shù)性能對(duì)比在表 1 中列出，通過比較可以發(fā)現(xiàn)，在傳輸距離、體積、質(zhì)量和成本等方面，磁諧振耦合式以及感應(yīng)耦合式電能傳輸技術(shù)相對(duì)其他無線電能傳輸技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，更適合于電動(dòng)汽車大氣隙(15 ~ 45cm)、高效率(>85%)，大功率(kW 級(jí))的無線充電技術(shù)需求。

表 1 各類無線電能傳輸技術(shù)性能對(duì)比 [15-16,21,27-28]

2 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)研究熱點(diǎn)

2.1 電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作特點(diǎn)

圖 4 典型電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電能表現(xiàn)形式

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)工作目標(biāo)是將電網(wǎng)中的電能傳輸?shù)杰囕d蓄電池中，因此其電源端與電網(wǎng)相連，負(fù)載端與車載蓄電池相接，傳輸環(huán)節(jié)電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電能表現(xiàn)形式如圖 4 所示。其電能傳輸過程包括有線傳輸和無線傳輸兩部分。

在電能的有線傳輸環(huán)節(jié)中(圖中黑色線路)，電網(wǎng)中的交流電通過電磁干擾濾波器濾除雜波，進(jìn)入整流器，變?yōu)橹绷?，功率因?shù)校正單元能夠提高功率因數(shù)，改善電能質(zhì)量，而功放電路則能夠?qū)⒅绷麟娮優(yōu)楦哳l交流電，進(jìn)而通入由調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和勵(lì)磁線圈組成的 LC 諧振電路中形成正弦交流電，同時(shí)在勵(lì)磁線圈周邊空間形成高頻交變磁場(chǎng)。而在接收端，負(fù)載線圈中感應(yīng)出的交流電流經(jīng)過整流和濾波，流入蓄電池中，為蓄電池充電。

在電能的無線傳輸環(huán)節(jié)中，通過感應(yīng)耦合方式，勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的高頻交變磁場(chǎng)在距其最近的發(fā)射線圈中感應(yīng)出交流電流，接收線圈也在距其最近的負(fù)載線圈中感應(yīng)出交流電流，各環(huán)節(jié)中交流電流頻率均相同;而通過磁諧振耦合方式，自振頻率相同的發(fā)射線圈與接收線圈實(shí)現(xiàn)了高效耦合，從而保障了電能的中等距離傳輸。

值得注意的是，電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中的電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與有線式充電樁主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似，其區(qū)別在于后者將無線傳輸環(huán)節(jié)中的線圈結(jié)構(gòu)變?yōu)榱俗儔浩鹘Y(jié)構(gòu)，從而使發(fā)射端電路與接收端電路通過變壓器實(shí)現(xiàn)物理連接，再經(jīng)過整流濾波后接入電動(dòng)汽車充電插口。

針對(duì)電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，國內(nèi)外研究點(diǎn)主要集中在功放電路和調(diào)諧(補(bǔ)償)網(wǎng)絡(luò)兩方面。

表 2 功放電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較

現(xiàn)有研究中，用于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的功放電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括全橋逆變電路和E型功放電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)在表 2 中列出。

圖 5 調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同組合

調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)用于連接變換器與線圈，降低無用功，提高電能傳輸效率。根據(jù)調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，可將其分為 5 種，分別為 S、P、CC、LC(CL)和LCC(CCL)，其電路結(jié)構(gòu)及現(xiàn)有研究中發(fā)射端與接收端主要組合方式在圖 5 中已給出。

對(duì)于發(fā)射端：

S 型拓?fù)漭斎胱杩馆^低，適用于大功率器件，且易實(shí)現(xiàn)電壓反饋調(diào)節(jié);

P 型拓?fù)渲C振頻率與耦合系數(shù)、負(fù)載相耦合，易受擾動(dòng)，且輸入阻抗較大，因此實(shí)際應(yīng)用較少;

CC 型拓?fù)淠軌蛱岣呔€圈間的橫向偏移裕度 [36];

LC 型拓?fù)淠軌颢@得較高功率因數(shù)，從而提高電能傳輸效率;

而 LCC 型拓?fù)鋭t能夠進(jìn)一步降低開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)輸出電流與負(fù)載解耦，增加電路功率因數(shù)，從而降低控制難度，提高電能傳輸效率。

但是電路結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，其成本和體積也越大，電路參數(shù)匹配難度越高。

