王 瑜

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用

王 瑜

（江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028）

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車發(fā)展的大力支持，純電動(dòng)汽車已經(jīng)逐漸普及開來。為了有效解決里程焦慮影響，與純電動(dòng)汽車相配套的充電設(shè)施也正在大規(guī)模投入建設(shè)中。但現(xiàn)有的插入式充電模式在充電效率上仍然無法替代傳統(tǒng)燃油汽車的便捷性。因此，無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用研究被提上日程。無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)可以為電動(dòng)汽車充電，且摒棄了插入式充電系統(tǒng)的弊端。論文針對(duì)目前電動(dòng)汽車的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的不同類型無線充電系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)、電磁兼容性、氣隙敏感度、位置敏感度、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行對(duì)比分析研究，分析了用于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的基本工作過程，基于現(xiàn)有系統(tǒng)提出無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的未來應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)大功率電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的應(yīng)用具有良好的參考意義。

電動(dòng)汽車；電磁兼容；無線充電系統(tǒng)；無線電力傳輸；無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)

無線充電系統(tǒng)（Wireless Charging System,WCS）已經(jīng)在大功率應(yīng)用中被提出，包括電動(dòng)汽車，以及插電式電動(dòng)汽車（Plug-in Electric Vehicles, PEV）等。與插電式充電系統(tǒng)相比，WCS 具有簡(jiǎn)單、可靠和便利性的優(yōu)勢(shì)，但劣勢(shì)也很明顯，它們只能在汽車靜止或停放時(shí)使用。此外，靜態(tài)的WCS有一些挑戰(zhàn)，如：電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility, EMC）問題、功率傳輸限制、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳輸范圍小等[1]。為了改善續(xù)航里程和提升電池儲(chǔ)量，科研人員提出了電動(dòng)汽車的WCS的動(dòng)態(tài)運(yùn)行模式研究。這種方法可以讓車輛在行駛時(shí)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，因而可以降低動(dòng)力電池成本，提升續(xù)駛里程[2]。然而，動(dòng)態(tài)WCS在被廣泛接受之前，必須克服兩個(gè)主要障礙，即空氣間隙和線圈錯(cuò)位。功率傳輸效率取決于線圈的排列、發(fā)射源和接收器之間的氣隙距離[3]。小型乘用車的平均氣隙距離從150～300 mm不等，而大型車輛的氣隙距離則更大。此外，在發(fā)射端和接收端都采用了不同的補(bǔ)償方法，如串聯(lián)和并聯(lián)的組合，以減少繼發(fā)損失，提高系統(tǒng)效率[4]。

1 電動(dòng)汽車的無線充電系統(tǒng)

1.1 基本工作原理

圖1顯示了用于電動(dòng)汽車的靜態(tài)WCS的基本框圖。為了實(shí)現(xiàn)從發(fā)射線圈到接收線圈的功率傳輸，交流電源從電網(wǎng)通過交流直流（Alternating Current/Direct Current, AC/DC）和直流交流（DC/ AC）轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換成高頻（High Frequency, HF）交流電。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，在發(fā)射端和接收端都使用了基于串聯(lián)和并聯(lián)的補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。接收線圈通常安裝在車輛下方，將振蕩的磁通場(chǎng)轉(zhuǎn)換為高頻交流。然后，高頻交流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電源，供車載電池使用。其中還包括電源控制、通信和電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS），以避免健康和安全問題并確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在發(fā)射器和接收器兩側(cè)都采用了磁性平面鐵氧體板，以減少任何有害的泄漏磁通，并改善磁通分布。

圖1 電動(dòng)汽車靜態(tài)無線充電系統(tǒng)的基本框圖

1.2 無線電力傳輸技術(shù)

自從為電動(dòng)車引入無線充電系統(tǒng)以來，已經(jīng)采用了四種類型的無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)（Wir- eless Electric Vehicle Charging System, WEVCS）：傳統(tǒng)的電感式電力傳輸（Inductive Power Transfer, IPT）、電容式無線電力傳輸（Capacitive WirelessPowerTransfer, CWPT）、磁齒式無線電力傳輸（Magnetic Gear Wireless Power Transfer, MGWPT）、諧振式電感式電力傳輸（Resonant Inductive Power Transfer, RIPT）。表1列出了用于純電動(dòng)汽車的現(xiàn)有無線電力傳輸技術(shù)。

