電動(dòng)汽車無(wú)線充電耦合器綜述

董福祿，凌順和，陳淑偉

(1.北京中建建筑設(shè)計(jì)院有限公司山東分公司，山東青島266071;2.中鐵建工集團(tuán)青島工程有限公司，山東青島266000;3.中電科二十二所天博信息科技公司，山東青島266000)

電動(dòng)汽車無(wú)線充電耦合器綜述

董福祿1，凌順和2，陳淑偉3

(1.北京中建建筑設(shè)計(jì)院有限公司山東分公司，山東青島266071;2.中鐵建工集團(tuán)青島工程有限公司，山東青島266000;3.中電科二十二所天博信息科技公司，山東青島266000)

近年來(lái)，電動(dòng)汽車吸引了越來(lái)越多的關(guān)注，但是它們?nèi)匀徊皇窍M(fèi)者主要的選擇。這可能是許多原因造成的包括電動(dòng)汽車價(jià)格和行程，這些因數(shù)主要是受目前電池技術(shù)以及充電速率的限制。與傳統(tǒng)的插入式充電系統(tǒng)相比，無(wú)線充電系統(tǒng)更方便，安全。動(dòng)態(tài)無(wú)線充電能減少車載的電池容量，可以幫助降低電動(dòng)汽車的價(jià)格。然而無(wú)線充電仍受耦合器的限制—他們目前傳輸功率和效率較低，本文闡述了目前無(wú)線充電耦合器的主要設(shè)計(jì)方案。

電動(dòng)汽車;無(wú)線充電;蓄電池

1 引言

由于化石燃料導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，電動(dòng)汽車因其環(huán)保優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到重視，電動(dòng)汽車的廣泛運(yùn)用可以有效減少城市和街道污染［1］。然而，由于目前的電池技術(shù)和電網(wǎng)連接等技術(shù)問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)影響電動(dòng)汽車的行程和充電時(shí)間，因此尚未被消費(fèi)者廣泛接受。

由于目前的電池能量密度低，為了獲得足夠的車載電量，電池的重量和成本都會(huì)很高。同時(shí)，為了增加電池的壽命和效率以及安全問(wèn)題，必須限制充電電流，導(dǎo)致充電時(shí)間漫長(zhǎng)。為了降低車載電池的數(shù)量，需要電動(dòng)汽車能夠在行駛中充電，這就迫切需求對(duì)自動(dòng)化WPT技術(shù)?，F(xiàn)實(shí)中，我們只能在主干道而不能在所有道路而安裝電源，所以電動(dòng)汽車必須有一定的車載電池容量。因此電能存儲(chǔ)與靜止和移動(dòng)(在線)充電的結(jié)合是必需的。相對(duì)于有線充電，WPT不需要接觸器和裸露終端，因而更簡(jiǎn)潔、更安全。

目前，電動(dòng)汽車普遍采用插入式充電(有線充電)，比如特斯拉電動(dòng)跑車，有53千瓦時(shí)的車載電池容量，使用240V，40A充電器需要大約7小時(shí)，使用240V，70A的充電器，需要4.5小時(shí)［2］。但插入式充電會(huì)受到天氣的影響，濕插頭和接觸器有產(chǎn)生沖擊電流和電弧的危險(xiǎn)。WPT通過(guò)電磁感應(yīng)技術(shù)提供了內(nèi)在的隔離，即電源和車輛之間有氣隙，這增加了充電系統(tǒng)的安全性。WPT系統(tǒng)能夠完全自動(dòng)化，而且更容易使用高的傳輸頻率。然而WPT仍然受耦合器的限制—它們傳輸功率和效率較低，本文主要闡述目前無(wú)線充電耦合器的設(shè)計(jì)方案。

