電動(dòng)汽車無線充電研究進(jìn)展 ①

齊麗媛，熊 江，王 瑞，武 娟

(重慶三峽學(xué)院信息與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 萬州 404100)

1 引言

近年來，節(jié)能減排已經(jīng)成為全球關(guān)注、探索的話題，對(duì)新能源的充分利用，是低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)[1]。電動(dòng)汽車(Electric Vehicles，EV)是實(shí)現(xiàn)低碳出行、節(jié)能減排的重要渠道。在電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用中，充放電設(shè)施建設(shè)作為重要的前提與基礎(chǔ)，引起了廣泛的關(guān)注。生活中隨處可見的各種導(dǎo)線，不僅影響美觀，線路的老化、外露也留下了許多的安全隱患[2]。電動(dòng)汽車如何通過有效的技術(shù)突破充電阻礙、提高環(huán)保性和安全性，成為電動(dòng)汽車的重要研究方向[3]。無線電能傳輸?shù)姆绞?，恰好彌補(bǔ)了EV充電的不足，它將成為啟動(dòng)整個(gè)市場(chǎng)的關(guān)鍵。

電動(dòng)汽車無線充電指在通過無實(shí)體導(dǎo)線連接的情況下，借助疏松變壓器耦合裝置，將電能以無線的形式傳輸給汽車充電[4]。有線充電中，外露的充電樁易受污染，受充電樁數(shù)量限制充電的汽車數(shù)有限；無線充電則恰好彌補(bǔ)有線充電的不足，該充電結(jié)構(gòu)是將電源和變壓器隱蔽在地下無外露的端口，符合美觀的要求也避免了漏電、跑電等安全隱患。

EV無線充電方式主要有：感應(yīng)耦合式與磁耦合諧振式[5]。本文首先針對(duì)這兩種主要的無線充電方式進(jìn)行了概述；隨后詳細(xì)介紹了線圈模型及諧振網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展；最后，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)今后的發(fā)展做了總結(jié)和展望。

2 電動(dòng)汽車無線充電工作原理

2.1 電動(dòng)汽車無線充電結(jié)構(gòu)

無線充電技術(shù)主要借助疏松變壓器耦合裝置，實(shí)現(xiàn)發(fā)射端與接收端之間無導(dǎo)線連接即可傳輸電能[6]。原邊線圈與副邊線圈分別置于地下和汽車底盤，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射端與接收端無接觸的電能傳輸。電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)中，充電系統(tǒng)的3個(gè)重要組成部分是：發(fā)射機(jī)(初級(jí)線圈)、接收機(jī)(次級(jí)線圈)、電源側(cè)發(fā)射端和電動(dòng)汽車側(cè)接收端[7]。

2.2 電磁感應(yīng)工作原理

EV無線充電領(lǐng)域里，電磁感應(yīng)是主要應(yīng)用的充電方式之一[8]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電磁感應(yīng)式充電指在發(fā)射端和接收端均安裝線圈，再給原邊線圈流經(jīng)額定頻率的交流電(AC)信號(hào)，使得副邊線圈感應(yīng)出相應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)無接觸的兩端能量傳輸[9]。感應(yīng)式無線充電中，傳輸功率一般可達(dá)幾百瓦，傳輸距離10 cm以內(nèi)，但該充電方式抗偏移能力較低，即對(duì)系統(tǒng)兩側(cè)的相對(duì)位置要求高，若位置偏差增大，傳輸效率也會(huì)明顯降低[10]。

圖1 電磁感應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Electromagnetic induction system structure.

2.3 磁耦合諧振工作原理

磁耦合諧振式無線充電在無線充電領(lǐng)域中出現(xiàn)時(shí)間較晚，但憑借它自身的一些優(yōu)勢(shì)，也成為了主要的無線充電方式之一。磁耦合諧振式充電原理：在同一時(shí)間向系統(tǒng)的發(fā)射端、接收端流經(jīng)額定頻率交流電，以實(shí)現(xiàn)能量的交換[11]。磁耦合諧振式特點(diǎn)：傳輸距離可達(dá)到3～4 m、傳輸頻率高和系統(tǒng)抗偏移能力較強(qiáng)。充電系統(tǒng)的工作流程為：電源由電網(wǎng)流出，經(jīng)整流電路將電源轉(zhuǎn)換成直流電信號(hào)，后流經(jīng)高頻逆變電路將直流電(DC)信號(hào)轉(zhuǎn)化為高頻方波AC信號(hào)，當(dāng)線圈原邊和副邊諧振頻率相同時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生諧振實(shí)現(xiàn)有氣隙的兩端能量傳輸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 磁耦合諧振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Magnetic coupling resonance system structure.