表1 用于電動(dòng)車的不同WPT方法性能對(duì)比

WPT方法效率EMI頻率/(kHz)尺寸復(fù)雜程度功率等級(jí)適用性 IPT中/高中10～50中中中/高高 CWPT低/中中100～160低中中低/中 MGWPT低/中高0.05～0.50高高低/中低/中 RIPT中/高低10～150中中中/高高

注：EMI：電磁干擾（Electro Magnetic Interference）；WPT：無線電力傳輸（Wireless Power Transfer）。

1.2.1CWPT技術(shù)

CWPT技術(shù)具有低成本和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，其使用先進(jìn)的耦合電容的機(jī)械結(jié)構(gòu)，有效應(yīng)用于低功耗場(chǎng)景，如：便攜式電子設(shè)備、手機(jī)充電器和旋轉(zhuǎn)機(jī)器。圖2是基于串聯(lián)諧振電路的CPWT的典型原理圖。在CWPT中，使用耦合電容器從源頭向接收器傳輸能量，而非線圈或磁鐵。主交流電壓通過功率因數(shù)校正電路施加到H橋轉(zhuǎn)換器。由H橋產(chǎn)生的高頻交流電通過接收器一側(cè)的耦合電容器吸收。與IPT不同的是，CWPT在高電壓和低電流環(huán)境下都能運(yùn)行。為了減少諧振電路中發(fā)射端和接收端之間的阻抗，在耦合電容上串聯(lián)了額外的電感。這種布置有助于電路中使用柔性切換技術(shù)。同樣，利用整流器和濾波電路，將收到的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電，用于電池組或負(fù)載。對(duì)于空氣間隙較小的應(yīng)用場(chǎng)景，CWPT表現(xiàn)了出色的性能，并在電容器的兩塊板之間形成更好的場(chǎng)約束[6]。到目前為止，由于大氣隙和高功率水平的要求，CWPT在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用受到限制。有研究人員提出使用汽車的保險(xiǎn)杠作為接收器，以減少兩個(gè)耦合板之間的空氣間隙。試驗(yàn)表明，在540 kHz的工作頻率下，一個(gè)大于1 kW的設(shè)計(jì)原型具有從直流源到電池組的大約83%的效率[7]。

圖2 電容式無線電力傳輸?shù)氖疽鈭D

1.2.2MGWPT技術(shù)

MGWPT與CWPT和IPT都相對(duì)不同，如圖3所示。在這種方法中，與其他基于同軸電纜的WEVCS相比，兩個(gè)同步的永久磁鐵（Permanent Magnet, PM）被并排放置在一起。作為電流源的主電源被施加到發(fā)射器繞組上，在初級(jí)永磁體上產(chǎn)生機(jī)械扭矩，隨后，主永磁體旋轉(zhuǎn)并通過機(jī)械相互作用在副永磁體上產(chǎn)生扭矩。在兩個(gè)同步的永磁體中，初級(jí)永磁體作為發(fā)電機(jī)模式工作，次級(jí)永磁體接收電力并通過功率轉(zhuǎn)換器和BMS將其輸送到電池。研究人員開發(fā)了一個(gè)1.6 kW的MGWPT實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停軌驖M足大約150 mm的氣隙距離。然而，這種技術(shù)在應(yīng)用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)方面仍存在有許多挑戰(zhàn)[8]。有研究表明，在150 Hz時(shí)，旋轉(zhuǎn)器失去了同步速度，這大大影響了傳輸功率。需要不斷調(diào)整速度，通過先進(jìn)的反饋系統(tǒng)從電池側(cè)到初級(jí)側(cè)，以防止超過功率上限[9]。由于兩個(gè)同步繞組之間的耦合突然減少，功率傳輸能力與初級(jí)和次級(jí)PM之間軸到軸的距離成反比。簡(jiǎn)而言之，它可能適用于靜態(tài)的WEVCS，但在動(dòng)態(tài)應(yīng)用場(chǎng)景方面仍有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

圖3 基于磁性齒輪的WPT的示意圖

1.2.3IPT技術(shù)