對(duì)于接收端，S 型拓?fù)淠軌蜉敵銎椒€(wěn)電壓，P 型拓?fù)鋭t能夠輸出平穩(wěn)電流，而以 P 型拓?fù)錇榛A(chǔ)衍生出來的 CC 型、CL 型和 CCL 型拓?fù)鋭t能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輸出電流與負(fù)載的解耦，提高輸出功率可控性，有助于實(shí)現(xiàn)較高功率因數(shù)，使其成為理想電流源，進(jìn)而提高系統(tǒng)的傳輸功率。同時(shí)，從圖 5 可知，目前仍有多種組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)未開展研究。因此，調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組合方式有待開展更深入的探索工作。

2.2 磁耦合元件結(jié)構(gòu)

磁耦合元件是電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電能與場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)化的元件，通常由高電導(dǎo)率部件和高磁導(dǎo)率部件組成。高電導(dǎo)率部件是電能的導(dǎo)體，考慮高頻下的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，通常選擇銅管或利茲線繞制;高磁導(dǎo)率部件是場(chǎng)能的載體，構(gòu)成磁路的一部分，可提高發(fā)射端與接收端耦合系數(shù)，降低磁場(chǎng)在汽車金屬部件內(nèi)引起的電渦流損耗，增強(qiáng)系統(tǒng)功率密度，通?？蛇x用鐵氧體材料。磁耦合元件發(fā)射端通常固定，而接收端則有固定式和移動(dòng)式兩類。

2.2.1 固定式磁耦合元件

固定式結(jié)構(gòu)通常包含兩類，一類是平板式，即將螺旋線圈平行布置在鐵磁性材料上;另一類是圓柱式，即將螺線管式線圈繞在鐵磁性材料上，前者在實(shí)際中應(yīng)用較為廣泛。

圖 6 奧克蘭大學(xué)單側(cè)多線圈平板式磁耦合元件 [45-46,50]

在平板式磁耦合元件設(shè)計(jì)中，新西蘭奧克蘭大學(xué)以及國內(nèi)東南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì) [49] 等都有相關(guān)研究成果，奧克蘭大學(xué) J.T.Boys 教授團(tuán)隊(duì)的研究成果具有代表性，他們起步于 20 世紀(jì) 90 年代，并分別在 2009 年和 2013 年提出了第 1 代和第 2、3 代平板式磁耦合元件結(jié)構(gòu) [45-46,50]，如圖 6 所示。

由于基體為鐵氧體，此類耦合元件通常較脆，需要用軟塑料或橡膠材料填充其縫隙，并用鋁板包裹側(cè)邊和背面，以降低電磁輻射。從結(jié)構(gòu)上講，圓形充電平板可以允許汽車從任何一個(gè)方向靠近，位置較為靈活，而矩形平板則能提供更大的耦合面積。分析顯示，采用 DD 形平板作為發(fā)射平板，安裝在地面，DDQ 或 BP 形平板作為接收平板，安裝在汽車底盤能夠取到最理想的充電效果 [50]。

2.2.2 移動(dòng)式磁耦合元件

對(duì)于移動(dòng)式磁耦合元件，發(fā)射端通常為一條固定在路基的通電長直軌道，或由多個(gè)沿道路串行布置的磁耦合元件構(gòu)成，接收端則是安裝在汽車底部的平板式耦合器。

當(dāng)汽車沿路面駛過，車載平板式耦合器中激發(fā)出電流，為車載蓄電池充電，從而實(shí)現(xiàn)行進(jìn)狀態(tài)充電?；谲壍拦╇姷男羞M(jìn)狀態(tài)充電最早是由美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)車試驗(yàn) [51]，加拿大龐巴迪公司的三相式軌道供電列車 [52-53] 以及 Ross 提出的充電平板分布式移動(dòng)充電方式 [54] 也具有一定可行性。

圖 7 韓國科學(xué)技術(shù)院 OLEV 無線充電電動(dòng)汽車軌道方案 [57-59]

在國內(nèi)，重慶大學(xué) [55] 和天津工業(yè)大學(xué) [56] 也分別針對(duì)行進(jìn)中的電動(dòng)汽車和高速列車提出了無線供電方案。而在已經(jīng)商業(yè)化的產(chǎn)品中，韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)ChunT.Rim 教授團(tuán)隊(duì)研究的在線式電動(dòng)汽車(On-line Electric Vehicle，OLEV)[57-59] 具有代表性，其無線充電設(shè)計(jì)方案演變過程如圖 7 所示。

