電動汽車無線充電

一、電動汽車無線充電系統產業發展現狀

當今世界正面臨全球性的能源危機與日益嚴峻的環境保護壓力，交通運輸領域作為世界經濟的命脈，正經受著高能源消耗與高環境汙染的雙重挑戰。針對此問題，世界各國均發布並實施了各自的電動汽車戰略。

我國也已經開始新能源汽車的推廣和基礎充電設施的建設進程。截至2016 年，我國電動汽車銷量同比增長65%達到40.9 萬輛，公共類充電機建設同比增長118％達到141254 個。

根據我國對新能源汽車發展的目標，到2020年，我國純電動汽車和插電式混合動力汽車生產能力將達到200萬輛、累計產銷量超過500萬輛，中國已成為全球最大的電動汽車市場。若充電設施與電動汽車按1:2的比例建設，無線充電技術滲透率為50%，按安裝一套無線充電裝置一萬元計算，預計2020年僅我國無線充電的市場規模將達到百億規模。

此外，據權威機構預測，2017年全球的無線充電市場將達73億美元，2019年將突破100億美元，而2015年還不足20億美元，4年複合增速超過50%。預計隨著技術提升及商用突破，無線充電將呈現廣闊市場空間。

為了促進電動汽車無線充電系統產業的發展，國家發展改革委、國家能源局於2016年3月下發的《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》中，要求到2020年突破電動汽車無線充電技術，以電動汽車無線充電為應用對象，研發高效率、低成本的無線充電系統，實現即停即充，甚至在行駛中實現動態充電。

在世界範圍內，智能化和無人駕駛已成為電動汽車的重要發展方向。而無線充電系統更適用於無人駕駛的智能電動汽車，已成為解決電動汽車充電問題的有效手段和現實途徑，受到了各大車廠的青睞。

豐田準備了插電式普銳斯車型作為試驗車，在豐田汽車總部所在地——日本愛知縣的10位車主住宅中進行試驗。豐田希望無線充電系統可以在幾年內量產面市。日產公布了關於一套無線充電系統的相關信息，該系統被形容為「未來加油站」；這套無線充電系統由日產和Foster + Partners公司共同開發；首款搭載車型為日產聆風。

奔馳、寶馬研發電動汽車無線充電技術。奔馳已經在S級上進行測試，而寶馬則應用到HEVi8上。奧迪推出充電效率90%的無線充電系統，這套系統的最大特點是供電線圈為可升降形式。

龐巴迪研發無線充電系統PRIMOVE，充電功率可達100kw以上，2015年將該系統應用在純電動巴士無線充電中，在德國曼海姆、柏林、不倫瑞克市等地進行了運行。

韓國科學技術研究院（KAIST）針對電動汽車動態無線充電技術進行了深入研究，並於2013年起在龜尾市等多地進行測試應用。寶馬BMW在2018款530eiPerformance款混動汽車上搭配了無線充電技術，該系統搭配了一塊充電板，充電板與220伏電源相連，僅需3.5個小時就能充滿9.4kWh的電池組，整套系統或將於2019年量產。

在國內從事電動汽車無線充電的企業主要有中興新能源(ZTEV)、中惠創智(Zonecharge)、萬安科技等。中興新能源(ZTEV)：中興新能源(ZTEV)成立於2014年6月，是中興通訊(ZTE)旗下的控股子公司。

ZTEV研發出電動汽車3-60kW大功率無線充電系列產品，為新能源智能網聯汽車提供自動、自在、自由的汽車充電整體解決方案，並在成都、襄陽等地開展了示範運行。

中惠創智(Zonecharge)成立於2014年7月，致力於無線供電技術的研發與產業化運營。在煙臺總部建有無線電能傳輸技術研發中心，在深圳公司建有電磁兼容標準化實驗室。目前，公司旗下有專注低功率無線供電晶片研發生產的「泰沃」品牌，和專注高功率新能源汽車充電樁研發生產的「能度」品牌。