IPT技術(shù)基本工作原理框圖如圖4所示。IPT已經(jīng)在從毫瓦到千瓦的各種領(lǐng)域進(jìn)行了測(cè)試和利用，以將非接觸電力從源頭傳輸?shù)浇邮掌鳌?996年，通用汽車公司推出雪佛蘭S10電動(dòng)車，該車由磁充電IPT（J1773）系統(tǒng)充電，提供2級(jí)（6.6 kW）慢速和3級(jí)（50 kW）快速充電[10]。將一個(gè)由電感耦合器組成的初級(jí)線圈插入車輛的充電端口，由次級(jí)線圈接收電源并允許對(duì)電動(dòng)汽車充電。在這個(gè)通用IPT中，一個(gè)10 kVA的同軸繞組變壓器展現(xiàn)出諸如可調(diào)節(jié)的功率范圍和靈活的耦合設(shè)計(jì)等明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖4 傳統(tǒng)的感應(yīng)式電力傳輸示意圖

1.2.4RIPT技術(shù)

在設(shè)計(jì)電力電子和無線變壓器線圈方面，RIPT是傳統(tǒng)IPT的最知名和最先進(jìn)的版本。用于電動(dòng)汽車的RIPT的工作原理如圖5所示。與其他WPT一樣，主交流電壓被轉(zhuǎn)換為高頻交流電源，并提供給發(fā)射器或初級(jí)線圈。接收器或次級(jí)線圈通過變化的磁場(chǎng)接收功率。通過額外的電力電子和過濾電路，接收到的電力被轉(zhuǎn)換為直流電，供電動(dòng)汽車的電池組使用。

圖5 諧振式電感功率傳輸?shù)氖疽鈭D

1.3 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

如圖6所示，在電動(dòng)汽車靜態(tài)無線充電系統(tǒng)中，發(fā)射端和接收端都加入了串聯(lián)和并聯(lián)的補(bǔ)償電容，以形成RIPT。四種類型的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即串聯(lián)-串聯(lián)（Series-Series, SS）、串聯(lián)-并聯(lián)（Series-Parallel, SP）、并聯(lián)-串聯(lián)（PS）和并聯(lián)-并聯(lián)（PP）[11]。需要進(jìn)行源補(bǔ)償以消除電流和電壓之間的相位差，并使源中的無功功率最小化。安裝二次補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以最大限度地提高負(fù)載功率傳輸和效率[12]。此外，選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇取決于WPT的具體應(yīng)用要求。PS和PP補(bǔ)償?shù)腤CS受到保護(hù)，故在沒有接收線圈的情況下，源線圈不會(huì)運(yùn)行。即使它提供了一個(gè)安全的環(huán)境，但在源頭和接收器之間錯(cuò)位的情況下，該系統(tǒng)也無法傳輸足夠的功率。另外還需要額外的串聯(lián)電感器來調(diào)節(jié)諧振電路中流入并聯(lián)的源電流。電容器的值取決于磁耦合和質(zhì)量系數(shù)。在基于SP的補(bǔ)償式WCS中，初級(jí)補(bǔ)償電容器的值不依賴于互感，并且可以提供比分級(jí)系統(tǒng)更高的功率傳輸。然而，它在很大程度上取決于負(fù)載的變化?；赟P補(bǔ)償?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)是最適合電動(dòng)車應(yīng)用的，因?yàn)樗袃蓚€(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：1）發(fā)射端和接收端的電容值與負(fù)載條件和互感無關(guān)，故發(fā)射端和接收端的諧振頻率不依賴于互感和負(fù)載，而是取決于初級(jí)和次級(jí)線圈的自感；2）由于來自接收器線圈的反射阻抗不在發(fā)射器線圈中增加虛部，因此，這樣的系統(tǒng)可通過在諧振頻率下汲取有功功率來保持統(tǒng)一的功率因數(shù)。這種WCS因其恒定的電壓和電流而為電池充電提供更大的選擇空間。表2顯示了不同補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的額外優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，這些網(wǎng)絡(luò)正應(yīng)用于電動(dòng)汽車的WPT中[13-14]。

圖6 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表2 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)

特點(diǎn)串聯(lián)-串聯(lián)(SS)串聯(lián)-并聯(lián)(SP)平行-并聯(lián)(PS)并聯(lián)-并聯(lián)(PP) 電力傳輸能力高高低低 功率因數(shù)對(duì)距離的敏感度distance低低中等中等 對(duì)位公差高高中低 共振狀態(tài)阻抗低低高高 頻率誤差對(duì)效率的影響地高低高 電動(dòng)車應(yīng)用高高中中

