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  • 电动汽车无线充电技术的研究进展

    2018-12-04 09:38:13 来源: 厚势 作者:高大威 王硕 评论:
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    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。

    本文来自 2015 年 12 月 15 日出版的《 汽车安全与节能学报 》 ,作者是清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的高大威、王硕和杨福源。

    近些年,电动汽车无线充电技术(Wireless Charging Technology,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 10 kHz 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 8 kW 和 60 kW 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 3 kW 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:

    • 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;

    • 充电间距:垂直方向 15 ~ 45 cm [11],水平方向偏移量应大于 15 cm,倾斜方向应保证侧倾角裕度达到 15°;

    • 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;

    • 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 ~ 80 cm 之间,质量应该在 50 kg 以内 [12-14];

    • 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

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    图 1  电动汽车无线充电系统结构

    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。

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    图 2  电动汽车无线充电系统技术体系

    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

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    图 3  无线电能传输技术类别

    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 2D^2/λ+λ 以外的区域[15],其中 D 为发射线圈最大直径,λ 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 300 MHz,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,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 2D^2/λ+λ 以内的区域,包含辐射近场区和感应近场区,其分界边界为 0.62(D^3/λ)^0.5。近场工作频率范围为 10 kHz~100 MHz,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 λ/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 Marin Soljacic 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端分别连接金属平板 [23-24],且为提高其传输效率,平板材料需采用高介电常数电介质。由于电场被限定于平板间气隙内,因此对外界电磁干扰较低 [25],但是为了实现高效电能传输,平板间距需要很小,平板面积需要很大,并且对补偿电感值要求较高,因而高频下铜损和铁损较高,技术可行性较低。2012 年日本丰桥技术科学大学针对 1/32 的实车模型开展了相关研究,但该技术未实现商业化应用 [26]。

    各类无线电能传输技术性能对比在表 1 中列出,通过比较可以发现,在传输距离、体积、质量和成本等方面,磁谐振耦合式以及感应耦合式电能传输技术相对其他无线电能传输技术具有显著优势,更适合于电动汽车大气隙(15 ~ 45cm)、高效率(>85%),大功率(kW 级)的无线充电技术需求。

    表 1  各类无线电能传输技术性能对比 [15-16,21,27-28]

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    2 电动汽车无线充电技术研究热点

    2.1 电力电子拓扑结构与工作特点

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    图 4  典型电动汽车无线充电系统电力电子拓扑结构及电能表现形式

    电动汽车无线充电系统工作目标是将电网中的电能传输到车载蓄电池中,因此其电源端与电网相连,负载端与车载蓄电池相接,传输环节电力电子拓扑结构及电能表现形式如图 4 所示。其电能传输过程包括有线传输和无线传输两部分。

    在电能的有线传输环节中(图中黑色线路),电网中的交流电通过电磁干扰滤波器滤除杂波,进入整流器,变为直流,功率因数校正单元能够提高功率因数,改善电能质量,而功放电路则能够将直流电变为高频交流电,进而通入由调谐网络和励磁线圈组成的 LC 谐振电路中形成正弦交流电,同时在励磁线圈周边空间形成高频交变磁场。而在接收端,负载线圈中感应出的交流电流经过整流和滤波,流入蓄电池中,为蓄电池充电。

    在电能的无线传输环节中,通过感应耦合方式,励磁线圈产生的高频交变磁场在距其最近的发射线圈中感应出交流电流,接收线圈也在距其最近的负载线圈中感应出交流电流,各环节中交流电流频率均相同;而通过磁谐振耦合方式,自振频率相同的发射线圈与接收线圈实现了高效耦合,从而保障了电能的中等距离传输。

    值得注意的是,电动汽车无线充电系统中的电力电子拓扑结构与有线式充电桩主电路拓扑结构相似,其区别在于后者将无线传输环节中的线圈结构变为了变压器结构,从而使发射端电路与接收端电路通过变压器实现物理连接,再经过整流滤波后接入电动汽车充电插口。

    针对电力电子拓扑结构,国内外研究点主要集中在功放电路和调谐(补偿)网络两方面。

    表 2  功放电路拓扑结构比较

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    现有研究中,用于电动汽车无线充电系统的功放电路拓扑结构主要包括全桥逆变电路和E型功放电路,其拓扑结构及优缺点在表 2 中列出。

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    图 5  调谐网络拓扑结构不同组合

    调谐网络用于连接变换器与线圈,降低无用功,提高电能传输效率。根据调谐网络结构不同,可将其分为 5 种,分别为 S、P、CC、LC(CL)和LCC(CCL),其电路结构及现有研究中发射端与接收端主要组合方式在图 5 中已给出。

