电动汽车动态无线电能传输技术研究与应用进展

伴随着生态环境保护政策压力和新能源技术迅速发展带来的新机遇，各大汽车厂商设计研发了各式各样的电动汽车并及时推向市场，包括纯电动、混合动力、道路动力等类型电动汽车。电池相关技术一直是制约电动汽车技术发展和商业化应用的最大障碍，近几年出现的极速快充技术（充电时间小于5 分钟）由于技术稳定可靠、成本较低可控成为广受市场青睐的电池技术。无线电能传输技术采用无线式电能传输设备，其结构简单、安装及维护简便，而且安全性较高，因此无线式道路动力电动汽车（RPEV）具有很强的发展前景。

RPEV 能够实现汽车行进时直接获取动力能量，无需电池电能存储。该技术的原理是据安倍定则和电磁感应定律可以知道，行驶中的汽车能量接收装置与路面发射装置产生电磁感应、产生电流用来充电或为电机直接供电。该技术的商业化难点在于如何将能量安全且高效地从路面传送给汽车。

路面轨道能量传输技术起源于美国Lawrence Berkeley 实验室，后续经过新西兰、德国、韩国、英国、意大利等多个国家研究团队持续从该项技术的各个方面进行专注研究，使得该项技术不断发展进步。美国密歇根大学后来设计并制作了基于一次侧多LCC 谐振并联无功补偿技术的试验样机。国内要数重庆大学最先开展WPT 相关技术研究，提出了分段控制轨道式技术；天津工业大学和哈尔滨工业大学分别提出基于磁耦合谐振技术和多一次侧绕组并联技术。

1 电磁感应电动汽车技术研究现状

直到二十世纪八十年代无线电能传输技术才收到研究者的关注，其原理是在电磁感应耦合基础上发展而来的，能够实现20 厘米范围内进行高效率电能传输。

1.1 动态在线供电技术与静态无线电能传输技术

动态在线供电技术以韩国KAIST 研究团队为代表，从2009 年提出第一代概念汽车到在首尔大公园进行大量实验仅用了半年时间，到2012 年将OLEV 巴士部署到KAIST 校园和丽水世博试运行，近期已经在48 公里线路上商业化。第4 代OLEV 技术提出了设备装置模块化概念，到第5 代装置宽度仅有4 厘米实现在20 厘米距离内传送22kW 电能，水平偏移量可以高达30 厘米。此方案优势在于安装方便、无需铺设多余电线，但其需要较大激磁电流、漏感以及反电动势、接收效率等仍然是亟需进一步优化。

东京工业大学采用静态WPT 等效电路原理部署安装了在13.5 厘米距离内，工作频率85kHz 情况下输出3kW 电能，传输效率高达82%。但该方案虽然能应用到动态系统，但高速行驶会产生高能量波动以及部署成本高、难度大问题。

1.2 动态电动汽车无线供电系统

为了解决在线供电系统电能使用效率低的情况，重庆大学研究团队研制了基于高压传输、低压激励的电能发射线圈输电方案，该方案能够实现70 米远距离传输电能，但其中的电磁干扰辐射影响问题仍需继续优化，而且也存在组合线圈铺设成本高、电能传输功率不稳定等问题。

2 磁耦合谐振式电动汽车研究现状

利用磁耦合谐振原理将电磁场作为无线电能传输没接具有非辐射和高效率的优势、传输距离也能大幅提高。虽然该技术刚起步，且存在较多关键技术问题未解决，但因远距离传输和磁辐射安全等优势在生物医学、智慧交通以及电子消费市场前景一片大好。

2.1 一次侧多发射线圈电容串联结构

为了精简WPT 装置，美国橡树岭国家实验室（ORNL）采用一侧多发射线圈电容串联装置，在20kHz 频率情况下实现了2.2kW 能量，传输效率达到了74%，实验期间还通过加铝将电磁辐射降到ICRIP 标准以下。该方案具有广泛适用性但转化灵敏度、能量分配以及长距离铺设问题仍需进一步研究。与此类似美国密歇根大学提出了一次侧多LCC 谐振结构并联无功补偿设计方案给EV 动态供电，但该方案忽视了耦合多变以及电池问题，而且由于LLC 拓扑模式匹配难度大导致成本增高。

2.2 多级绕组并联无线电能传输技术

哈尔滨工业大学基于一次侧多绕组并联分段供电方案研发了多级绕组并联无线电能传输技术方案，能够实现在20 厘米范围内58kHz频率下实现1.6kW 功率，传输效率达到60%左右，但仍需要继续优化装置耦合设备、提高功率和传输效率。

2.3 分组周期串联螺旋耦合技术

分组周期串联螺旋耦合技术是一种新型WPT 技术，采用分离式结构，由天津工业大学提出并进行了样机试验。该方案虽然电能传输稳定、效率较同类技术高，但整体效率仍然较低，磁屏蔽措施仍需进一步细化研究。

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