电动汽车无线充电技术的研究进展

电动汽车无线充电技术的研究进展

丁杰史素娟阎江

（南京长安汽车有限公司江苏南京211200）

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。

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；

0引言

电动汽车可以很好地解决机动车污染排放和能源短缺问题，因此受到了很多国家和政府的鼓励，许多汽车厂商也投入到了电动汽车的研发和生产当中[1]。电动汽车的充电方法主要有两种：一种是有线充电，也叫接触式充电。它主要包括标准充电、快速充电和电池更换3种方式；一种是无线充电，也叫无接触式充电，这是一种新型的充电方式。它主要利用无线电能传输技术（wirelesspowertransfer，WPT），目前无线电能传输主要有3种形式：感应式、谐振式和微波无线电能传输。感应式无线输电是松散耦合结构，相当于可分离变压器；谐振式无线电能传输利用近场电磁共振耦合，可以实现电能中距离有效传输；微波电能传输是一种远场辐射型能量传输方式，由于其传输效率很低，且容易对人体产生危害，因此不宜用于电动汽车无线充电。

本文对电动汽车无线充电技术的现状、主要技术、未来发展前景等问题进行了介绍。首先介绍两种无线充电技术—感应耦合式和谐振耦合式的基本原理及其在电动汽车中的应用情况；然后分析了提高电动汽车无线充电效率应采取的主要措施以及无线充电过程中的电磁干扰和电磁辐射问题；最后分析了电动汽车无线充电技术存在的主要问题和解决方法。

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。

图1 电动汽车无线充电系统结构

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。

图2 电动汽车无线充电系统技术体系

2电动汽车感应式无线充电技术

感应式无线充电技术已经相继应用于电动牙刷、手机、MP3、笔记本无线充电当中。由于传输距离较短，在电动汽车无线充电当中的应用还比较少。美国工业协会将电动汽车的感应充电系统按功率分为3个等级：（1）用于应急的小功率充电器，功率等级为1～3kW；（2）中等功率充电器，功率等级为5～25kW，完成充电需4~8h；（3）快速充电器柜，功率等级为75～300kW。

感应式无线充电技术已经被成功地应用到一些电动汽车充电系统当中，如通用汽车公司的EV1，发射系统埋在地面以下，接收线圈一般位于汽车底盘上，发射线圈与接收线圈发生感应耦合，相当于一个可分离变压器，通过线圈间的高频电磁场对电能进行无线传输，其基本结构如图3所示。

图3电动汽车感应式无线充电基本结构

3电动汽车谐振式无线充电技术

谐振式无线充电技术是基于电磁谐振无线电能传输，其最早是在2007年被MIT的研究人员提出来，其基本思想是：拥有相同自谐振频率的两个线圈可以通过电磁场高效传能，而频率不同的物体却基本不受磁场的影响，它是一种近场非辐射电能传输技术。随后开始用于电动汽车无线充电的实验当中，接收和发生线圈采用四线圈结构。电动汽车谐振式无线充电系统的基本工作原理为：系统从电网吸收电能，工频交流电经整流滤波和高频逆变后产生高频交流电，再经功率放大电路和阻抗匹配电路送至发射线圈，当发射线圈的自谐振频率与系统频率相同时，发射线圈的电流最大，产生的磁场最强；此时接收线圈若有相同的自谐振频率，则会通过磁场产生很强的耦合，从而实现电能的高效传输。接收线圈中的电能经整流滤波和调节电路给负载电池进行充电。同时整个系统通过反馈控制环节来保证系统的稳定性和高效性。

4结论

电动汽车的无线充电是以后的发展方向，随着无线电能传输技术趋于成熟，WPT技术将得到越来越多的应用和推广。但无线电能传输技术的发展也遇到了很多阻碍和问题，电动汽车无线充电应用中需要考虑的问题有以下几个方面。

（1）电动汽车电能的双向流动：就是电动汽车既可以从电网吸收电能，也可以将多余的电能返回给电网。

（2）移动充电：可以在地下铺设一系列发射线圈，使电动汽车可以在移动充电。

（3）光伏充电：可以设计具有太阳能电池板作用的汽车外壳，将太阳能转化为电能，储存于电动汽车电池中。

（4）汽车充电的精确定位：尽管谐振式无线充电在位置略微偏移的情况下，仍可以实现较高效率的能量传输，但是考虑到电动汽车的总用电量很大，效率必须要尽可能高，所以必须要求线圈的精确对位，这里可以借助于传感器来实现。

参考文献：

[1]王晓寰，张纯江.分布式发电并网无缝切换控制算法设计与实现[J].电网技术，2012，36（7）：191-194.

[2]林旭成，杨苹，吕茵.基于DSP控制的双模式逆变系统的研究[J].电力电子技术，2011，45（2）：56-59.

[3]晋鹏娟，赵兴勇，原胜军.基于储能的风力发电并网逆变器控制策略研究[J].电力学报，2013，28（5）：400-403.

[4]丁明，杨向真，苏建徽.基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变电源控制策略[J].电力系统自动化，2009，33（8）：89-93.