2.3 能量傳輸特性

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)能量傳輸技術(shù)指標(biāo)主要體現(xiàn)在 3 個(gè)方面，即傳輸功率(單套磁耦合元件能夠傳輸?shù)淖畲蠊β?P、傳輸距離(耦合器間距)S 和傳輸效率 η，而與之相關(guān)的參數(shù)又包括無線充電系統(tǒng)工作頻率 f、耦合面積(磁耦合元件最大平面面積)A、偏移裕度 ε(水平方向偏移長度除以耦合元件橫向最大外徑)等。國際范圍內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)在電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的能量傳輸指標(biāo)如表 3 所示

表 3 電動(dòng)汽車無線充電能量傳輸水平

基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制了相關(guān)特性影響因素和發(fā)展趨勢(shì)如圖 8、圖 9 所示。圖 8 為傳輸效率隨耦合器面積與傳輸距離比值的變化趨勢(shì)。圖 9 展示了無線充電系統(tǒng)頻率與功率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖 8 耦合器面積和傳輸距離對(duì)效率的影響

由圖 8 可知，隨著耦合器面積與傳輸距離之比的增加，傳輸效率總體趨于增大，這主要與耦合系數(shù)增大相關(guān)，而近些年隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了同等傳輸效率下，更小耦合器面積和更遠(yuǎn)距離的傳輸。

圖 9 工作頻率與傳輸功率限值

從圖 9 中可以獲得 3 個(gè)方面的信息：

1)大部分研究成果工作頻率集中在 20 kHz 和 100 kHz，這主要與電磁輻射限值和電力電子器件工作頻率相關(guān);

2)從全局來看，隨著頻率的增加，傳輸功率在下降，其主要與電力電子器件技術(shù)發(fā)展水平有關(guān);

3)隨著時(shí)間的推移，功率與頻率的乘積(P_out*f)在上升，其值也表征了商業(yè)化電力電子器件技術(shù)水平的提高。

不同時(shí)間段對(duì)應(yīng)的平均值如表 4 所示。

表 4 不同時(shí)段功率與頻率乘積平均值

由表 4 可知，在 2005 到 2015 的十年間，功率與頻率的乘積增長了 7 倍左右，且有繼續(xù)增長的趨勢(shì)，而這種增長趨勢(shì)表征無線充電設(shè)備正在向高功率密度、大傳輸距離和小型化方向發(fā)展。

2.4 系統(tǒng)建模

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)模型包括互感模型 [62-63]，耦合模模型 [22]，散射矩陣模型 [64]，帶通濾波器模型 [65] 等。其中，國內(nèi)外多數(shù)理論研究以互感模型和耦合模模型為主。

2.4.1 互感模型

圖 10 磁諧振耦合式無線充電系統(tǒng)等效電路 [63]

基于電路理論，磁諧振耦合式無線充電系統(tǒng)可統(tǒng)一等效為圖 10 所示電路模型?？紤]到中間傳輸環(huán)節(jié)存在多線圈結(jié)構(gòu)，因此，設(shè)定線圈總數(shù)為 n。當(dāng)各線圈自振頻率相同時(shí)，傳輸阻抗最小，系統(tǒng)耦合程度最高。

根據(jù) Kirchhoff 電壓定律，等效電路數(shù)學(xué)模型用如下公式表示：

在諧振狀態(tài)下，線圈感抗與容抗相互抵消，即 jωL_i = -1/( jωC_i)，阻抗虛部為零，系統(tǒng)傳輸 效率 η 可定義為輸出功率 P_L 與輸入功率 P_in 的比值，I_i 為線圈 i 的有效電流值，則：

同時(shí)，通過求解等效電路數(shù)值模型，可以計(jì)算得到系統(tǒng)功率特性與效率特性，進(jìn)而可以優(yōu)化性能參數(shù)。

2.4.2 耦合模模型

耦合模理論是一種重要且準(zhǔn)確的用于描述高頻波動(dòng)振蕩或傳輸特性的解析方法，可用于研究兩個(gè)或多個(gè)電磁波模式間相互耦合的規(guī)律。以兩線圈強(qiáng)耦合磁諧振式無線充電系統(tǒng)為例，從耦合模理論出發(fā)，其數(shù)學(xué)模型 [66] 可表示為：