2 無(wú)線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分類

典型的WPT系統(tǒng)如圖1，首先通過(guò)AC－DC變換器把電網(wǎng)的交流電整流到直流;而后通過(guò)DC－AC逆變電路把直流逆變成高頻(10～150kHz)的方波交流電;經(jīng)過(guò)發(fā)射端諧振補(bǔ)償電路，發(fā)射端線圈中產(chǎn)生恒定的激磁電流，接收端線圈通過(guò)感應(yīng)發(fā)射端線圈形成的高頻強(qiáng)磁場(chǎng)得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(AC);最后，通過(guò)ACDC整流器給EV電池充電。

圖1 典型的EVs用WPT系統(tǒng)

電動(dòng)汽車無(wú)線充電可以分為固定無(wú)線充電和在線/運(yùn)動(dòng)中無(wú)線充電［3－4］。固定無(wú)線充電系統(tǒng)在電動(dòng)汽車停止或泊車時(shí)充電，通常是在當(dāng)車輛不使用時(shí)充電。電動(dòng)汽車停止在耦合器正確對(duì)齊的位置時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始電能傳輸。通常使用的耦合機(jī)制歸納為感應(yīng)電能傳輸(inductive power transfer，IPT)、磁諧振耦合傳輸(magnetic resonance coupling transfer，MRCT)或永磁聯(lián)軸器傳輸(permanent magnet coupling transfer，PMPT)三種方法。在線/運(yùn)動(dòng)充電系統(tǒng)在電動(dòng)汽車高速公路上行駛時(shí)充電，一次側(cè)嵌入在路面之下和車載二側(cè)能夠在移動(dòng)中接收電能。在下面幾節(jié)中對(duì)當(dāng)前不同WPT耦合器的設(shè)計(jì)方案中的技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了闡述。

3 固定無(wú)線充電

當(dāng)電動(dòng)汽車停在停車場(chǎng)、車庫(kù)或當(dāng)這輛車在短時(shí)間內(nèi)固定在三岔路口，甚至在未來(lái)的充電站時(shí)，采用固定WPT系統(tǒng)充電。要在短時(shí)內(nèi)充電，車載電池或能量存儲(chǔ)單元(如超級(jí)電容)必須能夠迅速和有效地儲(chǔ)存了能量。WPT消除了耦合器之間有線連接，能夠完全自動(dòng)的完成。這意味著，可以利用每一個(gè)可能的機(jī)會(huì)給電動(dòng)汽車電池充電，即使只是短暫的停止。耦合器的一次側(cè)需要嵌入在地面下，二次側(cè)需要放置在電動(dòng)車的下面以減少電磁泄漏以及與其他車輛和對(duì)象之間的干擾。

3.1 感應(yīng)電能傳輸(IPT)

IPT耦合器的充電器是松散耦合的變壓器，其中沒(méi)有連接一次和二次線圈的鐵心，因此這種耦合器必須通過(guò)空氣氣隙傳輸電能。運(yùn)用到電動(dòng)汽車充電方面，一二次側(cè)之間因?yàn)槠嚭吐访嬷g距離而存在較大的氣隙，這意味著耦合器漏感很大，因?yàn)槁└兄凳菤庀毒嚯x的增函數(shù)。在參考文獻(xiàn)［5］中，研究者發(fā)現(xiàn)在變壓器兩側(cè)添加串聯(lián)或并聯(lián)電容組成諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)能夠提高系統(tǒng)傳輸功率和效率。這是因?yàn)椴捎米杩蛊ヅ浼夹g(shù)解決了低耦合問(wèn)題。變壓器兩側(cè)的電容和電感形成諧振電路，因此無(wú)功功率不會(huì)通過(guò)氣隙傳輸，這降低了開(kāi)關(guān)損耗和電力電子轉(zhuǎn)換器的伏安比率。磁耦合系數(shù)k作為衡量一二次側(cè)之間的耦合程度。k定義為k，其中M是一二次側(cè)線圈的互感，L1是一次線圈自感，L2是二次線圈自感，顯然完美的耦合系數(shù)是1，但是實(shí)際應(yīng)用中是不可能達(dá)到的。所以為了提高系統(tǒng)功率傳遞能力和效率，耦合器的耦合系數(shù)k越大越好。因此，為了實(shí)現(xiàn)高耦合系數(shù)線圈和核心的設(shè)計(jì)是非常重要的。

