電動汽車無線充電技術(shù)(WCT)是一種應(yīng)用于電動汽車充電的非直接接觸式電能傳輸技術(shù)，具有運行安全、充電智能、配置靈活等優(yōu)點。

本文對電動汽車無線充電技術(shù)體系、類別與技術(shù)特點進行了綜述。其研究熱點包括：電力電子拓撲結(jié)構(gòu)、磁耦合元件結(jié)構(gòu)、能量傳輸水平、建模思路、生物安全等，對上述熱點問題研究進展進行了匯總。概述了相關(guān)汽車企業(yè)與實驗室的實用化成果。

該技術(shù)未來發(fā)展趨勢包括：電力電子拓撲結(jié)構(gòu)與控制算法的創(chuàng)新與優(yōu)化、生物安全以及新材料應(yīng)用等，而應(yīng)用趨勢則包括：行進狀態(tài)充電、輔助駕駛和V2X（車輛到電網(wǎng)（Vehicle-to-Grid，V2G）﹑車輛到住宅（Vehicle-to-Home，V2H）等雙向電能傳輸?shù)取?/p>

近些年，電動汽車無線充電技術(shù)（WirelessChargingTechnology，WCT）得到了越來越多的關(guān)注。無線充電系統(tǒng)不含外漏端口，無需人工操作，不占據(jù)地上空間，能夠?qū)崿F(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)和行進狀態(tài)充電，因而其相對于有線充電方式，具有運行安全、充電智能、方案配置靈活等優(yōu)點，并且有望降低電動汽車蓄電池用量和整車質(zhì)量，減少能源消耗。

無線充電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一定空間距離的高效非直接接觸電能傳輸。1893年科學(xué)家NikolaTesla在哥倫比亞世博會上首次采用無線電能傳輸方式，點亮了磷光照明燈，其后，無線電能傳輸技術(shù)在交通領(lǐng)域成為研究熱點。1894年M.Hutin獲得了一項軌道交通無線充電系統(tǒng)專利。1974年D.V.Otto提出了一種充電電流為2000A，頻率為10kHz的電動汽車無線充電系統(tǒng)設(shè)計方案。美國勞倫斯伯克利國家實驗室在1976年和1992年開展了兩項無線充電研究工作，分別測試了功率8kW和60kW的可移動式充電汽車，雖然未能真正商業(yè)化應(yīng)用，但在其后，無線充電技術(shù)在汽車行業(yè)得到迅速發(fā)展。2008年無線充電聯(lián)盟「Qi」標(biāo)準(zhǔn)的制定，標(biāo)志著無線充電技術(shù)真正進入商業(yè)化運營模式。而在中國，2013年12月，東南大學(xué)成功研制出了充電功率達3kW的無線充電電動汽車。

電動汽車無線充電技術(shù)屬于無線電能傳輸技術(shù)的一種，在技術(shù)需求方面具有以下特殊性：

功率等級：幾千瓦到幾十千瓦，且充電時間較短，因此要求充電系統(tǒng)容量較大；

充電間距：垂直方向15~45cm，水平方向偏移量應(yīng)大于15cm，傾斜方向應(yīng)保證側(cè)傾角裕度達到15°；

充電效率：通常來講，電網(wǎng)到車載電池的充電效率需大于85%才具有實用價值；

系統(tǒng)尺寸與質(zhì)量：考慮到汽車底盤體積、承載能力、輪距，以及無線充電系統(tǒng)比功率等因素，系統(tǒng)橫向尺寸應(yīng)在40~80cm之間，質(zhì)量應(yīng)該在50kg以內(nèi)；

數(shù)據(jù)通訊：為了實現(xiàn)充電系統(tǒng)的自動運行和充電參數(shù)的智能調(diào)節(jié)，同時配合自動泊車等輔助駕駛技術(shù)的實現(xiàn)，系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)通訊功能。

隨著電力電子技術(shù)、蓄電池技術(shù)以及電動汽車整車技術(shù)的進步，無線充電技術(shù)在近些年得到了迅速發(fā)展，并展現(xiàn)出較強優(yōu)勢。本文將從技術(shù)體系、類別和技術(shù)特點等方面對電動汽車無線充電技術(shù)進行總結(jié)和提煉，分析電力電子拓撲結(jié)構(gòu)、磁耦合元件結(jié)構(gòu)、能量傳輸特性、系統(tǒng)建模思路、生物安全等熱點與難點問題研究現(xiàn)狀，匯總各大汽車企業(yè)和相關(guān)研究機構(gòu)無線充電技術(shù)最新研發(fā)進展，并從技術(shù)和應(yīng)用角度對未來發(fā)展趨勢進行展望。