1.4 無線變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在無線充電系統(tǒng)中，發(fā)射器和接收器墊由多個(gè)組件層組成，以獲得最大的電力傳輸效率和較低的電磁干擾的成本效益。無線變壓器墊有三個(gè)主要組成部分：線圈、屏蔽材料（鐵氧體和鋁板）以及保護(hù)和支持層。圖7顯示了無線變壓器墊的各種視圖。

圖7 無線變壓器

1.4.1線圈形狀

在電動(dòng)汽車的WCS中，空氣芯無線變壓器的概念應(yīng)用于從源頭轉(zhuǎn)移到接收端的電力傳輸，功率范圍從幾瓦到幾千瓦。各種平面線圈的形狀，如：圓形、矩形和混合排列，已經(jīng)在無線變壓器設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用[15]，以提高性能并解決發(fā)射器和接收器焊盤之間的錯(cuò)位問題。無線充電線圈主要分為兩個(gè)方面：極化焊盤和非極化焊盤。極化焊盤是由多個(gè)線圈和形狀創(chuàng)建的，以產(chǎn)生通量的垂直和水平成分；而非極化墊是由單一線圈形狀構(gòu)成的，只產(chǎn)生通量的垂直分量[16]。

1.4.2磁性鐵氧體形狀

無線變壓器的另一個(gè)重要組成部分是磁性鐵氧體結(jié)構(gòu)。在WEVCS中，磁通量是在中到高功率范圍內(nèi)產(chǎn)生的，此時(shí)應(yīng)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)以避免健康和安全問題。此外，它還會(huì)影響兩個(gè)繞組之間的耦合效率，特別是在沒有屏蔽來減少漏磁通的情況下[17-18]。適當(dāng)?shù)蔫F氧體磁芯設(shè)計(jì)不僅可以幫助重定向磁通從初級(jí)到次級(jí)的路徑，還可以改善線圈的互感和自感。鐵氧體磁芯的選擇取決于多種因素，包括尺寸、形狀、磁導(dǎo)率、工作頻率和成本?；镜蔫F氧體形狀，如：圓形、方形和矩形（如E-core和U-core所示）已應(yīng)用于源墊和接收端，以減少電動(dòng)汽車的WCS中的漏磁通[19]。為了減少重量、降低成本，目前圓形空心和圓形排列的鐵氧體棒已經(jīng)修改，或根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了調(diào)整[20]。

1.4.3保護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)

在WEVCS中，發(fā)射器墊安裝在道路的混凝土結(jié)構(gòu)下面，能夠承受汽車的重量和車輛的額外振動(dòng)。為了提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，充電墊的頂部和底部材料是由PVC塑料板制造的。其長(zhǎng)度和寬度取決于充電墊的尺寸和厚度，尺寸為5～20 mm不等。有時(shí)還在線圈周圍添加透明的亞克力板，以增加支撐并提升充電墊的外觀。

2 WEVCS的應(yīng)用

根據(jù)其應(yīng)用，無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)可以分為以下兩個(gè)重要的場(chǎng)景，將電力從源頭傳輸?shù)诫姵亟M并進(jìn)入汽車。

2.1 靜態(tài)無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)

WEVCS為消費(fèi)者提供了一個(gè)用戶友好的環(huán)境，避免了與插電式充電器有關(guān)的任何安全問題。靜態(tài)WEVCS（Static WEVCS, S-WEVCS）可以很輕松地取代插入式充電器，需要駕駛員動(dòng)手操作的部分更少，并解決了如絆倒的危險(xiǎn)和電擊等相關(guān)的安全風(fēng)險(xiǎn)。圖8顯示了靜態(tài)WEVCS的基本結(jié)構(gòu)。

初級(jí)線圈安裝在道路或地面的下方，有額外的電源轉(zhuǎn)換器和電路。接收線圈或次級(jí)線圈通常安裝在電動(dòng)車的前部、后部或中部下方。使用電源轉(zhuǎn)換器將接收的能量從交流轉(zhuǎn)換為直流，并轉(zhuǎn)移到電池組中。為了避免安全問題，電源控制和電池管理系統(tǒng)配備了一個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)，以接收來自一次側(cè)的任何反饋[21]。