2016年7月，萬安科技出資74%與Evatran在中國設立合資公司—浙江萬安億創電子科技有限公司，主要聚焦於無線充電業務。

二、無線充電系統技術概況

電動汽車無線充電系統主要由功率因數校正電路（PFC）、高頻逆變器、無線能量傳輸線圈、補償網絡、高頻整流橋組成。無線充電系統的結構簡圖如圖1所示。功率因數校正電路將220V的交流市電轉變為直流電，減小輸入電流諧波；高頻逆變器將直流電轉變為高頻交流電；無線能量傳輸線圈包括發射端線圈與接收端線圈，通過空間電磁場實現能量的無線傳輸；補償網絡調整發射端的電源特性，以及接收端的負載特性，以優化系統的傳輸效率、輸出功率、軟開關等特性；高頻整流橋將接收端的交流電轉變為直流電，並為動力電池進行供電。

圖1 無線充電系統結構簡圖

1、功率因數校正電路

在中國，市電是電壓為220V/50Hz的交流電。作為市電負載的電氣產品阻抗特性存在三種狀況：電容性、電感性和電阻性。其中，電阻性負載消耗有功功率(實際做功的功率)，而容性和感性負載則消耗無功功率。為了使電氣產品正常工作，作為能量源的市電則需要提供的總功率應為負載消耗的有功功率和無功功率之和。當負載消耗的無功功率越小，市電需提供的總功率也越小，從而市電的利用率就越大。

因此，為了實現市電利用率的最大化，在市電和市電負載之間需要增加功率因數校正電路，使得市電的輸出負載特性接近純阻性。常見的功率因數校正電路拓撲結構如圖2所示。單相拓撲的功率因數校正電路主要應用於千瓦級的無線充電系統中，三相拓撲的功率因數校正電路主要應用於大功率的無線充電系統中。

（a）單相

（b）三相

圖2 功率因數校正電路結構

2、高頻逆變器

高頻逆變器是原邊電路中的核心部分之一，其主要作用是把PFC電路輸出的直流電轉換成高頻交流電。該高頻交流電的波形為方波，幅值與直流電電壓幅值相等。逆變器基本的結構有：推挽型逆變器、半橋逆變器和全橋逆變器。推挽逆變器通常應用與小功率場合，在中大功率應用場合中，多採用半橋逆變器和全橋逆變器，其中全橋逆變器以其靈活的控制方式以及無需均壓電容的優點得到了廣泛應用。

因此，在電動汽車無線充電系統中，高頻逆變器常採用全橋拓撲進行設計。採用全橋拓撲的高頻逆變器如圖3所示。

圖3 高頻逆變器拓撲結構

3、無線能量傳輸線圈

無線能量傳輸線圈包括發射線圈和接收線圈。發射線圈內的電流產生高頻電磁場鉸鏈到接收線圈，進而在接收線圈內產生感應電流提供給負載電能。無線充電系統線圈與傳統變壓器的本質區別，在於原副邊耦合性能的差異，耦合係數k用來描述兩個線圈之間的耦合程度（0

目前，主流的線圈結構主要包括平面盤式螺旋線圈、交錯並聯式DD型線圈、串聯式DD線圈和工字形線圈等結構，其各自形狀如圖4所示。

平面盤式螺旋線圈

工字形線圈

串聯式DD線圈

交錯並聯式DD線圈

圖4 主流線圈結構圖

為了提高線圈間的耦合係數以及減小電磁輻射，在耦合線圈兩側需要添加電磁屏蔽材料。常見的電磁屏蔽結構類型如圖5所示。

圖5 電磁屏蔽結構

4、補償網絡

原副邊補償網絡的主要作用是調整系統最大輸出功率和傳輸效率的工作點。通過對原邊補償網絡的設計，改變原邊迴路阻抗的實部和虛部，實現對系統最大輸出功率點的調節；通過對副邊補償網絡的設計，改變副邊迴路阻抗的實部和虛部，實現對系統最大傳輸效率點的調節。