1電動汽車無線充電技術(shù)體系、分類與特點

1.1電動汽車無線充電技術(shù)體系

圖1電動汽車無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動汽車無線充電系統(tǒng)通常分為供電和受電兩部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2電動汽車無線充電系統(tǒng)技術(shù)體系

電動汽車無線充電系統(tǒng)的本質(zhì)是電能的變換與控制，可靠、高效、安全是基本要求。無線充電技術(shù)基于電力電子拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化與協(xié)調(diào)控制、電磁能量傳遞生物安全和多源能量雙向耦合管理三個科學(xué)問題，依托電路設(shè)計與參數(shù)匹配優(yōu)化、EMC與輻射安全防護、非線性系統(tǒng)分析與控制、車輛相關(guān)技術(shù)等技術(shù)支撐，形成了電力電子、電磁場、車輛相關(guān)理論、電化學(xué)、非線性系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)通信等多學(xué)科交叉，相互影響、深度耦合的技術(shù)體系，如圖2所示。

1.2類別與性能特點

圖3無線電能傳輸技術(shù)類別

無線電能傳輸方式包含遠場區(qū)傳輸和近場區(qū)傳輸兩大類，如圖3所示。

1.2.1遠場區(qū)

遠場區(qū)是距場源2D^2/λ+λ以外的區(qū)域，其中D為發(fā)射線圈最大直徑，λ為電磁波波長。在遠場區(qū)，輻射場起主導(dǎo)作用，電磁波可近似看作平面波，工作頻率高于300MHz，可以采用Maxwell方程來分析該類系統(tǒng)，但由于天線尺寸與波長相當(dāng)，因此不能采用集總參數(shù)方式分析工作過程，根據(jù)其原理不同，遠場區(qū)無線電能傳輸技術(shù)可分為微波式和激光式。

微波式無線電能傳輸技術(shù)可實現(xiàn)遠距離傳輸和小型化設(shè)計，但是由于輻射功率與傳輸距離的平方成反比，且遠場大功率傳輸受法律制約。因此，該技術(shù)一般被應(yīng)用于小功率、遠距離設(shè)備，如射頻識別卡等，而大功率微波式無線充電只在特殊行業(yè)應(yīng)用，如軍事或航天領(lǐng)域，不宜用于車輛的無線充電系統(tǒng)。

激光式無線電能傳輸技術(shù)可實現(xiàn)更長距離電能傳輸以及更小尺寸設(shè)計，且對周圍環(huán)境電磁干擾較低，但是轉(zhuǎn)化效率低，且大氣吸收和散射會產(chǎn)生額外損耗，在幾百W傳輸功率下，傳輸效率低于25%，同時對人體有傷害，因此其應(yīng)用局限于軍事和航天領(lǐng)域，也很難用于電動汽車無線充電系統(tǒng)。

1.2.2近場區(qū)

近場區(qū)是距場源2D^2/λ+λ以內(nèi)的區(qū)域，包含輻射近場區(qū)和感應(yīng)近場區(qū)，其分界邊界為0.62(D^3/λ)^0.5。近場工作頻率范圍為10kHz~100MHz，可采用Faraday電磁感應(yīng)定律分析該類系統(tǒng)，由于發(fā)射與接收設(shè)備尺寸大多小于λ/10，因此適用于集總參數(shù)法。根據(jù)耦合方式不同，近場無線電能傳輸技術(shù)可分為磁場耦合式和電場耦合式兩類，而根據(jù)是否發(fā)生諧振，磁場耦合式又包括感應(yīng)耦合式和磁諧振耦合式兩類。目前，近場電能傳輸技術(shù)被車輛無線充電系統(tǒng)廣泛采用。

感應(yīng)耦合式無線充電機理類似于無補償電路的可分離變壓器，由于發(fā)射線圈與接收線圈間氣隙較窄，且線圈依附鐵磁性材料，因此耦合系數(shù)通常高于0.5。該技術(shù)線圈間互感相對漏感較強，近距離傳輸效率較高，但對于距離非常敏感，不適于稍遠距離的無線充電，同時由于鐵磁性材料的存在，其繞組尺寸與質(zhì)量較大，高頻下鐵損較高。因此，該方案適合于充電距離小于線圈尺寸的低頻工作范圍。