滿足如下假設(shè)條件：1) 諧振頻段足夠窄;2) 系統(tǒng)整體表現(xiàn)是由相互存在耦合的孤立單元組成，這種耦合只會(huì)對(duì)每一個(gè)單元的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生微小的擾動(dòng)，而耦合系統(tǒng)的整體表現(xiàn)是由獨(dú)立單元的微擾疊加而來。則可以得到如下系統(tǒng)整體效率表達(dá)式 [22]：

式中：下標(biāo) S、D、W 分別代表發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載線圈。在存在激勵(lì)源的條件下，帶入耦合系數(shù)，可以進(jìn)一步求解系統(tǒng)傳輸性能。

2.5 生物安全性研究

由于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)工作在高頻下，電能與場(chǎng)能不斷交替轉(zhuǎn)化，在周邊區(qū)域激發(fā)高頻交變電磁場(chǎng)，因此其電磁輻射水平是否對(duì)生物安全產(chǎn)生影響，對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用至關(guān)重要。電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)制定的《處于射頻電磁場(chǎng) 3 kHz ~ 300 GHz 的人體安全等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn) [67] 和國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)制定的《限制時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)暴露的導(dǎo)則(1 Hz 到 100 kHz 或 300 GHz 以下)》[68-69] 規(guī)定了高頻設(shè)備周邊電場(chǎng)與磁場(chǎng)強(qiáng)度的限值。

圖 11 無干擾情況下電場(chǎng)與磁場(chǎng)強(qiáng)度的公眾曝露控制限值

針對(duì)電磁能量水平不同，考慮我國實(shí)際情況，中國可按照《電磁環(huán)境控制限值》(GB 8702-2014)規(guī)定的公眾曝露控制限值作為電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)輻射限值標(biāo)準(zhǔn)。各類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度(E)和磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)的不同限值示于圖 11。

由圖可知，對(duì)于現(xiàn)有電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)工作頻率范圍(100 MHz 以內(nèi))，頻率越高，控制限值越低，并且我國的限值要求相對(duì)國際標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，因此對(duì)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的電磁輻射安全性要求更高。

圖 12 基于人體模型的 SAR 值仿真研究 [72]

針對(duì)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)電磁輻射生物安全性，Wu H.H 等人對(duì) Witricity 系統(tǒng)做過相關(guān)電磁場(chǎng)強(qiáng)度分析 [13]，測(cè)試了無線充電系統(tǒng)工作時(shí)，附近區(qū)域人體膝蓋，腹股溝，胸部和頭部的磁場(chǎng)強(qiáng)度;O.C.Onar 等也做了相似的研究，他們測(cè)試了一輛電動(dòng)汽車無線充電過程中，駕駛員一側(cè)前輪、地板、座椅和頭枕部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度[14];A.Christ 等人基于成人和兒童的人體解剖模型，測(cè)量了不同矢狀面的電磁波比吸收率(Specific Absorption Rate,SAR)，分析了四線圈式充電系統(tǒng)的輻射對(duì)人體的影響 [70-72]，如圖 12 所示。

而關(guān)于電磁輻射防護(hù)方法，現(xiàn)有研究理論中包含主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)。主動(dòng)防護(hù)方法包括加入電磁干擾防護(hù)線圈 [73-74]，以及用容性線圈代替自諧振線圈，降低諧振頻率等 [66]，而被動(dòng)防護(hù)主要依賴于鐵磁性材料和其他具有較好電磁屏蔽性能材料的應(yīng)用 [75-86]。

3. 實(shí)用化相關(guān)成果

3.1 各大汽車企業(yè)無線充電技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

在國際范圍內(nèi)，針對(duì)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)，各大整車企業(yè)也在加緊開展技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品推廣：

豐田、日產(chǎn)和本田等多家汽車公司聯(lián)手美國 Witricity 公司，開發(fā)了 WiT-3300 平板式無線充電系統(tǒng)，其整體傳輸功率為 3.3 kW，傳輸效率達(dá) 90%，可在100~200 mm 范圍內(nèi)進(jìn)行充電 [87]，而該產(chǎn)品將在 2015 款英菲尼迪LE豪華電動(dòng)汽車和 2016 款 PRUIS 裝配 [88];

寶馬 i8 系列車型裝備了高通公司的 Halo 無線充電產(chǎn)品[89]，他們的 DD 型充電平板在 20 kHz 工作頻率下能夠?qū)崿F(xiàn) 3~20 kW 的功率傳輸，而適用于汽車行進(jìn)狀態(tài)充電的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)間距在 250~300 mm 范圍內(nèi) 20~30 kW 的功率傳輸 [90];

