电动汽车静态无线充电的关键技术和急需解决的科研问题

为促进节能减排、减少汽车尾气排放、防治大气污染，电动汽车（Electric Vehicles, EV）成为了世界各国大力推广的新型交通工具，但由于电池容量的限制，导致电动汽车续航里程短，充电问题一直是制约电动汽车发展的主要瓶颈问题之一。

随着无线电能传输技术的发展，基于磁场耦合式电动汽车静态无线充电技术受到了越来越多的关注，相比于传统的有线充电系统，无线充电系统没有电气连接，具有操作方便、维护成本低、防水防尘、可实现全自动充电过程等优点。

典型的电动汽车静态无线充电系统结构如图1所示，包括电力电子变换器、原边补偿网络、发射线圈、接收线圈、副边补偿网络、高频整流滤波电路和电池负载等部分。近年来，国内外学者和研究机构对基于磁场耦合式的电动汽车静态无线充电技术已开展了大量的研究。

然而，随着研究的深入，仍有许多关键问题需要解决，如系统抗偏移能力、对环境的敏感度问题、系统结构的优化设计以及稳定性控制等。目前电动汽车静态无线充电技术的研究正处在攻坚克难的阶段，仍需进一步完善和应用现有理论，乃至原理上的创新与突破。

图1 典型电动汽车无线充电系统结构

综合国内外电动汽车静态无线充电技术的研究现状，可以看出，该项技术在各方面都已经得到了较为充分的研究，但仍有不少问题尚待解决。主要表现在以下几个方面：

（1）系统的抗偏移能力

如何提升系统抗偏移能力，一直是电动汽车无线充电技术的研究热点。在实际应用中，受用户停车位置的影响，系统原、副边线圈的相对位置会在一定范围内变化，造成耦合系数的变化，这就要求系统必须具备较强的抗偏移能力。

目前主要是通过磁耦合机构的设计或系统闭环控制等方式提高系统的抗偏移能力，但这些技术层面上的方式改善效果有限，因此，有必要从机理上寻求突破。近年来提出的基于宇称-时间对称（Parity-Time Symmetry, PTS）原理的无线电能传输技术能在一定范围内实现恒定的输出功率和效率，而与耦合系数无关，另外基于分数阶电路的无线电能传输技术也展示了优良的特性，将这些新型的无线电能传输技术应用于电动汽车无线充电上，有望进一步提升系统的抗偏移能力。

（2）系统的环境敏感度

电动汽车无线充电应用场合较为复杂，系统线圈内阻、谐振频率等固有参数容易受到外界环境的影响而发生变化，尤其是汽车金属机身等对于线圈内阻、固有频率的影响较大，而谐振式无线输电技术对于固有频率的变化又十分敏感。

目前关于金属物对谐振频率的影响通常是采用铁氧体等磁性材料进行屏蔽，或是通过电容矩阵、变频控制进行频率跟踪等方式进行改善，但这些无疑增加了系统的体积、质量与成本，如何提高系统抗谐振频率等固有参数变化的能力，降低系统对环境的敏感度，从原理上提出更加先进、经济有效的方法，仍然是电动汽车无线充电技术未来重要的研究方向之一。

（3）系统结构的优化

传统电动汽车无线充电系统的结构多是基于多级变换器，如AC-DC-AC变换器等，且通常会加入DC-DC变换器对系统进行功率调节等，但这增加了系统的体积与成本，降低了系统的整体效率。优化系统结构，研究高性能的AC-AC等电力电子变换器，减少系统变换器的级联数，利用控制策略以替代DC-DC变换器对系统功率等的调节，将更有利于系统性能的整体提升。

（4）系统动态模型的建立与鲁棒性控制

在电动汽车无线充电系统的实际应用中，通常需要实现快速的起、停机等操作，另外开关器件的开通与关断、电池等效电阻的变化等也给系统带来了复杂的非线性特性，这些都给系统的稳定性造成了较大的威胁。

但当前对于无线充电系统特性的分析与控制，大都是基于系统的稳态模型，对于系统暂态响应、非线性特性的分析还较为缺乏。建立系统精确的动态模型并提出相应的控制策略，对系统动态行为进行控制，提升系统的稳定性，是今后的研究方向之一。

本文编自《电工技术学报》，原文标题为“电动汽车静态无线充电技术研究综述”，作者为吴理豪、张波。