杨森,赖于树
（重庆三峡学院，重庆 万州 404000）
摘要：近年来，国家大力提倡对新能源的使用，其中对电动汽车的研究投入了巨大的力度，其发展十分迅猛。而无线充电作为一种新兴的充电方式，以其操作便捷、充电智能和运行安全等优点，引起广泛关注。本文介绍了无线充电系统的基本结构模型和两种常见无线充电方式的基本原理，重点分析了无线充电系统中传输线圈和谐振网络两种关键技术对传输性能的影响，阐述了这两种关键技术在国内外的发展现状。最后列举了电动汽车无线充电技术在实际生活中的应用，并讨论该技术亟待解决的问题与未来的发展趋势。
关键词：电动汽车；无线充电；磁耦合谐振；传输线圈；谐振网络
中图分类号：U469.72
1 引 言
为促进低碳出行、加大对新能源的充分利用，电动汽车（Electric Vehicles，EV）等新能源交通工具的推广成为各国的首要任务，而影响EV推广的因素之一是充电的安全性和便捷性[1]。目前EV主要有两种充电方案：有线充电和无线充电。传统的有线充电模式中，随处可见的各类电线，不仅影响美观，导线的老化和外露也带来许多安全隐患[2]，无线充电技术应运而生。无线充电指借助疏松变压器耦合装置，将电源、变压器和发射线圈置于地下，无外露端口，在无实体导线连接的情况下，便能将电能以无线的形式传输给汽车[3]。该充电方式不仅符合美观要求，而且避免了漏电、跑电等安全隐患，对EV的充电成本、充电安全性和操作智能性起着至关重要的作用[4]。
近年来，大量学者已经对EV无线充电技术进行了深入的分析和研究，但随着不断的研究，仍有许多关键技术存在问题急需解决。作为EV无线充电的关键技术，传输线圈和谐振网络具有不可或缺的作用，但在进一步提高传输效率或功率时，还需要提高和完善。
2 EV无线充电系统
2.1 结构模型
EV无线充/供电系统将发射装置与接收装置分别置于地下和汽车底盘，典型的EV无线供电系统包括电力变压器、发射端补偿电路、发射线圈、接收端补偿电路、整流器和动力电池组等组成[5]。
2.2 电磁感应式充电
电磁感应式供电技术是主要应用的无线供电模式之一，它以电磁感应原理为基础，通过给原边线圈流经固定频率的AC，使副边线圈感应出一定的电流，实现无接触的两端能量传输[8]。感应式无线供电抗偏移能力较低，随两线圈错位程度增大，系统传输效率逐渐降低[9]。
2.3 磁耦合谐振式充电
在无线电能传输领域中，磁耦合谐振充电方式虽然出现时间较晚，但凭借其自身的一些优点，也成为了主要的无线充电方式之一[10]。它采用磁共振的基本原理，在发射端和接收端安装频率相等的谐振电路，当电动汽车充电时，系统的发射端和接收端同时流经额定频率交流电，两端电路实现共振，此时充电效率最高。
3 传输线圈
3.1 静态无线充电
线圈结构是无线供电模式中能量耦合的关键部分，它直接影响着耦合系数[11]。为增大耦合系数、增强抗偏移能力和提高充电效率，许多学者不断改进线圈结构以求达到实用率最高。根据汽车能否在行驶过程中充电主要分为动态、静态两种充电方式[12]。不同的充电方式对线圈结构的要求也有不同。静态无线供电线圈机构分为单边绕组、双边绕组两大类。
目前，平面螺旋型线圈在单边绕组中运用较广。文献[17]提出的新型极化耦合器DD线圈。
因为传统圆形线圈耦合产生的磁场高度和电荷区都远低于DD线圈，所以DD线圈在圆形线圈的基础上，增大了抗偏移能力和传输距离。同年，为解决DD线圈在耦合时可能出现零点问题，该团队在DD线圈间加入一个正交线圈，构成能产生平行和垂直磁场的DDQ线圈，DDQ线圈比DD线圈具有更强的抗偏移能力，并解决了线圈耦合时可能出现的零点问题，但缺点是系统线材量增加、成本增大等。文献[18]提出一套三线圈结构的Tripolar Pad（TPP）线圈，TPP初级有三个相互解耦的线圈，并针对该线圈结构提出了一种控制方案，控制方案包括了初级电流的幅度和相位差的所有可能组合，仿真结果表明两端线圈之间的耦合系数得到明显增加。