3 關(guān)鍵技術(shù)分析及研究進(jìn)展

3.1 傳輸線圈

電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)待增強(qiáng)的兩個(gè)主要性能：方便性、效率性。其中松耦合變壓器是該充電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，線圈結(jié)構(gòu)又是松耦合變壓器的重要部分[12]，而線圈結(jié)構(gòu)直接影響耦合系數(shù)，因此分析線圈結(jié)構(gòu)對(duì)無線充電技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。根據(jù)汽車能否在行駛過程中充電主要分為動(dòng)態(tài)、靜態(tài)兩種充電方式[13]。不同的充電方式對(duì)線圈結(jié)構(gòu)的要求也有不同。為了增大系統(tǒng)的耦合系數(shù)，提高充電效率，許多研究人員不斷改進(jìn)線圈的結(jié)構(gòu)。

靜態(tài)充電的線圈結(jié)構(gòu)主要分為單邊繞組、雙邊繞組。其中典型的雙邊繞組結(jié)構(gòu)有：2010年，奧克蘭大學(xué)在傳統(tǒng)基于圓形墊設(shè)計(jì)的耦合器上，提出了一種采用雙線圈結(jié)構(gòu)的新型flux pipe線圈，在電路上利用兩線圈并聯(lián)的連接方式產(chǎn)生串聯(lián)的磁路。該新型的線圈結(jié)構(gòu)使得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的磁通路徑得到了顯著改善，從而使更高效、更緊湊的感應(yīng)功率傳輸充電系統(tǒng)成為可能[14]。日本琦玉大學(xué)開發(fā)出一種新型3 kW變壓器，以使用新型H形磁芯和分離式初級(jí)電容器來滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。該線圈結(jié)構(gòu)緊湊，偏移容忍度高，但其用銅量較大，不利于系統(tǒng)效率的提升[15]。以上兩種線圈結(jié)構(gòu)，漏磁現(xiàn)象較嚴(yán)重，雖可采用鋁板屏蔽，但會(huì)影響磁場(chǎng)分布，故在實(shí)際中較少運(yùn)用這兩種線圈。

目前，平面螺旋線圈在單邊繞組中應(yīng)用較多。典型的平面螺旋線圈結(jié)構(gòu)有：奧克蘭大學(xué)提出了一種新型極化耦合器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，稱為雙D(double-D,DD)線圈。傳統(tǒng)的圓形耦合器限制了耦合性能，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)高度有限，而DD線圈提供的電荷區(qū)比圓形墊的電荷區(qū)大五倍。DD線圈克服了磁場(chǎng)高度的難題，提高了線圈相對(duì)位置的容忍度[16]。但由于DD線圈在耦合時(shí)可能出現(xiàn)磁場(chǎng)零點(diǎn)問題，因此該團(tuán)隊(duì)在DD線圈之間增加了一個(gè)正交的線圈，構(gòu)成雙D積分(double-D-quadrature,DDQ)線圈，如圖3所示。DDQ線圈比DD線圈具有更強(qiáng)的抗偏移能力，也解決了線圈耦合時(shí)可能出現(xiàn)的磁場(chǎng)零點(diǎn)情況，但DDQ線圈也有一系列缺點(diǎn)，如系統(tǒng)線材的使用量增加、需要兩電路整流電路等，這些會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)損耗增加。重慶大學(xué)在DD線圈的基礎(chǔ)上，提出了一種雙層雙D(double layer double D,DLDD)型線圈結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的磁芯結(jié)構(gòu)[17]。此外以DD線圈為基礎(chǔ)，一些學(xué)者提出雙極(bipolar pad,BP)線圈即指DD線圈重疊后的結(jié)構(gòu)。BP線圈與DDQ線圈功能相似，且用銅量更低。

圖3 DDQ線圈結(jié)構(gòu)Fig.3 DDQ coil structure.