磁諧振耦合式無線充電系統(tǒng)是基于磁場諧振耦合機理實現(xiàn)中等距離（一般為線圈尺寸數(shù)倍）無線充電的技術(shù)方案。相對于感應(yīng)耦合式無線充電技術(shù)，其顯著特點為電路拓撲結(jié)構(gòu)中具有調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)漏感補償和頻率調(diào)諧，提高傳輸距離，且當(dāng)充電路徑中的障礙物離線圈距離較遠時，不會對無線充電產(chǎn)生顯著影響。2007年麻省理工學(xué)院（MIT）的MarinSoljacic教授團隊利用該技術(shù)實現(xiàn)了距離2m、功率60W的傳輸，線圈間傳輸效率可達40%~50%。由于其在充電距離、充電效率和電磁輻射方面的顯著優(yōu)勢，近幾年成為研究熱點。

電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)發(fā)射端和接收端分別連接金屬平板，且為提高其傳輸效率，平板材料需采用高介電常數(shù)電介質(zhì)。由于電場被限定于平板間氣隙內(nèi)，因此對外界電磁干擾較低，但是為了實現(xiàn)高效電能傳輸，平板間距需要很小，平板面積需要很大，并且對補償電感值要求較高，因而高頻下銅損和鐵損較高，技術(shù)可行性較低。2012年日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)針對1/32的實車模型開展了相關(guān)研究，但該技術(shù)未實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

各類無線電能傳輸技術(shù)性能對比在表1中列出，通過比較可以發(fā)現(xiàn)，在傳輸距離、體積、質(zhì)量和成本等方面，磁諧振耦合式以及感應(yīng)耦合式電能傳輸技術(shù)相對其他無線電能傳輸技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，更適合于電動汽車大氣隙（15~45cm）、高效率（>85%），大功率（kW級）的無線充電技術(shù)需求。

表1各類無線電能傳輸技術(shù)性能對比

2?電動汽車無線充電技術(shù)研究熱點

2.1?電力電子拓撲結(jié)構(gòu)與工作特點

圖4典型電動汽車無線充電系統(tǒng)電力電子拓撲結(jié)構(gòu)及電能表現(xiàn)形式

電動汽車無線充電系統(tǒng)工作目標(biāo)是將電網(wǎng)中的電能傳輸?shù)杰囕d蓄電池中，因此其電源端與電網(wǎng)相連，負載端與車載蓄電池相接，傳輸環(huán)節(jié)電力電子拓撲結(jié)構(gòu)及電能表現(xiàn)形式如圖4所示。其電能傳輸過程包括有線傳輸和無線傳輸兩部分。

在電能的有線傳輸環(huán)節(jié)中（圖中黑色線路），電網(wǎng)中的交流電通過電磁干擾濾波器濾除雜波，進入整流器，變?yōu)橹绷?，功率因?shù)校正單元能夠提高功率因數(shù)，改善電能質(zhì)量，而功放電路則能夠?qū)⒅绷麟娮優(yōu)楦哳l交流電，進而通入由調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和勵磁線圈組成的LC諧振電路中形成正弦交流電，同時在勵磁線圈周邊空間形成高頻交變磁場。而在接收端，負載線圈中感應(yīng)出的交流電流經(jīng)過整流和濾波，流入蓄電池中，為蓄電池充電。

在電能的無線傳輸環(huán)節(jié)中，通過感應(yīng)耦合方式，勵磁線圈產(chǎn)生的高頻交變磁場在距其最近的發(fā)射線圈中感應(yīng)出交流電流，接收線圈也在距其最近的負載線圈中感應(yīng)出交流電流，各環(huán)節(jié)中交流電流頻率均相同；而通過磁諧振耦合方式，自振頻率相同的發(fā)射線圈與接收線圈實現(xiàn)了高效耦合，從而保障了電能的中等距離傳輸。

值得注意的是，電動汽車無線充電系統(tǒng)中的電力電子拓撲結(jié)構(gòu)與有線式充電樁主電路拓撲結(jié)構(gòu)相似，其區(qū)別在于后者將無線傳輸環(huán)節(jié)中的線圈結(jié)構(gòu)變?yōu)榱俗儔浩鹘Y(jié)構(gòu)，從而使發(fā)射端電路與接收端電路通過變壓器實現(xiàn)物理連接，再經(jīng)過整流濾波后接入電動汽車充電插口。