圖8 靜態(tài)無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的基本圖

充電時(shí)間取決于源功率水平、充電墊尺寸和兩個(gè)繞組之間的氣隙距離。輕型載重汽車之間的平均距離約為150～300 mm。靜態(tài)WEVCS可以安裝在停車區(qū)、停車場(chǎng)、家庭、商業(yè)建筑、購物中心和停車設(shè)施。它們的功率水平符合國(guó)際SAE J2954標(biāo)準(zhǔn)中1級(jí)（3.3 kW）和2級(jí)（7.7 kW）的功率等級(jí)，包括頻率范圍81.9～90 kHz?？傊?，用于電動(dòng)汽車的靜態(tài)WCS的原型或?qū)嶒?yàn)室實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被開發(fā)出來，功率范圍為1～20 kW，氣隙距離為100～300 mm，效率為71%～95%。

2.2 動(dòng)態(tài)無線電動(dòng)車充電系統(tǒng)

目前，電動(dòng)汽車主要受到成本和續(xù)航這兩方面的限制。為了增加續(xù)航里程，電動(dòng)車需要頻繁充電或安裝更大的電池組（這也導(dǎo)致了額外的問題，如成本和重量）。此外，經(jīng)常給車輛充電并不經(jīng)濟(jì)。動(dòng)態(tài)無線電動(dòng)車充電系統(tǒng)（Dynamic Wireless Electric Vehicle Charging System, D-WEVCS）是一項(xiàng)很有前景的技術(shù)，它可以減少與電動(dòng)車的范圍和成本有關(guān)的問題，也是未來電動(dòng)車的唯一解決方案。它也被稱為“道路供電”“在線”或“運(yùn)動(dòng)中”WEVCS[8]。如圖9所示，初級(jí)線圈以一定的距離嵌入到道路混凝土中，并有高壓、高頻交流源和補(bǔ)償電路連接到電網(wǎng)中。

圖9 不同類型動(dòng)態(tài)無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的基本圖

像靜態(tài)的WEVCS一樣，次級(jí)線圈安裝在車輛的下方。當(dāng)電動(dòng)車經(jīng)過發(fā)射器時(shí)，它通過接收線圈接收磁場(chǎng)，并通過利用功率轉(zhuǎn)換器和BMS將其轉(zhuǎn)換為直流電，為電池組充電。與目前的電動(dòng)車相比，電動(dòng)車的頻繁充電設(shè)施可減少約20%的整體電池需求。對(duì)于動(dòng)態(tài)的WEVCS，發(fā)射器墊和電源段需要安裝在特定的位置和預(yù)先定義的路線上。如圖9所示，電源段主要分為集中式和分段式的電源頻率方案。在集中式供電方案中，一個(gè)大的線圈（大約5～10 m）被安裝在路面上，其中利用了多個(gè)小型充電墊。與分段式方案相比，集中式方案的損耗較高，效率較低，安裝和維護(hù)成本高。這項(xiàng)技術(shù)的初始基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投入巨大，但在未來自動(dòng)駕駛汽車的幫助下，它將有助于在發(fā)射器和接收器線圈之間建立完美的對(duì)準(zhǔn)，這可以大大改善整體的功率傳輸效率。

3 WEVCS的未來發(fā)展

3.1 無線式汽車到電網(wǎng)

電動(dòng)汽車的快速擴(kuò)張導(dǎo)致了對(duì)快速和高效的充電和電力傳輸方法的需求增加。為了彌補(bǔ)額外的電力需求，可再生能源已經(jīng)被引入到微電網(wǎng)中。車輛到電網(wǎng)（Vehicle to Grid, V2G）的概念可以提供一個(gè)解決方案，同時(shí)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的充電和放電進(jìn)行高級(jí)調(diào)度。圖10顯示了電動(dòng)汽車的雙向電力傳輸應(yīng)用，有無線和插入模式。在插入式V2G中，帶有車載雙向充電器的電動(dòng)汽車允許用戶在高峰期連接到電網(wǎng)或家庭。在非高峰期，車輛從墻上的交流插座充電。交流電被轉(zhuǎn)換為直流電，并送入隔離的直流/直流轉(zhuǎn)換器，為用戶提供額外的安全。轉(zhuǎn)換后的直流電通過BMS、控制和保護(hù)，以及雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)诫姵?。這個(gè)轉(zhuǎn)換器在給電池組充電時(shí)進(jìn)行降壓操作（降壓模式），而在放電時(shí)進(jìn)行升壓操作，以提高功率水平。這種技術(shù)的局限性在于，它需要物理接觸和手動(dòng)操作來給電動(dòng)車充電或放電，這就產(chǎn)生了額外的風(fēng)險(xiǎn)，如電擊和絆倒的危險(xiǎn)。為了克服這些問題，已經(jīng)引入了無線式V2G，如圖10(a)所示。表3比較了無線式V2G和插入式V2G之間的異同。與插入式V2G不同的是，無線變壓器的初級(jí)線圈被嵌入道路或停車場(chǎng)表面，并帶有雙向電源轉(zhuǎn)換器。接收器線圈安裝在車輛下方，其余的雙向電源轉(zhuǎn)換器安裝在車身上。這項(xiàng)技術(shù)可以成為動(dòng)態(tài)V2G運(yùn)行中移動(dòng)儲(chǔ)能的緩沖器或備份。