動(dòng)態(tài)充電方式彌補(bǔ)了靜態(tài)充電對(duì)車中電池的容量需求過大、充電頻繁等問題。動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)的線圈結(jié)構(gòu)以發(fā)射端的不同為基礎(chǔ)，分為分段式供電導(dǎo)軌和集中式供電導(dǎo)軌兩大類。動(dòng)態(tài)充電中將發(fā)射側(cè)安置在地面上，具有通電長直軌道的特點(diǎn)，要求車輛具有不變的行駛路線，更適合公交、大巴充電。

3.2 諧振網(wǎng)絡(luò)

由于無線充電系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，常出現(xiàn)發(fā)射端線圈與接收端線圈間距過大或發(fā)生偏移錯(cuò)位等情況，因此系統(tǒng)的漏電感將增大。而對(duì)于變壓器來說，副邊線圈的漏電感會(huì)減小電壓增益；原邊線圈的漏電感則會(huì)增大原邊線圈輸入電流與電壓之間的相位差，這會(huì)增大對(duì)發(fā)射端輸出能量的要求。為降低漏電感帶來的影響、提高系統(tǒng)傳輸能量的能力，可加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(又稱諧振網(wǎng)絡(luò))[18]。從諧振電容與諧振電感的鏈接方式來區(qū)分，基本的四種諧振網(wǎng)絡(luò)：串-串(Series-Series,S-S)、串-并(Series-Parallel,SP)、并-串(Parallel-series,P-S)、并-并(Parallel-parallel,PP)。諧振網(wǎng)絡(luò)中，原邊補(bǔ)償電容的作用是：實(shí)現(xiàn)諧振槽的輸入電壓與電流之間零相差，從而減小對(duì)原邊供電電源容量的需求。副邊補(bǔ)償電容則需與副邊線圈電感完全諧振，來達(dá)到提高系統(tǒng)向負(fù)載傳輸功率的性能。文獻(xiàn)[19-20]分別對(duì)四種基本諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)定、輸入阻抗及系統(tǒng)傳輸效率等方面進(jìn)行了深入的研究和整理。

除了上述4種基本諧振網(wǎng)絡(luò)外，LCL(inductor-capacitor-inductor)、LCC(inductor-capacitor-capacitor)、CCL(capacitor-capacitor-inductor)等復(fù)合型補(bǔ)償拓?fù)湟苍絹碓绞艿疥P(guān)注。文獻(xiàn)[21]提出了LCL型補(bǔ)償拓?fù)洳⒃诙嘭?fù)載無線充電系統(tǒng)中應(yīng)用，該補(bǔ)償結(jié)構(gòu)用于原邊補(bǔ)償時(shí)，可以更好的實(shí)現(xiàn)輸出電流與負(fù)載解耦，但也帶來了體積和成本增大的問題。為彌補(bǔ)LCL型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的不足，美國密歇根大學(xué)提出了雙面LCC型補(bǔ)償拓?fù)?，該補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的諧振頻率與兩個(gè)線圈之間的耦合系數(shù)無關(guān)，并且與負(fù)載條件無關(guān)，系統(tǒng)可以在恒定的頻率下工作[22]。實(shí)驗(yàn)搭建了輸出功率高達(dá)7.7 kW的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)，從直流電源到電池負(fù)載的傳輸效率達(dá)96%。雙面LCC型補(bǔ)償拓?fù)湓诜€(wěn)態(tài)條件下也可等效為LCL電路。由于該電路能實(shí)現(xiàn)極高的系統(tǒng)效率，因此得到了廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)，為解決汽車?yán)m(xù)航里程短這一缺陷提供了新的方案。本文從傳輸線圈、諧振網(wǎng)絡(luò)及電動(dòng)汽車的應(yīng)用實(shí)例三個(gè)方面，對(duì)當(dāng)前的電動(dòng)汽車無線充電主要研究熱點(diǎn)及最新進(jìn)展進(jìn)行了歸納和概述，并討論了該項(xiàng)技術(shù)有待解決的問題?？梢钥闯?，線圈和諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與搭建已經(jīng)趨于成熟，因此電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)將得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。

4.2 展望

電動(dòng)汽車無線充電大范圍市場(chǎng)化運(yùn)行后，可能出現(xiàn)以下問題需要研究和解決：

(1)系統(tǒng)抗偏移能力。雖然在諧振式無線充電的模式下，出現(xiàn)水平偏移略低的情況，仍可實(shí)現(xiàn)較高效率的能量傳輸。但電動(dòng)汽車的總用電量很大，故所需效率應(yīng)盡可能的提高，所以對(duì)系統(tǒng)的抗偏移能力提出更高的要求，這也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

(2)成本與回報(bào)。EV無線充電的推廣依托于本金的雄厚度。如EV動(dòng)態(tài)無線充電的方式，雖能彌補(bǔ)有線充電下行駛距離較短的缺點(diǎn)，但需要提前在地面鋪設(shè)發(fā)射端線圈軌道，前期投入的成本較大，而回收期較長。此時(shí)，政府以及其他企業(yè)共同投資顯得十分重要。