針對電力電子拓撲結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外研究點主要集中在功放電路和調(diào)諧（補償）網(wǎng)絡(luò)兩方面。

表2功放電路拓撲結(jié)構(gòu)比較

現(xiàn)有研究中，用于電動汽車無線充電系統(tǒng)的功放電路拓撲結(jié)構(gòu)主要包括全橋逆變電路和E型功放電路，其拓撲結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點在表2中列出。

圖5調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不同組合

調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)用于連接變換器與線圈，降低無用功，提高電能傳輸效率。根據(jù)調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，可將其分為5種，分別為S、P、CC、LC（CL）和LCC（CCL），其電路結(jié)構(gòu)及現(xiàn)有研究中發(fā)射端與接收端主要組合方式在圖5中已給出。

對于發(fā)射端：

S型拓撲輸入阻抗較低，適用于大功率器件，且易實現(xiàn)電壓反饋調(diào)節(jié)；

P型拓撲諧振頻率與耦合系數(shù)、負載相耦合，易受擾動，且輸入阻抗較大，因此實際應(yīng)用較少；

CC型拓撲能夠提高線圈間的橫向偏移裕度；

LC型拓撲能夠獲得較高功率因數(shù)，從而提高電能傳輸效率；

而LCC型拓撲則能夠進一步降低開關(guān)損耗，實現(xiàn)輸出電流與負載解耦，增加電路功率因數(shù)，從而降低控制難度，提高電能傳輸效率。

但是電路結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，其成本和體積也越大，電路參數(shù)匹配難度越高。

對于接收端，S型拓撲能夠輸出平穩(wěn)電壓，P型拓撲則能夠輸出平穩(wěn)電流，而以P型拓撲為基礎(chǔ)衍生出來的CC型、CL型和CCL型拓撲則能進一步實現(xiàn)輸出電流與負載的解耦，提高輸出功率可控性，有助于實現(xiàn)較高功率因數(shù)，使其成為理想電流源，進而提高系統(tǒng)的傳輸功率。同時，從圖5可知，目前仍有多種組合拓撲結(jié)構(gòu)未開展研究。因此，調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和組合方式有待開展更深入的探索工作。

2.2?磁耦合元件結(jié)構(gòu)

磁耦合元件是電動汽車無線充電系統(tǒng)中實現(xiàn)電能與場能相互轉(zhuǎn)化的元件，通常由高電導(dǎo)率部件和高磁導(dǎo)率部件組成。高電導(dǎo)率部件是電能的導(dǎo)體，考慮高頻下的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，通常選擇銅管或利茲線繞制；高磁導(dǎo)率部件是場能的載體，構(gòu)成磁路的一部分，可提高發(fā)射端與接收端耦合系數(shù)，降低磁場在汽車金屬部件內(nèi)引起的電渦流損耗，增強系統(tǒng)功率密度，通?？蛇x用鐵氧體材料。磁耦合元件發(fā)射端通常固定，而接收端則有固定式和移動式兩類。

2.2.1固定式磁耦合元件

固定式結(jié)構(gòu)通常包含兩類，一類是平板式，即將螺旋線圈平行布置在鐵磁性材料上；另一類是圓柱式，即將螺線管式線圈繞在鐵磁性材料上，前者在實際中應(yīng)用較為廣泛。

圖6奧克蘭大學(xué)單側(cè)多線圈平板式磁耦合元件

在平板式磁耦合元件設(shè)計中，新西蘭奧克蘭大學(xué)以及國內(nèi)東南大學(xué)研究團隊等都有相關(guān)研究成果，奧克蘭大學(xué)J.T.Boys教授團隊的研究成果具有代表性，他們起步于20世紀(jì)90年代，并分別在2009年和2013年提出了第1代和第2、3代平板式磁耦合元件結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

由于基體為鐵氧體，此類耦合元件通常較脆，需要用軟塑料或橡膠材料填充其縫隙，并用鋁板包裹側(cè)邊和背面，以降低電磁輻射。從結(jié)構(gòu)上講，圓形充電平板可以允許汽車從任何一個方向靠近，位置較為靈活，而矩形平板則能提供更大的耦合面積。分析顯示，采用DD形平板作為發(fā)射平板，安裝在地面，DDQ或BP形平板作為接收平板，安裝在汽車底盤能夠取到最理想的充電效果。

2.2.2移動式磁耦合元件

對于移動式磁耦合元件，發(fā)射端通常為一條固定在路基的通電長直軌道，或由多個沿道路串行布置的磁耦合元件構(gòu)成，接收端則是安裝在汽車底部的平板式耦合器。