    对于发射端:

    • S 型拓扑输入阻抗较低,适用于大功率器件,且易实现电压反馈调节;

    • P 型拓扑谐振频率与耦合系数、负载相耦合,易受扰动,且输入阻抗较大,因此实际应用较少;

    • CC 型拓扑能够提高线圈间的横向偏移裕度 [36];

    • LC 型拓扑能够获得较高功率因数,从而提高电能传输效率;

    • 而 LCC 型拓扑则能够进一步降低开关损耗,实现输出电流与负载解耦,增加电路功率因数,从而降低控制难度,提高电能传输效率。

    但是电路结构愈复杂,其成本和体积也越大,电路参数匹配难度越高。

    对于接收端,S 型拓扑能够输出平稳电压,P 型拓扑则能够输出平稳电流,而以 P 型拓扑为基础衍生出来的 CC 型、CL 型和 CCL 型拓扑则能进一步实现输出电流与负载的解耦,提高输出功率可控性,有助于实现较高功率因数,使其成为理想电流源,进而提高系统的传输功率。同时,从图 5 可知,目前仍有多种组合拓扑结构未开展研究。因此,调谐网络拓扑结构和组合方式有待开展更深入的探索工作。

    2.2 磁耦合元件结构

    磁耦合元件是电动汽车无线充电系统中实现电能与场能相互转化的元件,通常由高电导率部件和高磁导率部件组成。高电导率部件是电能的导体,考虑高频下的趋肤效应和邻近效应,通常选择铜管或利兹线绕制;高磁导率部件是场能的载体,构成磁路的一部分,可提高发射端与接收端耦合系数,降低磁场在汽车金属部件内引起的电涡流损耗,增强系统功率密度,通常可选用铁氧体材料。磁耦合元件发射端通常固定,而接收端则有固定式和移动式两类。

    2.2.1 固定式磁耦合元件

    固定式结构通常包含两类,一类是平板式,即将螺旋线圈平行布置在铁磁性材料上;另一类是圆柱式,即将螺线管式线圈绕在铁磁性材料上,前者在实际中应用较为广泛。

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    图 6  奥克兰大学单侧多线圈平板式磁耦合元件 [45-46,50]

    在平板式磁耦合元件设计中,新西兰奥克兰大学以及国内东南大学研究团队 [49] 等都有相关研究成果,奥克兰大学 J.T.Boys 教授团队的研究成果具有代表性,他们起步于 20 世纪 90 年代,并分别在 2009 年和 2013 年提出了第 1 代和第 2、3 代平板式磁耦合元件结构 [45-46,50],如图 6 所示。

    由于基体为铁氧体,此类耦合元件通常较脆,需要用软塑料或橡胶材料填充其缝隙,并用铝板包裹侧边和背面,以降低电磁辐射。从结构上讲,圆形充电平板可以允许汽车从任何一个方向靠近,位置较为灵活,而矩形平板则能提供更大的耦合面积。分析显示,采用 DD 形平板作为发射平板,安装在地面,DDQ 或 BP 形平板作为接收平板,安装在汽车底盘能够取到最理想的充电效果 [50]。

    2.2.2 移动式磁耦合元件

    对于移动式磁耦合元件,发射端通常为一条固定在路基的通电长直轨道,或由多个沿道路串行布置的磁耦合元件构成,接收端则是安装在汽车底部的平板式耦合器。

    当汽车沿路面驶过,车载平板式耦合器中激发出电流,为车载蓄电池充电,从而实现行进状态充电。基于轨道供电的行进状态充电最早是由美国劳伦斯伯克利国家实验室开展实车试验 [51],加拿大庞巴迪公司的三相式轨道供电列车 [52-53] 以及 Ross 提出的充电平板分布式移动充电方式 [54] 也具有一定可行性。

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    图 7  韩国科学技术院 OLEV 无线充电电动汽车轨道方案 [57-59]

    在国内,重庆大学 [55] 和天津工业大学 [56] 也分别针对行进中的电动汽车和高速列车提出了无线供电方案。而在已经商业化的产品中,韩国科学技术院(KAIST)ChunT.Rim 教授团队研究的在线式电动汽车(On-line Electric Vehicle,OLEV)[57-59] 具有代表性,其无线充电设计方案演变过程如图 7 所示。

