电动汽车高效率无线充电技术的研究进展

国家自然科学基金（ 51077069 ），江苏省自然科学基金（ BK2009372 ）和高等学校博士学科点专项科研基金（ 20103218110013 ）资助项目。 收稿日期 2010-08-25 改稿日期 2011-01-26
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电 工 技 术 学 报
2012 年 8 月
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引言
发展电动汽车，是世界公认的缓解能源短缺和
发展电动汽车是节能、 环保和低碳经济的需求， 而无线供电 (WPT)是未来电动汽车 (EV)
供电技术的发展趋势。本文介绍了目前常用的三种 WPT 技术，指出电磁感应式 WPT 和电磁共振 式 WPT 因为相对效率较高，更适合于 EV 充电。针对 WPT 系统，结合高效变换的目的，从拓扑、 控制及变压器角度， 对目前 EV 用 WPT 技术进行了分析， 指出非接触变压器成为制约 EV 用 WPT 系统高效能量传递的主要瓶颈，进而对变压器高效化需要解决的主要问题和相关研究展开讨论。 对于感应式 WPT 技术，本文就变压器低耦合系数问题和移动充电系统中的“磁通分布不均”问 题，进行了相关技术介绍，并提供了解决思路；对于共振式 WPT 技术，介绍了其研究进展，指 出该技术为中等距离的高效能量传输提供了全新的思路，但仍然存在许多技术盲点。 关键词： 电动汽车 中图分类号： TM461 无线充电 电磁感应式 WPT 电磁共振式 WPT
第 27 卷第 8 期
曹玲玲 等
电动汽车高效率无线充电技术的研究进展
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用两个固有谐振频率相等的铜绕组（为方便表述， 称其为“变压器” ） ，在共振激励条件下（即激励频 率等于绕组的固有谐振频率） ，距离 2m 处，成功点 亮了一个 60W 的灯泡 [21] ，其中变压器的效率达到 了 40%。 与电磁感应式 WPT 相比，电磁共振式 WPT 可 显著提高能量的有效耦合及变压器的传输效率，受 到业界的关注。 Intel 、 Sony 、海尔等公司都已开始
图1 Fig.1
微波无线供电系统示意图
Schematic diagram of microwave WPT
微波频率传输所具备的“定向、可穿透电离层” 等特性， 使得该能量传送方式早在 1960 年就受到人 们的关注，并在远程甚至超距能量传输场合有着重 要的应用价值。如图 2 所示，微波 WPT 主要用于 如微波飞机、卫星太阳能电站等远距离输电场合， 其中卫星太阳能电站作为人类应对能源危机的有效 策略已成为美国、日本等国大力发展的重要航天项 目 [17,18] 。
பைடு நூலகம்
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WPT 技术介绍
WPT 技术主要分为三种：射频或微波 WPT、
电磁感应式 WPT 以及电磁共振式 WPT，下面分别 予以介绍。 2.1 微波 WPT 所谓微波 WPT， 就是以微波 （频率在 300MHz– 300GHz 之间的电磁波）为载体在自由空间无线传 输电磁能量的技术 [16] 。图 1 为微波无线供电系统示 意图。利用微波源将电能转变为微波，由天线发射， 经长距离的传播后再由天线接收，最后经微波整流 器等重新转换为电能使用 [16] 。
2012 年 8 月 第 27 卷第 8 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.27 Aug.
No. 8 2012
电动汽车高效率无线充电技术的研究进展
曹玲玲 陈乾宏 任小永 阮新波
南京 210016） （南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 摘要
本文将介绍目前常用的三种 WPT 技术，指出 电磁感应式 WPT 和电磁共振式 WPT 因为效率较高 更适合 EV 供电场合。针对 WPT 系统，结合高效变 换的目的，从拓扑、控制及变压器角度，对目前 EV 用 WPT 技术进行了综述，指出非接触变压器成为 制约 EV 用 WPT 系统高效能量传递的主要瓶颈， 进 而对变压器高效化需要解决的主要问题和相关研究 展开了讨论：对于感应式 WPT 技术，变压器低耦 合系数是制约其高效化的主要因素，而移动充电系 统中变压器存在的“磁通分布不均”问题则是导致 变压器低耦合系数的重要原因。本文指出提高变压 器全耦合磁通比例是有限尺寸下提高变压器耦合系 数的有效途径；并就移动充电系统中的“磁通分布 不均”问题进行分析并提供解决思路；本文还介绍 共振式 WPT 技术的研究进展，指出该技术为中等 距离的高效能量传输提供了全新的思路，但仍然存 在许多技术盲点。
图2 Fig.2 微波 WPT 技术的典型应用
着手研发该技术，如图 4 所示。实践中，人们还发 现了该技术相比于电磁感应式 WPT 的一些优点： 如对非接触变压器绕组间错位的敏感度减小，长野 日本无线公司给出了一二次绕组相互垂直的实验图 片（见图 4） ；此外，利用共振模式对激励频率要求 的严格性，可通过合理设置激励频率，向指定电器 供电，提高安全性。然而，目前该方向的研究要么 过于理论化，要么为实验研究，缺乏对应用、工程 设计有定量指导意义的研究成果。 目前，该技术传输的功率较小，尚未用于 EV 充电。但毋庸置疑，电磁共振式 WPT 因为能量的 高效耦合将成为 WPT 技术的一个重要研究方向。