當(dāng)汽車沿路面駛過，車載平板式耦合器中激發(fā)出電流，為車載蓄電池充電，從而實現(xiàn)行進狀態(tài)充電?；谲壍拦╇姷男羞M狀態(tài)充電最早是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室開展實車試驗，加拿大龐巴迪公司的三相式軌道供電列車以及Ross提出的充電平板分布式移動充電方式也具有一定可行性。

圖7韓國科學(xué)技術(shù)院OLEV無線充電電動汽車軌道方案

在國內(nèi)，重慶大學(xué)和天津工業(yè)大學(xué)也分別針對行進中的電動汽車和高速列車提出了無線供電方案。而在已經(jīng)商業(yè)化的產(chǎn)品中，韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）ChunT.Rim教授團隊研究的在線式電動汽車（On-lineElectricVehicle，OLEV）具有代表性，其無線充電設(shè)計方案演變過程如圖7所示。

2.3能量傳輸特性

電動汽車無線充電系統(tǒng)能量傳輸技術(shù)指標(biāo)主要體現(xiàn)在3個方面，即傳輸功率（單套磁耦合元件能夠傳輸?shù)淖畲蠊β剩㏄、傳輸距離（耦合器間距）S和傳輸效率η，而與之相關(guān)的參數(shù)又包括無線充電系統(tǒng)工作頻率f、耦合面積（磁耦合元件最大平面面積）A、偏移裕度ε（水平方向偏移長度除以耦合元件橫向最大外徑）等。國際范圍內(nèi)各研究機構(gòu)在電動汽車無線充電技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的能量傳輸指標(biāo)如表3所示

表3電動汽車無線充電能量傳輸水平

基于統(tǒng)計結(jié)果繪制了相關(guān)特性影響因素和發(fā)展趨勢如圖8、圖9所示。圖8為傳輸效率隨耦合器面積與傳輸距離比值的變化趨勢。圖9展示了無線充電系統(tǒng)頻率與功率隨時間的變化趨勢。

圖8耦合器面積和傳輸距離對效率的影響

由圖8可知，隨著耦合器面積與傳輸距離之比的增加，傳輸效率總體趨于增大，這主要與耦合系數(shù)增大相關(guān)，而近些年隨著相關(guān)技術(shù)的進步，實現(xiàn)了同等傳輸效率下，更小耦合器面積和更遠距離的傳輸。

圖9工作頻率與傳輸功率限值

從圖9中可以獲得3個方面的信息：

1）大部分研究成果工作頻率集中在20kHz和100kHz，這主要與電磁輻射限值和電力電子器件工作頻率相關(guān)；

2）從全局來看，隨著頻率的增加，傳輸功率在下降，其主要與電力電子器件技術(shù)發(fā)展水平有關(guān)；

3）隨著時間的推移，功率與頻率的乘積（P_out*f）在上升，其值也表征了商業(yè)化電力電子器件技術(shù)水平的提高。

不同時間段對應(yīng)的平均值如表4所示。

表4不同時段功率與頻率乘積平均值

由表4可知，在2005到2015的十年間，功率與頻率的乘積增長了7倍左右，且有繼續(xù)增長的趨勢，而這種增長趨勢表征無線充電設(shè)備正在向高功率密度、大傳輸距離和小型化方向發(fā)展。

2.4系統(tǒng)建模

電動汽車無線充電系統(tǒng)模型包括互感模型，耦合模模型，散射矩陣模型，帶通濾波器模型等。其中，國內(nèi)外多數(shù)理論研究以互感模型和耦合模模型為主。

2.4.1互感模型

圖10磁諧振耦合式無線充電系統(tǒng)等效電路

基于電路理論，磁諧振耦合式無線充電系統(tǒng)可統(tǒng)一等效為圖10所示電路模型?？紤]到中間傳輸環(huán)節(jié)存在多線圈結(jié)構(gòu)，因此，設(shè)定線圈總數(shù)為n。當(dāng)各線圈自振頻率相同時，傳輸阻抗最小，系統(tǒng)耦合程度最高。

根據(jù)Kirchhoff電壓定律，等效電路數(shù)學(xué)模型用如下公式表示：

在諧振狀態(tài)下，線圈感抗與容抗相互抵消，即jωL_i=-1/(jωC_i)，阻抗虛部為零，系統(tǒng)傳輸效率η可定義為輸出功率P_L與輸入功率P_in的比值，I_i為線圈i的有效電流值，則：