3.2 动态无线充电
动态无线充电弥补了静态无线充电对车内电池的容量需求过大、充电频繁等缺点。动态无线充电线圈结构以发射端形状为区分，分为分段导轨式、长导轨式、阵列式3类[19]。
发射端由多套发射装置构成，且每一套发射装置均能被控制器独立控制。发射端工作流程：由电网提供的交流电首先经过整流器转换为直流电，接着流经高频逆变器转回交流电，再流入补偿网络提高系统耦合性能，最后送往发射线圈。接收端通过接收线圈获得从发射端传来的能量，并给汽车电池组充电。目前，定位技术和智能检测技术越来越成熟，利用EV的实时定位来控制发射端的开关成为热门话题。实时控制方案能够更高效的减少能量损耗、提高能量传输效率。
4 谐振网络
在实际应用无线充电时，常出现两端线圈间距过大或横向错位等问题，导致系统漏电感增大，从而将加大对发射端输出能量的需求。为降低漏电感带来的影响、提高系统传输效率，可加入补偿网络（又称谐振网络）。按电路中电容和电感的连接形式为依据，分为四种基本补偿网络：SS（串联-串联）、SP（串联-并联）、PS（并联-串联）、PP（并联-并联）。目前已有大量学者对四种基本谐振网络的参数设定、输入阻抗及系统传输效率等方面进行了深入的研究和整理。
除上述四种基本补偿结构外，LCL、LCC、CCL等复合型补偿网络也受到越来越多的关注[30]。文献[31]提出了LCL型补偿拓扑，并分析了六种谐振拓扑的负载特性，实验验证SS、LCL-P和LCL-LCL型拓扑有恒定输出电流特性，SP、LCL-S和S-LCL有恒定输出电压特性。LCL型补偿拓扑能更好的实现输出电流与负载解耦，但也出现体积和成本增大等问题。文献[32]提出了用于大功率电容性功率传输的LCL-L补偿电路，在初级侧搭建一个LCL补偿网络，次级侧将电感与电容串联，在1.5kW输出功率和150mm气隙的情况下，效率可达85.5％。
5 未来的发展方向
在国家的大力帮扶下，电动汽车的发展十分迅速，但还处于初期阶段，而电动汽车无线充电技术作为一种新型的充电方式，现阶段虽有较大的突破和研究成果，但仍有一些地方需要完善和发展。
（1）制定标准。在大面积铺设EV无线供电站点前，要求国际上制定一套无线充电标准，如电池参数和两端线圈装置等标准，在标准的基础下才能更有效地进行EV无线充电的推广。
（2）成本与回报。EV无线充电在前期铺设时，依赖于资金的雄厚强度。如EV动态无线供电，虽然能够弥补有线充电下行驶里程有限等缺点，但需要提前在地面铺设发射端通道，前期投入的成本较大回收期较长。
7 结 论
无线电能传输技术为EV充电提供了新的选择，该技术是目前的热门研究方向，且已经发展的较为成熟，其核心技术传输线圈和谐振网络已有许多的研究成果。在提倡低碳生活的当今时代，电动汽车会越来越融入人们的生活，而无线充电技术也将得到快速的应用和发展。
参考文献
[1]吴理豪，张波.电动汽车静态无线充电技术研究综述（下篇）[J].电工技术学报，2020，35(8)：1662-1678.
[2]刘晋霞，李庆烨，刘宗锋.协同线圈对电动汽车动态无线充电系统的影响分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2020，34(2)：57－63.
[3]未倩倩，赵凌霄，黄炘.浅析电池汽车无线充电技术现状及发展趋势[J].汽车电器，2019，(6)：18-20.