    2.3 能量传输特性

    电动汽车无线充电系统能量传输技术指标主要体现在 3 个方面,即传输功率(单套磁耦合元件能够传输的最大功率)P、传输距离(耦合器间距)S 和传输效率 η,而与之相关的参数又包括无线充电系统工作频率 f、耦合面积(磁耦合元件最大平面面积)A、偏移裕度 ε(水平方向偏移长度除以耦合元件横向最大外径)等。国际范围内各研究机构在电动汽车无线充电技术领域实现的能量传输指标如表 3 所示

    表 3  电动汽车无线充电能量传输水平

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    基于统计结果绘制了相关特性影响因素和发展趋势如图 8、图 9 所示。图 8 为传输效率随耦合器面积与传输距离比值的变化趋势。图 9 展示了无线充电系统频率与功率随时间的变化趋势。

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    图 8  耦合器面积和传输距离对效率的影响

    由图 8 可知,随着耦合器面积与传输距离之比的增加,传输效率总体趋于增大,这主要与耦合系数增大相关,而近些年随着相关技术的进步,实现了同等传输效率下,更小耦合器面积和更远距离的传输。

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    图 9  工作频率与传输功率限值

    从图 9 中可以获得 3 个方面的信息:

    1)大部分研究成果工作频率集中在 20 kHz 和 100 kHz,这主要与电磁辐射限值和电力电子器件工作频率相关;

    2)从全局来看,随着频率的增加,传输功率在下降,其主要与电力电子器件技术发展水平有关;

    3)随着时间的推移,功率与频率的乘积(P_out*f)在上升,其值也表征了商业化电力电子器件技术水平的提高。

    不同时间段对应的平均值如表 4 所示。

    表 4  不同时段功率与频率乘积平均值

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    由表 4 可知,在 2005 到 2015 的十年间,功率与频率的乘积增长了 7 倍左右,且有继续增长的趋势,而这种增长趋势表征无线充电设备正在向高功率密度、大传输距离和小型化方向发展。

    2.4 系统建模

    电动汽车无线充电系统模型包括互感模型 [62-63],耦合模模型 [22],散射矩阵模型 [64],带通滤波器模型 [65] 等。其中,国内外多数理论研究以互感模型和耦合模模型为主。

    2.4.1 互感模型

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    图 10  磁谐振耦合式无线充电系统等效电路 [63]

    基于电路理论,磁谐振耦合式无线充电系统可统一等效为图 10 所示电路模型。考虑到中间传输环节存在多线圈结构,因此,设定线圈总数为 n。当各线圈自振频率相同时,传输阻抗最小,系统耦合程度最高。

    根据 Kirchhoff 电压定律,等效电路数学模型用如下公式表示:

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    在谐振状态下,线圈感抗与容抗相互抵消,即 jωL_i = -1/( jωC_i),阻抗虚部为零,系统传输 效率 η 可定义为输出功率 P_L 与输入功率 P_in 的比值,I_i 为线圈 i 的有效电流值,则:

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    同时,通过求解等效电路数值模型,可以计算得到系统功率特性与效率特性,进而可以优化性能参数。

    2.4.2 耦合模模型

    耦合模理论是一种重要且准确的用于描述高频波动振荡或传输特性的解析方法,可用于研究两个或多个电磁波模式间相互耦合的规律。以两线圈强耦合磁谐振式无线充电系统为例,从耦合模理论出发,其数学模型 [66] 可表示为:

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    满足如下假设条件:1) 谐振频段足够窄;2) 系统整体表现是由相互存在耦合的孤立单元组成,这种耦合只会对每一个单元的运行状态产生微小的扰动,而耦合系统的整体表现是由独立单元的微扰叠加而来。则可以得到如下系统整体效率表达式 [22]:

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    式中:下标 S、D、W 分别代表发射线圈、接收线圈和负载线圈。在存在激励源的条件下,带入耦合系数,可以进一步求解系统传输性能。

    2.5 生物安全性研究

    由于电动汽车无线充电系统工作在高频下,电能与场能不断交替转化,在周边区域激发高频交变电磁场,因此其电磁辐射水平是否对生物安全产生影响,对于该项技术的推广应用至关重要。电气与电子工程师协会(IEEE)制定的《处于射频电磁场 3 kHz ~ 300 GHz 的人体安全等级》标准 [67] 和国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的《限制时变电场、磁场和电磁场暴露的导则(1 Hz 到 100 kHz 或 300 GHz 以下)》[68-69] 规定了高频设备周边电场与磁场强度的限值。

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    图 11  无干扰情况下电场与磁场强度的公众曝露控制限值