同時，通過求解等效電路數(shù)值模型，可以計算得到系統(tǒng)功率特性與效率特性，進而可以優(yōu)化性能參數(shù)。

2.4.2耦合模模型

耦合模理論是一種重要且準(zhǔn)確的用于描述高頻波動振蕩或傳輸特性的解析方法，可用于研究兩個或多個電磁波模式間相互耦合的規(guī)律。以兩線圈強耦合磁諧振式無線充電系統(tǒng)為例，從耦合模理論出發(fā)，其數(shù)學(xué)模型可表示為：

滿足如下假設(shè)條件：1)諧振頻段足夠窄；2)系統(tǒng)整體表現(xiàn)是由相互存在耦合的孤立單元組成，這種耦合只會對每一個單元的運行狀態(tài)產(chǎn)生微小的擾動，而耦合系統(tǒng)的整體表現(xiàn)是由獨立單元的微擾疊加而來。則可以得到如下系統(tǒng)整體效率表達式：

式中：下標(biāo)S、D、W分別代表發(fā)射線圈、接收線圈和負載線圈。在存在激勵源的條件下，帶入耦合系數(shù)，可以進一步求解系統(tǒng)傳輸性能。

2.5生物安全性研究

由于電動汽車無線充電系統(tǒng)工作在高頻下，電能與場能不斷交替轉(zhuǎn)化，在周邊區(qū)域激發(fā)高頻交變電磁場，因此其電磁輻射水平是否對生物安全產(chǎn)生影響，對于該項技術(shù)的推廣應(yīng)用至關(guān)重要。電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）制定的《處于射頻電磁場3kHz~300GHz的人體安全等級》標(biāo)準(zhǔn)和國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）制定的《限制時變電場、磁場和電磁場暴露的導(dǎo)則（1Hz到100kHz或300GHz以下）》規(guī)定了高頻設(shè)備周邊電場與磁場強度的限值。

圖11無干擾情況下電場與磁場強度的公眾曝露控制限值

針對電磁能量水平不同，考慮我國實際情況，中國可按照《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）規(guī)定的公眾曝露控制限值作為電動汽車無線充電系統(tǒng)輻射限值標(biāo)準(zhǔn)。各類標(biāo)準(zhǔn)對于電場強度（E）和磁場強度（H）的不同限值示于圖11。

由圖可知，對于現(xiàn)有電動汽車無線充電技術(shù)工作頻率范圍（100MHz以內(nèi)），頻率越高，控制限值越低，并且我國的限值要求相對國際標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，因此對電動汽車無線充電系統(tǒng)的電磁輻射安全性要求更高。

圖12基于人體模型的SAR值仿真研究

針對電動汽車無線充電系統(tǒng)電磁輻射生物安全性，WuH.H等人對Witricity系統(tǒng)做過相關(guān)電磁場強度分析，測試了無線充電系統(tǒng)工作時，附近區(qū)域人體膝蓋，腹股溝，胸部和頭部的磁場強度；O.C.Onar等也做了相似的研究，他們測試了一輛電動汽車無線充電過程中，駕駛員一側(cè)前輪、地板、座椅和頭枕部位的磁場強度；A.Christ等人基于成人和兒童的人體解剖模型，測量了不同矢狀面的電磁波比吸收率（SpecificAbsorptionRate,SAR），分析了四線圈式充電系統(tǒng)的輻射對人體的影響，如圖12所示。

而關(guān)于電磁輻射防護方法，現(xiàn)有研究理論中包含主動防護和被動防護。主動防護方法包括加入電磁干擾防護線圈，以及用容性線圈代替自諧振線圈，降低諧振頻率等，而被動防護主要依賴于鐵磁性材料和其他具有較好電磁屏蔽性能材料的應(yīng)用。

3.實用化相關(guān)成果

3.1各大汽車企業(yè)無線充電技術(shù)研發(fā)進展

在國際范圍內(nèi)，針對電動汽車無線充電系統(tǒng)，各大整車企業(yè)也在加緊開展技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品推廣：

豐田、日產(chǎn)和本田等多家汽車公司聯(lián)手美國Witricity公司，開發(fā)了WiT-3300平板式無線充電系統(tǒng)，其整體傳輸功率為3.3kW，傳輸效率達90%，可在100~200mm范圍內(nèi)進行充電，而該產(chǎn)品將在2015款英菲尼迪LE豪華電動汽車和2016款PRUIS裝配；