目前根據(jù)不同的需求，IPT系統(tǒng)耦合器有許多種核心形狀的設(shè)計(jì)方案，電動(dòng)汽車用IPT系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的主要有兩種:圓形電磁耦合結(jié)構(gòu)和雙矩形線圈結(jié)構(gòu)(DD型)［2］，如圖2所示。在［5］中，使用的是長(zhǎng)條形鐵氧體磁芯耦合器，直徑600mm的圓形耦合器在縱向距離200mm，無(wú)橫向偏移時(shí)，耦合率最大達(dá)到了0.15。通過(guò)有限元(Finite Element Analysis，F(xiàn)EA)仿真發(fā)現(xiàn)，為了得到更大的功率傳輸能力和耦合率，就需要增大圓形電磁耦合結(jié)構(gòu)的直徑。文獻(xiàn)［6］使用板型鐵氧體磁芯，采用DD型耦合器結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)采用600(長(zhǎng))/800(寬)mm DD型電磁耦合結(jié)構(gòu)，總行距離200mm無(wú)橫向偏移時(shí)，耦合率達(dá)到了0.3。兩種結(jié)構(gòu)耦合率的差別主要是由于兩者基本的通量路徑高度不同，圓形電磁耦合結(jié)構(gòu)基本的通量路徑高度是直徑的四分之一，DD型耦合器的基本的通量路徑高度是其寬度的二分之一［7］。文獻(xiàn)［7］中，系統(tǒng)縱向距離200mm時(shí)，系統(tǒng)傳輸功率8.8kW，DC到DC效率達(dá)到了95.7%。

通過(guò)使用性能更好的磁性材料可以提高耦合器的耦合率，目前廣泛采用的主要有德國(guó)飛磁公司的MnZn鐵氧體，日本TDK公司的NiZn鐵氧體材料，未來(lái)隨著納米晶和非晶材料的廣泛應(yīng)用，IPT系統(tǒng)耦合器的耦合率還可以進(jìn)一步提高。

圖2 圓形和DD型電磁耦合結(jié)構(gòu)圖

3.2 電磁諧振耦合傳輸

文獻(xiàn)［8］中提出了基于耦合模理論的電磁諧振耦合技術(shù)(MRCT)，如圖3所示，它能夠通過(guò)一個(gè)大的氣隙傳遞能量，MRCT系統(tǒng)在1m氣隙時(shí)，整體效率能達(dá)到90%。MRCT系統(tǒng)中耦合器的兩個(gè)天線有相同的諧振頻率，這里諧振的概念類似于IPT中諧振線圈。然而在MRCT系統(tǒng)中中，天線自感與電容形成諧振電路諧振頻率都是在MHz級(jí)別，而受目前半導(dǎo)體器件的限制，系統(tǒng)效率偏低。另外MRCT技術(shù)的功率傳輸能力較小，漏磁較為嚴(yán)重，在電動(dòng)汽車WPT系統(tǒng)中的應(yīng)用還處于初始研究狀態(tài)。

圖3 MRCT電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)

3.3 永磁鐵聯(lián)軸器

永磁聯(lián)軸器技術(shù)(PMPT)由哥倫比亞大學(xué)提出，它是基于“磁齒輪效應(yīng)”，磁齒輪使用這種技術(shù)耦合:一次側(cè)永久磁化轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使二級(jí)轉(zhuǎn)子以同樣的速度旋轉(zhuǎn)，此速度稱為同步轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)［9］采用PMPT技術(shù)的WPT系統(tǒng)，工作頻率在150Hz，一二次側(cè)氣隙為150mm時(shí)，系統(tǒng)整體效率達(dá)到了81%。但是，PMPT系統(tǒng)存在以下問(wèn)題，比如噪音和振動(dòng)問(wèn)題。另外，PMPT系統(tǒng)包含一些機(jī)械部件，也可能有校準(zhǔn)和保養(yǎng)問(wèn)題。