圖10 雙向電力傳輸應(yīng)用

表3 無線與插電式V2G之間的比較

無線V2G插電式V2G 方法無線電力傳輸傳統(tǒng)電力傳輸 工作頻率/kHz81～9016～100 功率傳輸效率/%>90>90 氣隙敏感度中到高 位置敏感度中到高 操作自動(dòng)手動(dòng) 健康與安全隔離無線變壓器車載變壓器 電擊危險(xiǎn)低到中中到高 EMI中到高低 電力傳輸能力高高 便利性高中 接口兼容性無插入形狀與尺寸因標(biāo)準(zhǔn)而定

3.2 輪內(nèi)無線充電系統(tǒng)

靜態(tài)WEVCS已經(jīng)存在一些挑戰(zhàn)，如EMC問題、有限的功率傳輸、笨重的結(jié)構(gòu)和較高的效率。此外，功率傳輸效率取決于線圈的排列和發(fā)射器和接收器之間的氣隙距離。小型乘用車的平均氣隙距離為150～300 mm不等，而對(duì)于大型車輛，它可能會(huì)增加。對(duì)準(zhǔn)問題可以通過利用傳感技術(shù)或停車輔助來解決；動(dòng)態(tài)WEVCS技術(shù)面臨空氣間隙和線圈錯(cuò)位兩個(gè)主要障礙。由于有大量的源線圈，錯(cuò)位問題可以在一定程度上得到解決。為了解決空氣間隙問題，輪內(nèi)WCS（In Wheel, IW- WCS）已經(jīng)開發(fā)出來。它對(duì)于任何標(biāo)準(zhǔn)化的接收線圈形狀和位置的依賴度較小。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)IW- WCS是未來的技術(shù)，可用于在電動(dòng)汽車靜止或行駛時(shí)進(jìn)行充電。由于較小的氣隙和發(fā)射器與接收器之間較高的耦合效率，IW-WCS比現(xiàn)有的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)或動(dòng)態(tài)WCS具有明顯的優(yōu)勢(shì)。像其他WEVCS一樣，多個(gè)主線圈或源線圈通常安裝在路面下。圖11展示了用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)用的IW-WCS的基本原理圖。主電網(wǎng)源被轉(zhuǎn)換為高頻交流源，通過補(bǔ)償電路連接到初級(jí)繞組。與其他WEVCS不同，在IW-WCS中，次級(jí)線圈被安裝在輪胎結(jié)構(gòu)中。與目前的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)WEVCS相比，IW-WCS中的源線圈和接收線圈之間的氣隙更小。IW-WCS的三個(gè)主要結(jié)構(gòu)部件是無線變壓器線圈、電源和輪胎的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)高效的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)IWCS，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)。圖12展示了接收線圈的詳細(xì)內(nèi)部位置。多個(gè)接收線圈以平行組合方式放置在輪胎內(nèi)。這種安排的優(yōu)點(diǎn)是只有與發(fā)射器接觸的特定接收線圈被激活。在某些情況下，當(dāng)發(fā)生水平錯(cuò)位時(shí)，多個(gè)接收線圈可以被激活。這些線圈將電力傳輸?shù)诫姵亟M或負(fù)載。每個(gè)接收線圈包含一個(gè)諧振電容、整流器和濾波電路。建議接收線圈陣列的位置是在鋼帶和車身層之間。表4顯示了IW-WCS中使用的發(fā)射器和接收器線圈的規(guī)格。