汽車零部件制造商博世(Bosch)則與美國Evatran公司合作推出了 Plugless L2 無線充電系統(tǒng) [91]。該產(chǎn)品可無線充電，能輔助駕駛員自動(dòng)泊車，將裝配日產(chǎn) Leaf 和雪佛蘭 Chevy Volt 兩款車型 [92];

德國康穩(wěn)(Conductix)[93]、加拿大龐巴迪(Bombardier)[94-98]、美國宇航局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)[99]、美國 HEVO Power 公司 [100] 和美國 WAVE 公司 [101] 也紛紛推出了移動(dòng)交通無線充電產(chǎn)品。

在國內(nèi)，東風(fēng)汽車公司聯(lián)手中興通訊，在湖北襄陽打造了中國第一條大功率無線充電公交示范線，充電功率達(dá) 60 kW [102];蜀都客車也與中興通訊聯(lián)合推出了全國首個(gè)無線充電城市微循環(huán)公交解決方案 [103];北汽新能源計(jì)劃在 2015 年下半年為 E150 EV 車型裝配無線充電設(shè)備 [104]。此外，宇通、長安、奇瑞等汽車制造商也紛紛投入無線充電技術(shù)研發(fā)行列。

3.2 實(shí)驗(yàn)室裝置與樣機(jī)

在千瓦級(jí)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)研究方面，國外研究機(jī)構(gòu)主要包括新西蘭奧克蘭大學(xué)、韓國科學(xué)技術(shù)院、日本埼玉大學(xué)、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、美國猶他州立大學(xué)和美國密歇根大學(xué)-迪爾伯恩校區(qū)等。

新西蘭奧克蘭大學(xué)(University of Auckland)J.T.Boys 教授團(tuán)隊(duì)起步較早，在 2000 年即提出了總傳輸功率 17 kW 的旅客輸送車設(shè)計(jì)方案，2009 年他們提出了功率 2 kW 的平板式磁耦合元件設(shè)計(jì)方案 [45]，并于 2013 年改進(jìn)了磁耦合元件結(jié)構(gòu)，提高了磁場(chǎng)覆蓋面積和偏移裕度，降低了制造成本 [46,50]，其充電平板可同時(shí)應(yīng)用于靜止?fàn)顟B(tài)充電和行進(jìn)狀態(tài)充電;

韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)ChunT.Rim 教授團(tuán)隊(duì)的在線式電動(dòng)汽車(OLEV)項(xiàng)目能夠使行進(jìn)狀態(tài)的汽車從公路電網(wǎng)中攝取電能[58]，從 2009 年起他們陸續(xù)提出了五代設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了200 mm 間距內(nèi)單體 27 kW 功率的傳輸 [59];

日本埼玉大學(xué)(Saitama University)在 2011 年測(cè)試了一種 H 型磁芯的線圈結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 7 cm 范圍內(nèi) 1.5~3.0 kW 的功率傳輸[12];

美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory，ORNL)分別于 2011 年和 2013 年提出了無鐵氧體和有鐵氧體的磁耦合元件，實(shí)現(xiàn)了單體 2.5 kW 和單體 3 kW 的能量傳輸 [14,29,70-71]，但前者體積較大，其磁耦合元件也能同時(shí)應(yīng)用于電動(dòng)汽車靜態(tài)和行進(jìn)狀態(tài)充電;

猶他州立大學(xué)(Utah State University)Hunter H.Wu 等在 2012 年試驗(yàn)了傳輸功率 5kW 的平板式磁耦合元件[13]，系統(tǒng)傳輸效率超過了 90%;

美國密歇根大學(xué)-迪爾伯恩校區(qū)(University of Michigan Dearborn)的 Chunting Chris Mi 教授團(tuán)隊(duì)則分別在 2014 年和 2015 年設(shè)計(jì)并制作了單體功率 8 kW 和 5.6 kW 的平板式磁耦合元件，直流到直流傳輸效率均超過 95%[38,60]，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖 13 所示，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的功率與頻率的乘積值為目前最大。

圖 13 美國密歇根大學(xué)-迪爾伯恩校區(qū)無線充電實(shí)驗(yàn)裝置 [38]

在國內(nèi)，東南大學(xué)、重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中科院電工研究所等，也均開展了適用于電動(dòng)汽車 kW 級(jí)功率需求的無線充電裝置設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。