4 在線/動(dòng)態(tài)充電

電動(dòng)汽車配備必需大量的車載電池容量，因?yàn)檐囕v需要連續(xù)電力來(lái)牽引和驅(qū)動(dòng)，汽車加速也需要大量能量。有限的電池儲(chǔ)備可能無(wú)法有效的提供車輛需要的能量。道路在線/動(dòng)態(tài)WPT系統(tǒng)能夠?yàn)橐苿?dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電，進(jìn)而減小車載電池容量要求，二次側(cè)接收的電能可以直接用于驅(qū)動(dòng)，提高效率。其實(shí)，幾十年前就有在線有線功率傳輸用于供應(yīng)無(wú)軌電車，有的城市目前仍然在使用。WPT在線/動(dòng)態(tài)充電耦合器普遍采用集中墊結(jié)構(gòu)［10］，固定充電墊集中形成一個(gè)沿著車道的功率帶，如圖4所示。電動(dòng)汽車沿著功率帶移動(dòng)時(shí)，一次側(cè)功率帶形成連續(xù)的磁場(chǎng)，二次側(cè)通過(guò)電磁感應(yīng)與一次側(cè)磁場(chǎng)耦合，感生出電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而生成電流，功率穿過(guò)氣隙傳輸?shù)诫妱?dòng)汽車。道路在線/動(dòng)態(tài)WPT系統(tǒng)需要精確的位置檢測(cè)技術(shù)，來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉充電襯墊:關(guān)閉通電但是沒(méi)有耦合的部分，減少損耗提高效率。

圖4 在線/動(dòng)態(tài)充電

5 結(jié)論

電動(dòng)汽車WPT系統(tǒng)的主要問(wèn)題仍然是功率傳輸能力和效率。對(duì)IPT、PMPT以及其他道路系統(tǒng)，耦合器的設(shè)計(jì)仍然是在改善系統(tǒng)效率主要的途徑，對(duì)于MRCT系統(tǒng)，主要問(wèn)題是沒(méi)有合適的能量源可以在數(shù)兆赫下大功率高效率的傳輸電能。在WPT系統(tǒng)耦合器的設(shè)計(jì)中，F(xiàn)EA得到了廣泛應(yīng)用，通過(guò)FEA模擬可以提供精準(zhǔn)的仿真結(jié)果，減少設(shè)計(jì)時(shí)間。同時(shí)，耦合器的形狀設(shè)計(jì)仍高度依賴于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)優(yōu)化方法也可以用來(lái)提高設(shè)計(jì)效率。

［1］曹玲玲，陳乾宏，等.電動(dòng)汽車高效率無(wú)線充電技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，8(8):1－13.

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［10］Suh N.P.Design of On－Line Electric Vehicle［C］.CIRP Design Conference，2010.

Review of Wireless Power Transfer Coupler for Electric Vehicles

DONG Fu-lu1，LING Shun-he2，CHEN Shu-wei3
(1.Beijing Architectural Design Institute of China Construction Corp.，Ltd.，Qingdao 266071，China; 2.China Railway Construction Engineering Group Corp.，Ltd.，Beijing 100000，China;3.China Electronics Technology Group 22 th Tianbo Information Technology Company，Qingdao，266555)

In recent years，electric vehicles(EVs)have attracted increasing interest.But，they are still not the main choice for the consumer.This may be due to many reasons such as price and driving range，which is largely due to the limitations of current battery technology and the recharging speed.When compared to plug-in charging systems，wireless power transfer(WPT)system is convenient and safe.WPT can help reduce EVs pricing if it is done during travel because this will minimize the required battery storage on board.However，WPT is still limited by the wireless coupler-they current have low transfer efficiency.This paper presents a state-of-the-art literature review on the recent advancements in WPT coupler design.

electric vehicles;wireless power transfer;battery storage

TM912

B

1004－289X(2016)04－0007－04

2015－05－10

董福祿(1987－)，男，漢，山東省濱州市，助理工程師，從事建筑電氣設(shè)計(jì)工作。