电动汽车无线充电技术研究与应用探讨高峰

电动汽车无线充电技术研究与应用探讨高峰

高峰谈韵陶远鹏许竹发李晓飞

（国网合肥供电公司安徽合肥230001）

摘要：汽车行业的迅速发展，在方便人类的同时也会对能源和环境带来巨大的压力。电动汽车（Electricvehicle，EV）能有效地缓解能源危机，减少环境污染，以其高效、节能、低噪声、零排放等优点越来越受到各国政府和企业的重视，汽车的电气化是未来发展的必然趋势。另一方面，电动汽车的充电方式分为有线充电和无线充电。有线充电在电能传输过程中易产生火花，影响用电设备的寿命和安全，同时维护困难、灵活性较差，在雨雪等恶劣环境下充电困难。而无线充电具有更高的灵活性和稳定性，能够减少对电网冲击的影响。同时还可以实现动态供电，这恰恰解决了目前电动汽车动力电池容量有限而导致续航能力不足这一关键技术问题。利用无线充电技术可以实现人性化、智能化，同时还解决了接触式充电在安全维护方面的问题。因此，对电动汽车采用无线充电技术更加符合未来社会的发展方向。本文在前人研究的基础上，对电动汽车无线充电技术进行探讨。首先介绍了三种常用的无线电能传输技术（WirelessPowerTransfer，WPT）技术的传输机理。其次描述了三种技术在国内外的研究现状，并对存在的问题及相应的解决措施进行总结。最后概述了WPT在电动汽车无线充电中的发展方向。

关键词：电动汽车；无线充电技术；应用

1电动汽车无线充电技术最新研究情况

1.1国外电动汽车研究进展

1）2013年，韩国龟尾市铺设了一条长达12km的无线充电路段，纯电动公交车行驶在路上可边开车边充电。2）2014年7月，奔驰和宝马联合宣布要合作研发电动汽车无线充电技术。奔驰将基于全新S级进行测试，而宝马则计划率先将其应用在i8身上。3）截至2015年11月，美国纯电驱动轿车销量为10万辆。汇聚了美国、日本和欧洲的各类纯电驱动乘用车车型近30款。纯电动车型占50％以上，销量占67％。4）欧洲插电式混合动力乘用车将成为主流技术路线，预计2020年前，主流汽车企业的车型将全部实现混动化。5）到2015年末，特斯拉ModelS豪华纯电动跑车全球销售累计50580辆。全球纯电驱动乘用车产业化进程加速。6）2016年4月，美国橡树岭国家实验室（ORNL）研究团队将一个20kW的无线充电系统充电效率达到90％，充电速度是通常使用的插电式电动汽车设备的三倍。7）2016年5月，国际自动机工程师学会日前发布混插式以及全电动汽车的无线充电技术行业标准，这是电动汽车无线充电方面的第一个行业标准，具有开创性意义。

1.2国内电动汽车研究进展

1）国家制定了新能源汽车十年发展规划和电动车“十二五”专项规划，2012年4月18日，国务院讨论通过《节能与新能源汽车产业发展规划（2012－2020年）》。2）2016年初，南方电网广西电力科学研究院年轻女博士祝文姬和她的科研团队开发了无线电能传输系统工程设计平台，研制了驻停式电动车无线充电装置，建成国内第一条电动汽车无线供电小型试验车道。3）国家能源局副局长郑栅洁表示，充电桩国家标准发布以后，要对存量也就是现有充电桩进行全面改造。另外也要加强一些新技术，比如像无线充电标准的研究等。4）国家财政部、科技部等四部委发布《关于2016至2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》，提出2017至2020年，除燃料电池汽车外，其他车型补助标准适当下降。5）我国新能源汽车发展迅速，计划到2020年累计产销达到500万台。迅速发展的应用市场带来巨大的市场空间，初步估算我国无线充电市场规模可达数百亿元。

2WPT在EV无线充电中的应用

2.1ICPT在EV无线充电中的应用

新西兰奥克兰大学NAGENDRAGR等人最早将ICPT技术应用于EV中，在传输距离为20cm时实现了10kW的电动汽车无线充电系统，横向偏移误差可达到20cm。韩国科学技术学院SHINJ等人利用该技术实现了线上电动汽车（OnlineElectricVehicle，OLEV）的无线充电，传输距离为26cm，输出功率为100kW，传输效率达到80%，第一代线上电动汽车系统已经被商业化应用在首尔大公园。东北电力大学刘闯等人搭建了一个5.5kW的电动汽车无线充电系统，效率可达到95.73%。虽然该技术取得了一定的进展，但是仍有问题需要解决。WPT应用在电动汽车上的前提条件是传输距离最小不能低于20cm，而ICPT技术存在的最大问题就是传输距离小，一般该技术的传输距离不大于15cm。为此，韩国明知大学LEEJY等人提出了一个适用于电动汽车的大间隙双向无线能量传输充电器，通过利用PWM控制，保证系统可以在12～20cm的距离下稳定的工作。新西兰奥克兰大学BUDHIAM等人采用将线圈直径增大到700mm，实现了20cm的无线能量传输。其次，该技术横向偏移容差小：当发射线圈和中心线圈不能完全对准时，系统的传输效率会迅速下降。针对该问题，刘闯等人通过合理设计双LCL补偿网络参数，可将横向偏移增加到12cm。韩国先进科技学院CHOISY等人提出采用不对称的线圈结构将横向位移增加到40cm，可以满足电动汽车无线充电需求。西班牙萨拉戈萨大学VILLAJL结合串联拓扑和并联拓扑的优点，提出一种发射端串并补偿，拾取端串联补偿的拓补结构，将错位容差的范围增大25%。