根據線圈自感和補償網絡中電容的連接方式，簡單的補償網絡拓撲可分為：串聯型拓撲和並聯型拓撲。這兩種補償方式結構簡單，易於實現，但不能達到最優性能指標，只適合特定的場合。含有多個電容或多個電感的複合補償網絡，如LCC補償，結構相對複雜，但能更好地進行迴路阻抗的阻抗變換，保證系統性能指標。主要補償網絡結構如圖6所示。

圖6 補償網絡結構

5、高頻整流橋

電動汽車無線充電系統中的高頻整流橋通常採用全橋不控整流結構，其主要由四個二極體及一個濾波電容組成。它的作用是將副邊接收線圈感應的交流電轉化為直流電，經電容濾波後為電池供電。高頻整流橋的電路如圖7所示。

圖7 高頻整流橋拓撲結構

三、無線充電技術研究進展概況

在無線充電技術方面，國外主要有紐西蘭奧克蘭大學、美國橡樹林國家實驗室、韓國科學技術院、美國密西根大學等國外科研機構投入了大量研究，並提出一些典型結構與設計方案。紐西蘭奧克蘭大學團隊提出了DD型線圈結構，並對其設計方法以及物理參數的影響進行了深入的研究，進而發展出DDQ等多種線圈結構類型。美國橡樹林國家實驗室（ORNL）從2009年開始開展了電動汽車用無線充電系統的研發工作，他們採用方形線圈（圓角）結構，2013年開發了輸出6kW的電動汽車用無線充電系統，系統工作頻率為22kHz，在15cm傳輸距離時達到了超過97%的線圈效率。韓國科學技術院團隊同樣採用方形圓角的線圈結構開發了額定輸出功率為6.6kW的電動汽車用無線充電系統，在20cm傳輸距離條件下獲得了超過95%的DC-DC效率。密西根大學團隊也採用DD型線圈，設計了DC-DC效率超過95%輸出功率高達8kW的電動汽車用無線充電系統。

對於電動汽車無線充電技術，國內主要有中國科學院電工研究所、重慶大學、東南大學、天津工業大學、清華大學、哈爾濱工業大學等科研院所開展了相關研究工作。

中國科學院電工研究所是國內最早開展無線充電技術研究的單位之一，承擔完成了多項無線充電方面的國家和北京市科技攻關項目，包括國家「新能源汽車」重點專項、863計劃、支撐計劃、自然科學基金和國際合作項目。

在電動汽車無線充電系統線圈設計、電容參數優化、系統電磁兼容性、系統動態特性、磁場分析與屏蔽等方面進行了深入研究；提出了一種無線充電系統優化方法，顯著提高了系統的偏移容忍度；對電動汽車靜止式和移動式無線充電系統的動態特性與切換瞬態特性進行了深入分析；研究了切換位置對移動式無線充電系統穩態輸出和暫態衝擊的影響，並提出了最佳導軌切換控制方案。

進而，研發了電動乘用車用3.3kW無線充電系統，傳輸距離為20cm，最高系統效率大於90%，並在北京新能源汽車股份有限公司的E150、E200、EU260等純電動乘用車上進行了裝車試用（如圖8所示），目前正在開展電動汽車無線充電系統的小規模示範運行與推廣。

圖8 中科院電工所3.3kW無線充電系統

同時，還在20cm傳輸距離條件下開發了6.6kW無線充電系統，DC-DC最高效率達到94.2%；以及30kW無線充電系統，DC-DC最高效率達到95.3%。並且，開展了電動汽車移動式無線充電系統研發，試驗平臺效率達到90.8%。研發的系統參加了北京市科技博覽會、全國科技周等展覽和科普活動，獲得了廣泛好評。