東南大學(xué)在雙中繼線圈無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與效率優(yōu)化方面開展了較多研究 [49];

重慶大學(xué)提出了電動(dòng)車在線供電系統(tǒng)配電方案 [55]，解決了一些電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)實(shí)用化問題;

哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用高磁導(dǎo)率平板磁芯繞組，設(shè)計(jì)了 1.85 kW 無線電能傳輸系統(tǒng) [105];

中科院電工研究所提出了基于電容優(yōu)化實(shí)現(xiàn)無線充電系統(tǒng)傳輸效率和水平偏移裕度提升的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 [11,30]。

4. 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1)電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制算法的創(chuàng)新與優(yōu)化。無線充電系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升，很大程度上依賴于功放電路和調(diào)諧(補(bǔ)償)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)與優(yōu)化，更需要控制方法的改進(jìn)。研發(fā)出具有高功率因數(shù)，低輸入阻抗和低匹配難度的電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出更加精確和穩(wěn)定的控制方法，對(duì)于提升無線充電系統(tǒng)偏移裕度、電路工作穩(wěn)定性和電能傳輸效率具有重要意義;

2)電磁能量傳遞生物安全。生物安全性是公眾關(guān)注的重要問題，無線充電系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用需要探索更具智能性和通用性的電磁輻射安全主動(dòng)防護(hù)方法;

3)新材料的引入與無線充電約束機(jī)制的改善。引入磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等參數(shù)更加優(yōu)越的先進(jìn)材料，有助于降低系統(tǒng)損耗，提升電能傳輸效率，近些年，超常規(guī)電磁材料(左手材料)[106]、磁電層狀復(fù)合材料 [107]、超導(dǎo)材料 [108] 等新材料的出現(xiàn)與應(yīng)用，為充電過程能量損耗的進(jìn)一步降低提供了可能，也為無線充電系統(tǒng)傳輸性能提升創(chuàng)造了空間。

4.2 應(yīng)用趨勢(shì)

1)汽車行進(jìn)狀態(tài)充電技術(shù)。電動(dòng)汽車發(fā)展瓶頸之一是蓄電池能量密度較低，存儲(chǔ)能量較少，而汽車行進(jìn)狀態(tài)充電技術(shù)，將電能發(fā)射線圈直接布置在道路基面以下，能夠?yàn)樾羞M(jìn)中的汽車充電，從而使汽車行駛消耗的電能得到及時(shí)補(bǔ)充，延長汽車?yán)m(xù)駛里程;

2)輔助駕駛技術(shù)。將無線充電與自動(dòng)泊車、自動(dòng)巡航等輔助駕駛技術(shù)相結(jié)合，提高整車駕駛性能以及無線充電效果;

3)V2X(車輛到電網(wǎng)(Vehicle-to-Grid，V2G)、車輛到住宅(Vehicle-to-Home，V2H)等)雙向電能傳輸。電動(dòng)汽車與電網(wǎng)智能雙向融合，能夠發(fā)揮削峰填谷的電能調(diào)控作用，使電動(dòng)汽車真正成為智能化移動(dòng)蓄能裝置，充分發(fā)揮電動(dòng)汽車的性能。

5. 總結(jié)

本文綜述了目前電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)研究現(xiàn)狀，在對(duì)無線充電技術(shù)體系、類別和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和提煉的基礎(chǔ)上，概述了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，包括：電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、磁耦合元件結(jié)構(gòu)、能量傳輸特性、系統(tǒng)建模、生物安全等，匯總了各大汽車企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)無線充電技術(shù)研發(fā)進(jìn)展。該技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)包括：電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制算法的創(chuàng)新與優(yōu)化、生物安全以及新材料應(yīng)用等，而應(yīng)用趨勢(shì)則包括：行進(jìn)狀態(tài)充電、輔助駕駛和 V2X(車輛到電網(wǎng)(Vehicle-to-Grid，V2G)、車輛到住宅(Vehicle-to-Home，V2H)等)雙向電能傳輸?shù)取?/p>

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)是一種復(fù)雜非線性磁電耦合系統(tǒng)，其性能的進(jìn)一步提升需要在本質(zhì)科學(xué)問題與共性技術(shù)體系方面做出更加深入的分析和探索，歸納更具普遍意義的技術(shù)方案與控制策略。分析研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，目前仍有很多工程問題有待解決，因此未來幾年，電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)仍然是行業(yè)熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)