圖11 輪內(nèi)WCS的工作原理示意圖

圖12 輪內(nèi)WCS

表4 發(fā)射器和接收器線圈的規(guī)格

初級(jí)次級(jí) 匝數(shù)/N2543 直徑/mm內(nèi)部4830 外部130105 線徑/mm21.500.64 電感/μH計(jì)算值60122 模擬值59124 測(cè)量值59123 質(zhì)量系數(shù)Q185107

4 總結(jié)

本文主要闡述了電動(dòng)汽車使用的無線充電系統(tǒng)的基本工作原理，講解了無線變壓器的結(jié)構(gòu)組成，包括電力傳輸線圈的形狀及特點(diǎn)、磁性鐵氧體的形狀及特點(diǎn)；列舉了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)各自的工作原理和應(yīng)用情況作了詳細(xì)的對(duì)比分析；對(duì)無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的未來提出兩種發(fā)展應(yīng)用場(chǎng)景。得出以下結(jié)論：

1）四種無線電力傳輸技術(shù)中CWPT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用在低功耗場(chǎng)景中效果顯著，但空氣間隙是限制其應(yīng)用在電動(dòng)汽車上的主要障礙；MGWPT由于其自身特點(diǎn)不適合于動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)中；RIPT作為IPT的改良版本，通過配置額外的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于電動(dòng)汽車上效果更好。

2）四種類型的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中，基于SP補(bǔ)償?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)最適合電動(dòng)車應(yīng)用。

3）無線變壓器的結(jié)構(gòu)組成中不同形狀的傳輸線圈和磁性鐵氧體各具特點(diǎn)。

4）無線充電系統(tǒng)的應(yīng)用中，靜態(tài)WCS的功率范圍可達(dá)到1～20 kW，氣隙距離為100～ 300 mm，效率為71%～95%。動(dòng)態(tài)WCS有集中式和分段式兩種類型，與分段式方案相比，集中式方案的損耗較高，效率較低，安裝和維護(hù)成本高。

5）WEVCS除了為充電提供便利之外，還能通過W-V2G的方式幫助緩解不斷攀升的電網(wǎng)壓力。另外除文中提到的集中基本無線充電方式外，無線電力傳輸線圈還可以安裝在車輪內(nèi)，即IW- WCS，這樣就可以有效減少由于傳輸線圈空氣間隙而導(dǎo)致的能量損失。

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Development Status and Application of Wireless Electric Vehicle Charging System

WANG Yu

( Jiangsu Jiaotong College, Zhenjiang 212028, China )

With the strong support of the government for the development of new energy vehicles, pure electric vehicles have gradually become popular. In order to effectively address the impact of mileage anxiety, the charging facilities matched with pure electric vehicles are also being put into construction on a large scale. However, the existing plug-in charging mode can not replace the convenience of traditional fuel vehicles in terms of charging efficiency. Therefore, the application research of the wireless electric vehicle charging system in the automobile is put on the agenda. The wireless electric vehicle charging system can charge the electric vehicle and discard the disadvantages of the plug-in charging system. This paper compares and analyzes the following contents, such as the working principle, structure, electromagnetic compatibility, air gap sensitivity, position sensitivity and compensation network of different types of static and dynamic wireless charging systems of electric vehicles, describes the basic structure and working principle of the wireless charging system for electric vehicles. Based on the existing system, the future application scenario of the wireless electric vehicle charging system is proposed, which has a good reference significance for the application of the wireless charging technology for high-power electric vehicles.

Electric vehicle; Electromagnetic compatibility; Wireless charging system; Wireless power transmission; Wireless electric vehicle charging system

U469.72

A

1671-7988(2023)11-06-09

王瑜（1986－），男，高級(jí)講師，研究方向?yàn)槠嚈z測(cè)與維修、新能源汽車、教研教改等，E-mail:wangyu 3916@126.com。

中國(guó)交通教育研究會(huì)重點(diǎn)研究課題《職業(yè)院校技能大賽與專業(yè)教學(xué)改革融合實(shí)踐研究》（JTZD20-77）；江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”第三次層次培養(yǎng)對(duì)象培養(yǎng)經(jīng)費(fèi)（2022-3-21-026）；江蘇省王瑜技能大師工作室專項(xiàng)研究經(jīng)費(fèi)（2022-5403-0121）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.002