    针对电磁能量水平不同,考虑我国实际情况,中国可按照《电磁环境控制限值》(GB 8702-2014)规定的公众曝露控制限值作为电动汽车无线充电系统辐射限值标准。各类标准对于电场强度(E)和磁场强度(H)的不同限值示于图 11。

    由图可知,对于现有电动汽车无线充电技术工作频率范围(100 MHz 以内),频率越高,控制限值越低,并且我国的限值要求相对国际标准更为严格,因此对电动汽车无线充电系统的电磁辐射安全性要求更高。

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    图 12  基于人体模型的 SAR 值仿真研究 [72]

    针对电动汽车无线充电系统电磁辐射生物安全性,Wu H.H 等人对 Witricity 系统做过相关电磁场强度分析 [13],测试了无线充电系统工作时,附近区域人体膝盖,腹股沟,胸部和头部的磁场强度;O.C.Onar 等也做了相似的研究,他们测试了一辆电动汽车无线充电过程中,驾驶员一侧前轮、地板、座椅和头枕部位的磁场强度[14];A.Christ 等人基于成人和儿童的人体解剖模型,测量了不同矢状面的电磁波比吸收率(Specific Absorption Rate,SAR),分析了四线圈式充电系统的辐射对人体的影响 [70-72],如图 12 所示。

    而关于电磁辐射防护方法,现有研究理论中包含主动防护和被动防护。主动防护方法包括加入电磁干扰防护线圈 [73-74],以及用容性线圈代替自谐振线圈,降低谐振频率等 [66],而被动防护主要依赖于铁磁性材料和其他具有较好电磁屏蔽性能材料的应用 [75-86]。

    3. 实用化相关成果

    3.1 各大汽车企业无线充电技术研发进展

    在国际范围内,针对电动汽车无线充电系统,各大整车企业也在加紧开展技术研发和产品推广:

    • 丰田、日产和本田等多家汽车公司联手美国 Witricity 公司,开发了 WiT-3300 平板式无线充电系统,其整体传输功率为 3.3 kW,传输效率达 90%,可在100~200 mm 范围内进行充电 [87],而该产品将在 2015 款英菲尼迪LE豪华电动汽车和 2016 款 PRUIS 装配 [88];

    • 宝马 i8 系列车型装备了高通公司的 Halo 无线充电产品[89],他们的 DD 型充电平板在 20 kHz 工作频率下能够实现 3~20 kW 的功率传输,而适用于汽车行进状态充电的产品能够实现间距在 250~300 mm 范围内 20~30 kW 的功率传输 [90];

    • 汽车零部件制造商博世(Bosch)则与美国Evatran公司合作推出了 Plugless L2 无线充电系统 [91]。该产品可无线充电,能辅助驾驶员自动泊车,将装配日产 Leaf 和雪佛兰 Chevy Volt 两款车型 [92];

    • 德国康稳(Conductix)[93]、加拿大庞巴迪(Bombardier)[94-98]、美国宇航局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)[99]、美国 HEVO Power 公司 [100] 和美国 WAVE 公司 [101] 也纷纷推出了移动交通无线充电产品。

    在国内,东风汽车公司联手中兴通讯,在湖北襄阳打造了中国第一条大功率无线充电公交示范线,充电功率达 60 kW [102];蜀都客车也与中兴通讯联合推出了全国首个无线充电城市微循环公交解决方案 [103];北汽新能源计划在 2015 年下半年为 E150 EV 车型装配无线充电设备 [104]。此外,宇通、长安、奇瑞等汽车制造商也纷纷投入无线充电技术研发行列。

    3.2 实验室装置与样机

    在千瓦级电动汽车无线充电系统研究方面,国外研究机构主要包括新西兰奥克兰大学、韩国科学技术院、日本埼玉大学、美国橡树岭国家实验室、美国犹他州立大学和美国密歇根大学-迪尔伯恩校区等。

    • 新西兰奥克兰大学(University of Auckland)J.T.Boys 教授团队起步较早,在 2000 年即提出了总传输功率 17 kW 的旅客输送车设计方案,2009 年他们提出了功率 2 kW 的平板式磁耦合元件设计方案 [45],并于 2013 年改进了磁耦合元件结构,提高了磁场覆盖面积和偏移裕度,降低了制造成本 [46,50],其充电平板可同时应用于静止状态充电和行进状态充电;

    • 韩国科学技术院(KAIST)ChunT.Rim 教授团队的在线式电动汽车(OLEV)项目能够使行进状态的汽车从公路电网中摄取电能[58],从 2009 年起他们陆续提出了五代设计方案,实现了200 mm 间距内单体 27 kW 功率的传输 [59];

