电动汽车无线充电技术的研究进展

ISSN1674-8484CN11-5904/U汽车安全与节能学报,2015年,第6卷第4期JAutomotiveSafetyandEnergy,2015,Vol.6No.4电动汽车无线充电技术的研究进展高大威，王 硕，杨福源（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京，100084，中国）摘 要： 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。关键词： 电动汽车；无线充电技术(WCT)；无线电能传输；电力电子；感应耦合；磁谐振耦合中图分类号： U469.72+2文献标识码： ADOI:10.3969/j.issn.1674-8484.2015.04.002State-of-artofthewirelesschargingtechnologiesforelectricvehiclesGAODawei,WANGShuo,YANGFuyuan(StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Asoneofcontactlesselectricpowertransfertechnologiesforelectric-vehicle(EV)charging,theWirelessChargingTechnology(WCT)hasthehighlightsofhighsafety,intelligentoperation,flexibleconfigurations,etc.Thispaperreviewedthetechnicalarchitecture,categoriesandfeaturesforEVWCT.Thestate-of-artofseveralhotissuesweresummarized,includingpowerelectronictopologies,couplerstructures,powertransferlevels,modelingapproaches,biosafety,etc.,andpracticalachievementsoftherelativeautomotiveenterprisesandlaboratorieswerealsoconcluded.Thefuturetechnicaldevelopingtrendsforthistechnologyincludetheinnovationandoptimizationofpowerelectronicstopologiesandcontrolalgorithms,thebiosafetyandtheutilizationofnewmaterials,etc.,andtheapplicativetrendscovertheon-linewirelesscharging,assistantdriving,V2X((Vehicle-to-Grid,V2G),(Vehicle-to-Home,V2H),etc.)bidirectionalpowertransfer,etc.Keywords:electricvehicle(EV);wirelesschargingtechnology(WCT);wirelesspowertransfer;powerelectronics;inductivecouple;magneticresonantcouple收稿日期 / Received ： 2015-09-17基金项目 / Supported by ： 北京市科技计划项目（Z121100007912001）；清华大学苏州研究院基金课题（2015WJ-A-01）第一作者 / First author ： 高大威（1971—），男（汉），北京，副研究员。E-mail:[e-mail]第二作者 / Second author ： 王硕（1991—），男（汉），北京，硕士研究生。E-mail:[e-mail]02/14314—327315高大威，等：电动汽车无线充电技术的研究进展近些年，电动汽车无线充电技术(wirelesschargingtechnology，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10kHz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8kW和60kW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3kW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：1）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。2）充电间距：垂直方向15~45cm[11]，水平方向偏移量应大于15cm，倾斜方向应保证侧倾角裕度达到15°。3）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。4）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40~80cm之间，质量应该在50kg以内[12-14]。5）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。供电部分： ACSource—交流电源；Rectifier&PFC&Amplifier—整流、功率因数校正与功放电路；TuningNetwork—一次侧调谐电路；TxCoil—发射线圈；受电部分： RxCoil—接收线圈；TuningNetwork—二次侧调谐电路；Rectifier&Regulator—整流和车载能量管理电路；Battery—蓄电池图1 电动汽车无线充电系统结构Rectifier&PFC&AmplifierTuningNetworkTuningNetworkRectifier&RegulatorBatteryACTxCoilRxCoilSource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2D2/l+l以外的区域[15]，其中D为发射线圈最大直径，l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300MHz，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，汽车安全与节能学报3162015年第6卷第4期图2 电动汽车无线充电系统技术体系能量变换与控制电磁转换与耦合本质属性基本要求高效科学问题多源能量双向耦合管理支撑技术电磁场分析、计算与仿真图3 无线电能传输技术类别无线电能传输技术远场区近场区激光式微波式电场耦合式磁场耦合式感应耦合式磁谐振耦合式电动汽车无线充电技术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2D2/l+l以内的区域，包含辐射近场区和感应近场区，其分界边界为0.62D3/l。近场工作频率范围为10kHz~100MHz，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l/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MarinSoljacic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