寶馬i8系列車型裝備了高通公司的Halo無線充電產(chǎn)品，他們的DD型充電平板在20kHz工作頻率下能夠?qū)崿F(xiàn)3~20kW的功率傳輸，而適用于汽車行進狀態(tài)充電的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)間距在250~300mm范圍內(nèi)20~30kW的功率傳輸；

汽車零部件制造商博世（Bosch）則與美國Evatran公司合作推出了PluglessL2無線充電系統(tǒng)。該產(chǎn)品可無線充電，能輔助駕駛員自動泊車，將裝配日產(chǎn)Leaf和雪佛蘭ChevyVolt兩款車型；

德國康穩(wěn)（Conductix）、加拿大龐巴迪（Bombardier）、美國宇航局艾姆斯研究中心（NASAAmesResearchCenter）、美國HEVOPower公司和美國WAVE公司也紛紛推出了移動交通無線充電產(chǎn)品。

在國內(nèi)，東風(fēng)汽車公司聯(lián)手中興通訊，在湖北襄陽打造了中國第一條大功率無線充電公交示范線，充電功率達60kW；蜀都客車也與中興通訊聯(lián)合推出了全國首個無線充電城市微循環(huán)公交解決方案；北汽新能源計劃在2015年下半年為E150EV車型裝配無線充電設(shè)備。此外，宇通、長安、奇瑞等汽車制造商也紛紛投入無線充電技術(shù)研發(fā)行列。

3.2實驗室裝置與樣機

在千瓦級電動汽車無線充電系統(tǒng)研究方面，國外研究機構(gòu)主要包括新西蘭奧克蘭大學(xué)、韓國科學(xué)技術(shù)院、日本埼玉大學(xué)、美國橡樹嶺國家實驗室、美國猶他州立大學(xué)和美國密歇根大學(xué)-迪爾伯恩校區(qū)等。

新西蘭奧克蘭大學(xué)（UniversityofAuckland）J.T.Boys教授團隊起步較早，在2000年即提出了總傳輸功率17kW的旅客輸送車設(shè)計方案，2009年他們提出了功率2kW的平板式磁耦合元件設(shè)計方案，并于2013年改進了磁耦合元件結(jié)構(gòu)，提高了磁場覆蓋面積和偏移裕度，降低了制造成本，其充電平板可同時應(yīng)用于靜止?fàn)顟B(tài)充電和行進狀態(tài)充電；

韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）ChunT.Rim教授團隊的在線式電動汽車（OLEV）項目能夠使行進狀態(tài)的汽車從公路電網(wǎng)中攝取電能，從2009年起他們陸續(xù)提出了五代設(shè)計方案，實現(xiàn)了200mm間距內(nèi)單體27kW功率的傳輸；

日本埼玉大學(xué)（SaitamaUniversity）在2011年測試了一種H型磁芯的線圈結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了7cm范圍內(nèi)1.5~3.0kW的功率傳輸；

美國橡樹嶺國家實驗室（OakRidgeNationalLaboratory，ORNL）分別于2011年和2013年提出了無鐵氧體和有鐵氧體的磁耦合元件，實現(xiàn)了單體2.5kW和單體3kW的能量傳輸，但前者體積較大，其磁耦合元件也能同時應(yīng)用于電動汽車靜態(tài)和行進狀態(tài)充電；

猶他州立大學(xué)（UtahStateUniversity）HunterH.Wu等在2012年試驗了傳輸功率5kW的平板式磁耦合元件，系統(tǒng)傳輸效率超過了90%；

美國密歇根大學(xué)-迪爾伯恩校區(qū)（UniversityofMichiganDearborn）的ChuntingChrisMi教授團隊則分別在2014年和2015年設(shè)計并制作了單體功率8kW和5.6kW的平板式磁耦合元件，直流到直流傳輸效率均超過95%，其實驗裝置如圖13所示，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的功率與頻率的乘積值為目前最大。

圖13美國密歇根大學(xué)-迪爾伯恩校區(qū)無線充電實驗裝置

在國內(nèi)，東南大學(xué)、重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中科院電工研究所等，也均開展了適用于電動汽車kW級功率需求的無線充電裝置設(shè)計與研發(fā)工作。