2.2MCR-WPT在EV无线充电中的应用

MCR-WPT技术一经问世，就受到各国研究人员的广泛关注。美国威斯康辛大学Sesung-HwanLee等人在工作频率为3.7MHz，传输距离为30cm的条件下，实现了3kW的无线能量传输，效率达到了95%。马来西亚多媒体大学UDDINMK等人在工作频率大于400kHz，传输距离为20～30cm的条件下，实现了大于3kW的能量传输。中国科学院电工研究所廖成林等人基于该技术设计的系统可实现3.3kW的无线能量传输，传输距离为超过22cm，与底盘高度相当。东南大学黄学良教授课题组设计了约为3.5kW的电动汽车无线充电系统，传输距离约为25cm。MCR-WPT虽然优点很突出，但缺点也很明显。在频率方面主要存在着失谐和频率分裂两个问题。华南理工大学傅文珍等人指出受到电磁场环境、温度的影响，以及工作过程中系统的传输距离和负载发生变化时，发射端的等效电感会发生变化，进而造成失谐。为此，文中提出了采用锁相环PLL控制方法。通过检测系统输入端电压和电流，比较两者间的相位进而产生误差电压，由该误差电压控制调节压控振荡器，使其输出新的工作频率来使系统重新达到谐振状态。韩国三星高级技术研究所KIMNY等人提出采用扰动分析法，选择初始的工作频率，然后以一定的步长迭代，搜寻能够满足一定传输效率的工作频率，然后将搜索到的频率设为系统新的工作频率。针对频率分裂问题，哈尔滨工业大学吕玥珑等人通过合理设计参数不同的线圈，能够使系统无法满足频率分裂的条件，从而有效地解决频率分裂问题。日本东京大学BEHTC等人提出采用自动阻抗匹配方法，利用Γ型匹配电路，选用继电器结合二进制电容的自动调节控制方法，将分裂的偶模式下的工作频率调整到ISM频段的13.56MHz，提高系统在该频率下的传输性能。

2.3MPT在EV无线充电中的应用

MPT有很强的穿透效率，但是要求能量定向精确，能量利用效率低，且易受气候条件影响。MPT多用于太阳能卫星、临近空间飞行器等远距离输能，目前在低功率应用领域得到关注。为了将该技术应用于电动汽车无线充电中，人们进行了以下探索：三菱重工开发了基于微波WPT的电动汽车充电系统，系统能量变换效率仅有38%。从2003年到2008年，日本京都大学与尼桑汽车公司合作，在工作频率为2.45GHz的条件下，开发了基于MPT技术的电动汽车无线充电系统，传输距离约为10cm。该校的OIDAA等人设计了越野车辆模型并对系统进行测试，系统的传输效率不到1%。为了改善性能，由原来的喇叭型天线改为抛物线型，效率虽然提高到了5%，但还是不能满足实际工作需求。由此可见，该技术在现阶段存在的主要问题是传输效率太低。

3结论

电动汽车无线充电比有线充电更加方便、安全和可靠，没有机械损害，更容易维护。从上文可以看出，在电动汽车无线充电技术中，电磁感应式和电磁共振式这两种方式最为适合，各研究机构可以对这两种方式进行重点研究，以此作为突破点。与此同时，还需在研究电动汽车与相关产业上，加大投入，对电动企业予以大力发展，缩短我国汽车行业同他国的差距，在电动汽车领域中占据一席之地。最后要对领导和同事们对我这次关于电动汽车无线充电技术的研究进展大力支持表示感谢，同时还要感谢珠海银隆新能源有限公司相关技术人员对这篇论文的技术指导，感谢客户服务中心、电动汽车运营部在我完成技术论文时留下的大量工作，以及论文撰写过程中慷概给予的相关技术资料。

参考文献：

[1]赵争鸣，刘方，陈凯楠.电动汽车无线充电技术研究综述[J].电工技术学报，2016，31（20）：30-40.

[2]李路.电动汽车无线充电技术专利申请分析[J].电子知识产权，2016（08）：79-85.

[3]王文涛.电动汽车谐振式无线充电技术的研究[D].兰州理工大学，2016.

[4]张坤.电动汽车无线充电关键技术的研究[D].合肥工业大学，2016.