重慶大學自動化學院孫躍團隊於2000年左右開始磁感應式無線電能傳輸（WPT）技術的研究，圍繞該技術的基本原理、高頻諧振軟開關變換器的建模方法及非線性行為分析、功率傳輸的穩定性等方面進行了較為深入的研究並在磁感應式WPT技術的推廣和應用方面做了大量的工作，研製了多套實驗樣機。

東南大學黃學良科研團隊，針對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統特性，提出了功率調頻控制技術、動態頻率調控技術、電動汽車無線充電技術及無線充電電動汽車與電網互動技術等一系列關鍵技術，並搭建了電動汽車磁耦合諧振式無線充電裝置，充電功率最高3kW，傳輸效率保持在90%。

天津工業大學針對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的頻率分裂特性及系統建模方法等理論上作了一些研究，上探討了磁耦合諧振式無線電能傳輸系統發生頻率分裂現象的原因，並給出了相應的解決方法。

哈爾濱工業大學也針對磁耦合諧振式無線充電進行了相關實驗和模型分析，得出了系統參數與系統充電效率之間的影響關係，並進一步研究了如何提高系統傳輸的功率、距離和效率。

南京航空航天大學則在磁感應式WPT的電路拓撲方面做了大量研究工作，提出了適應寬負載和耦合係數變化的S/SP補償拓撲，在1.5kW的原理樣機上驗證了其恆電壓增益的優異特性。

四、電動汽車無線充電系統標準相關進展

為了促進電動汽車無線充電系統產業化的進程，無線充電系統相關標準的制定已顯得格外重要。在國外，國際電工委員會 IEC 在2015年8月發布了電動汽車無線充電系統通用要求，其通信要求、磁場無線充電技術要求兩部分正在制定中。同時，國際標準化組織ISO正在制定電動汽車無線充電的互操作性及安全要求相關標準。

此外，美國標準化組織SAE已正式發布了一種電動車無線充電技術的行業標準SAE J2954，該標準旨在為插電式混動車以及純電動車的無線充電技術制定規範，其對於不同的高度傳輸的功率、效率以及偏移時的效率都給了定義。

在國內，2015年9月29日國務院發布《關於加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見》，明確了到2020年，基本建成適度超前、車樁相隨、智能高效的充電基礎設施體系，滿足超過500萬輛電動汽車的充電需求；建立較完善的標準規範和市場監管體系，形成統一開放、競爭有序的充電服務市場的工作目標，指導意見中明確要求制定無線充電等新型充電技術標準。

2015年4月30日國家標準委已計劃立項《電動汽車無線充電系統通用要求》，2018年，由中國電力企業聯合會牽頭制定的《電動汽車無線充電電磁暴露限值與測試方法》、《電動汽車無線充電系統特殊要求》、《電動汽車車載充電機與無線充電設備通信協議》三項國家標準送審稿已通過審查。2019年，已啟動《電動汽車無線充電系統 互操作性要求及測試》等標準的編制工作。

五、小結

電動汽車充電設施是我國智能電網建設和綠色交通相結合的重要體現，無線充電技術在傳導充電的基礎上，為用戶提供了更為簡便的操作和更為安全的充電服務。無線充電設施作為充電設施的一個特殊應用，它利用高級測量技術、高效控制技術、高速通信技術，構建了充電設施與電網、與電動車輛、與服務用戶之間的電力流、信息流、業務流實時互動的新型供用電關係。

無線充電技術應用的出現加快了充電設施企業的新一輪技術創新步伐，新技術發展、新產品研發、新成果應用，快速轉化為產業生產能力。並帶動上下遊產業鏈的技術、裝備、監管和能力的同步提升。同時也為企業擴大對外交流與協作，聚集發展要素，為科研單位，高等院校實現產學研結合，高科技成果轉化提供了廣泛的渠道。

中國科學院電工研究所 王麗芳