東南大學(xué)在雙中繼線圈無線充電系統(tǒng)設(shè)計與效率優(yōu)化方面開展了較多研究；

重慶大學(xué)提出了電動車在線供電系統(tǒng)配電方案，解決了一些電動汽車無線充電系統(tǒng)實用化問題；

哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用高磁導(dǎo)率平板磁芯繞組，設(shè)計了1.85kW無線電能傳輸系統(tǒng)；

中科院電工研究所提出了基于電容優(yōu)化實現(xiàn)無線充電系統(tǒng)傳輸效率和水平偏移裕度提升的系統(tǒng)設(shè)計方案。

4.發(fā)展趨勢

4.1技術(shù)發(fā)展趨勢

1）電力電子拓撲結(jié)構(gòu)與控制算法的創(chuàng)新與優(yōu)化。無線充電系統(tǒng)性能的進一步提升，很大程度上依賴于功放電路和調(diào)諧（補償）網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新性設(shè)計與優(yōu)化，更需要控制方法的改進。研發(fā)出具有高功率因數(shù)，低輸入阻抗和低匹配難度的電力電子拓撲結(jié)構(gòu)，提出更加精確和穩(wěn)定的控制方法，對于提升無線充電系統(tǒng)偏移裕度、電路工作穩(wěn)定性和電能傳輸效率具有重要意義；

2）電磁能量傳遞生物安全。生物安全性是公眾關(guān)注的重要問題，無線充電系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用需要探索更具智能性和通用性的電磁輻射安全主動防護方法；

3）新材料的引入與無線充電約束機制的改善。引入磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等參數(shù)更加優(yōu)越的先進材料，有助于降低系統(tǒng)損耗，提升電能傳輸效率，近些年，超常規(guī)電磁材料（左手材料）、磁電層狀復(fù)合材料、超導(dǎo)材料等新材料的出現(xiàn)與應(yīng)用，為充電過程能量損耗的進一步降低提供了可能，也為無線充電系統(tǒng)傳輸性能提升創(chuàng)造了空間。

4.2應(yīng)用趨勢

1）汽車行進狀態(tài)充電技術(shù)。電動汽車發(fā)展瓶頸之一是蓄電池能量密度較低，存儲能量較少，而汽車行進狀態(tài)充電技術(shù)，將電能發(fā)射線圈直接布置在道路基面以下，能夠為行進中的汽車充電，從而使汽車行駛消耗的電能得到及時補充，延長汽車?yán)m(xù)駛里程；

2）輔助駕駛技術(shù)。將無線充電與自動泊車、自動巡航等輔助駕駛技術(shù)相結(jié)合，提高整車駕駛性能以及無線充電效果；

3）V2X（車輛到電網(wǎng)（Vehicle-to-Grid，V2G）、車輛到住宅（Vehicle-to-Home，V2H）等）雙向電能傳輸。電動汽車與電網(wǎng)智能雙向融合，能夠發(fā)揮削峰填谷的電能調(diào)控作用，使電動汽車真正成為智能化移動蓄能裝置，充分發(fā)揮電動汽車的性能。

5.總結(jié)

本文綜述了目前電動汽車無線充電技術(shù)研究現(xiàn)狀，在對無線充電技術(shù)體系、類別和技術(shù)特點進行總結(jié)和提煉的基礎(chǔ)上，概述了當(dāng)前的研究熱點，包括：電力電子拓撲結(jié)構(gòu)、磁耦合元件結(jié)構(gòu)、能量傳輸特性、系統(tǒng)建模、生物安全等，匯總了各大汽車企業(yè)和相關(guān)研究機構(gòu)無線充電技術(shù)研發(fā)進展。該技術(shù)未來發(fā)展趨勢包括：電力電子拓撲結(jié)構(gòu)與控制算法的創(chuàng)新與優(yōu)化、生物安全以及新材料應(yīng)用等，而應(yīng)用趨勢則包括：行進狀態(tài)充電、輔助駕駛和V2X（車輛到電網(wǎng)（Vehicle-to-Grid，V2G）、車輛到住宅（Vehicle-to-Home，V2H）等）雙向電能傳輸?shù)取?/p>

電動汽車無線充電系統(tǒng)是一種復(fù)雜非線性磁電耦合系統(tǒng)，其性能的進一步提升需要在本質(zhì)科學(xué)問題與共性技術(shù)體系方面做出更加深入的分析和探索，歸納更具普遍意義的技術(shù)方案與控制策略。分析研究進展可以發(fā)現(xiàn)，目前仍有很多工程問題有待解決，因此未來幾年，電動汽車無線充電技術(shù)仍然是行業(yè)熱點。