环境污染的有效策略， 而对于我国又显得至关重要。 以我国的石油消耗为例， 2009 年石油净进口量约 2.04 亿吨，进口依存度达 52%，远超过国际警戒线 标准 35%。其中车用燃油消耗占总石油消耗的 1/3 强。因此，开发、推广汽车代用燃料和电动汽车， 降低燃料消耗，对缓解我国环境污染、保障能源安 全和供给以及国家的可持续发展具有重要的战略意 义 [1] 。 因实现了零排放、 技术相对成熟和经济性较好， 由蓄电池供电的纯电动汽车（ Electric Vehicle, EV） 成为各国政府鼓励、各汽车生产商大力发展的环保 车型 [2] 。受动力电池容量的限制，目前 EV 的续驶 里程较短，电池充电站的建设成为制约 EV 应用、 发展的最大瓶颈 [3,4] 。为此，各国均大力进行充电站 建设来推动 EV 的应用，如美国计划建设 800 万个 充电站；日本计划于 2012 年在东京建成 1 000 个充 电站，等等。 动力电池的电气充电方法包括接触式充电和无 线充电。接触式充电采用插头与插座的金属接触来 导 电 ； 无 线 充 电 或 称 无 线 供 电 （ Wireless Power Transmission, WPT ）是以电磁场为媒介实现电能传 递 [5] 。对于 EV 用 WPT，即将变压器一次、二次绕 组分置于车外和车内，通过高频磁场的耦合传输电 能。与接触式充电相比，WPT 使用方便、安全，无 火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损 和相应的维护问题，可适应多种恶劣环境和天 WPT 便于实现无人自动充电和移动式充电， 气 [6–9]。 在保证所需行驶里程的前提下，可通过频繁充电来 大幅减少 EV 配备的动力电池容量， 减轻车体重量， 提高能量的有效利用率。而减少动力电池容量可以 降低 EV 初始购置成本，推进 EV 的市场化。 对 EV WPT 的巨大需求和其中蕴含的无限商 机，使得相关技术的研发、应用相当活跃。典型的 应用包括新西兰国家地热公园的 30kW 旅客电动运 GM、 Nissan 以及 Toyota 的多个 WPT-EV 输车 [11,12] ， 车型，美国洛杉矶的 WPT 移动充电实验公路 [1] ，以 及韩国销售的配有车载 WPT 手机充电器的宝马 7 系列轿车等。 尽管 WPT 具有上述的众多优点，但其相对于 接触式供电存在的低效率问题 [13-15] 制约了其应用， 也为研发人员带来了挑战。
Wireless power transimission (WPT) technique will become the development trend of
energy supply system for electric vehicles (EV), which features the advantages of energy saving, low pollution and low-carbon emission. It is pointed out that electromagnetic induction and electromagnetic resonance of the three commonly used WPT techniques are more suitable for EV charging owing to their higher efficiency. With the purpose of efficient energy transfer for EV power system, a review on the topology, control and transformer of current-used WPT technique is made. It is indicated that contactless transformer is the major bottleneck restricting the system’s efficiency, and further, the main problems to be solved and related research to be conducted for a more efficient transformer are discussed. As for electromagnetic induction WPT, the problems of “low coupling coefficient” of the contactless transformer and “uneven distribution of magnetic flux” in mobile charging system are introduced, and possible solutions are provided. With respect to electromagnetic resonance WPT, this paper gives its research progress, and points out that it provides a new idea for an efficient medium-range energy transfer, though there are still large amounts of technical blind spots. Keywords ： Electric vehicles, wireless power transmission, electromagnetic induction WPT, electromagnetic resonance WPT
Typical applications of microwave WPT
目前，限制微波 WPT 技术进一步发展的主要 技术瓶颈在于高效微波整流器件、大功率微波天线 以及大功率微波电磁场的生物安全性和生态环境的 影响问题。 由于工作频率高、系统效率较低，微波 WPT 并 不适 合于 EV 这种能量 传输 距离较 短的 应用场 合。三菱重工尝试开发过基于微波 WPT 的电动汽 车充电系统，系统能量变换效率仅有 38% 2.2 电磁感应式 WPT 电磁感应式 WPT 是基于电磁感应原理，利用 一次、二次分离的变压器，在较近距离条件下进行 无线电能传输的技术。目前较成熟的无线供电方式 均采用该技术。若无特别说明，后文中的 WPT 均 为电磁感应式。许多公司相继将该技术应用于其产 品或者概念性演示装置中，如图 3 所示，可以看出： 无论是小功率的消费类电子产品还是大功率 EV 无 线供电系统，电磁感应式 WPT 技术都可有效实现 无线供电。
Review of the Efficient Wireless Power Transmission Technique for Electric Vehicles
Cao Lingling Chen Qianhong Ren Xiaoyong Ruan Xinbo 210016 China） （ Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Abstract Nanjing