    • 日本埼玉大学(Saitama University)在 2011 年测试了一种 H 型磁芯的线圈结构,实现了 7 cm 范围内 1.5~3.0 kW 的功率传输[12];

    • 美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)分别于 2011 年和 2013 年提出了无铁氧体和有铁氧体的磁耦合元件,实现了单体 2.5 kW 和单体 3 kW 的能量传输 [14,29,70-71],但前者体积较大,其磁耦合元件也能同时应用于电动汽车静态和行进状态充电;

    • 犹他州立大学(Utah State University)Hunter H.Wu 等在 2012 年试验了传输功率 5kW 的平板式磁耦合元件[13],系统传输效率超过了 90%;

    • 美国密歇根大学-迪尔伯恩校区(University of Michigan Dearborn)的 Chunting Chris Mi 教授团队则分别在 2014 年和 2015 年设计并制作了单体功率 8 kW 和 5.6 kW 的平板式磁耦合元件,直流到直流传输效率均超过 95%[38,60],其实验装置如图 13 所示,该装置能够实现的功率与频率的乘积值为目前最大。

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    图 13  美国密歇根大学-迪尔伯恩校区无线充电实验装置 [38]

    在国内,东南大学、重庆大学、哈尔滨工业大学和中科院电工研究所等,也均开展了适用于电动汽车 kW 级功率需求的无线充电装置设计与研发工作。

    • 东南大学在双中继线圈无线充电系统设计与效率优化方面开展了较多研究 [49];

    • 重庆大学提出了电动车在线供电系统配电方案 [55],解决了一些电动汽车无线充电系统实用化问题;

    • 哈尔滨工业大学利用高磁导率平板磁芯绕组,设计了 1.85 kW 无线电能传输系统 [105];

    • 中科院电工研究所提出了基于电容优化实现无线充电系统传输效率和水平偏移裕度提升的系统设计方案 [11,30]。

    4. 发展趋势

    4.1 技术发展趋势

    1)电力电子拓扑结构与控制算法的创新与优化。无线充电系统性能的进一步提升,很大程度上依赖于功放电路和调谐(补偿)网络的创新性设计与优化,更需要控制方法的改进。研发出具有高功率因数,低输入阻抗和低匹配难度的电力电子拓扑结构,提出更加精确和稳定的控制方法,对于提升无线充电系统偏移裕度、电路工作稳定性和电能传输效率具有重要意义;

    2)电磁能量传递生物安全。生物安全性是公众关注的重要问题,无线充电系统的推广与应用需要探索更具智能性和通用性的电磁辐射安全主动防护方法;

    3)新材料的引入与无线充电约束机制的改善。引入磁导率、电导率等参数更加优越的先进材料,有助于降低系统损耗,提升电能传输效率,近些年,超常规电磁材料(左手材料)[106]、磁电层状复合材料 [107]、超导材料 [108] 等新材料的出现与应用,为充电过程能量损耗的进一步降低提供了可能,也为无线充电系统传输性能提升创造了空间。

    4.2 应用趋势

    1)汽车行进状态充电技术。电动汽车发展瓶颈之一是蓄电池能量密度较低,存储能量较少,而汽车行进状态充电技术,将电能发射线圈直接布置在道路基面以下,能够为行进中的汽车充电,从而使汽车行驶消耗的电能得到及时补充,延长汽车续驶里程;

    2)辅助驾驶技术。将无线充电与自动泊车、自动巡航等辅助驾驶技术相结合,提高整车驾驶性能以及无线充电效果;

    3)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。电动汽车与电网智能双向融合,能够发挥削峰填谷的电能调控作用,使电动汽车真正成为智能化移动蓄能装置,充分发挥电动汽车的性能。

    5. 总结

    本文综述了目前电动汽车无线充电技术研究现状,在对无线充电技术体系、类别和技术特点进行总结和提炼的基础上,概述了当前的研究热点,包括:电力电子拓扑结构、磁耦合元件结构、能量传输特性、系统建模、生物安全等,汇总了各大汽车企业和相关研究机构无线充电技术研发进展。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。

    电动汽车无线充电系统是一种复杂非线性磁电耦合系统,其性能的进一步提升需要在本质科学问题与共性技术体系方面做出更加深入的分析和探索,归纳更具普遍意义的技术方案与控制策略。分析研究进展可以发现,目前仍有很多工程问题有待解决,因此未来几年,电动汽车无线充电技术仍然是行业热点。

    参考文献

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  • 关键字: 电动汽车 无线充电技术
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