發(fā)射線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈和負(fù)載線(xiàn)圈。在存在激勵(lì)源的條件下，帶入耦合系數(shù)，可以進(jìn)一步求解系統(tǒng)傳輸性能。

2.5 生物安全性研究

由于電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)工作在高頻下，電能與場(chǎng)能不斷交替轉(zhuǎn)化，在周邊區(qū)域激發(fā)高頻交變電磁場(chǎng)，因此其電磁輻射水平是否對(duì)生物安全產(chǎn)生影響，對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用至關(guān)重要。電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）制定的《處于射頻電磁場(chǎng) 3 kHz ~ 300 GHz 的人體安全等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn) [67] 和國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）制定的《限制時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)暴露的導(dǎo)則（1 Hz 到 100 kHz 或 300 GHz 以下）》[68-69] 規(guī)定了高頻設(shè)備周邊電場(chǎng)與磁場(chǎng)強(qiáng)度的限值。

圖 11  無(wú)干擾情況下電場(chǎng)與磁場(chǎng)強(qiáng)度的公眾曝露控制限值

針對(duì)電磁能量水平不同，考慮我國(guó)實(shí)際情況，中國(guó)可按照《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702-2014）規(guī)定的公眾曝露控制限值作為電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)輻射限值標(biāo)準(zhǔn)。各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度（E）和磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）的不同限值示于圖 11。

由圖可知，對(duì)于現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)工作頻率范圍（100 MHz 以?xún)?nèi)），頻率越高，控制限值越低，并且我國(guó)的限值要求相對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，因此對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的電磁輻射安全性要求更高。

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圖 12  基于人體模型的 SAR 值仿真研究 [72]

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)電磁輻射生物安全性，Wu H.H 等人對(duì) Witricity 系統(tǒng)做過(guò)相關(guān)電磁場(chǎng)強(qiáng)度分析 [13]，測(cè)試了無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)工作時(shí)，附近區(qū)域人體膝蓋，腹股溝，胸部和頭部的磁場(chǎng)強(qiáng)度；O.C.Onar 等也做了相似的研究，他們測(cè)試了一輛電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電過(guò)程中，駕駛員一側(cè)前輪、地板、座椅和頭枕部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度[14]；A.Christ 等人基于成人和兒童的人體解剖模型，測(cè)量了不同矢狀面的電磁波比吸收率（Specific Absorption Rate,SAR），分析了四線(xiàn)圈式充電系統(tǒng)的輻射對(duì)人體的影響 [70-72]，如圖 12 所示。

而關(guān)于電磁輻射防護(hù)方法，現(xiàn)有研究理論中包含主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)。主動(dòng)防護(hù)方法包括加入電磁干擾防護(hù)線(xiàn)圈 [73-74]，以及用容性線(xiàn)圈代替自諧振線(xiàn)圈，降低諧振頻率等 [66]，而被動(dòng)防護(hù)主要依賴(lài)于鐵磁性材料和其他具有較好電磁屏蔽性能材料的應(yīng)用 [75-86]。

3. 實(shí)用化相關(guān)成果

3.1 各大汽車(chē)企業(yè)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

在國(guó)際范圍內(nèi)，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)，各大整車(chē)企業(yè)也在加緊開(kāi)展技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品推廣：

豐田、日產(chǎn)和本田等多家汽車(chē)公司聯(lián)手美國(guó) Witricity 公司，開(kāi)發(fā)了 WiT-3300 平板式無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)，其整體傳輸功率為 3.3 kW，傳輸效率達(dá) 90%，可在100~200 mm 范圍內(nèi)進(jìn)行充電 [87]，而該產(chǎn)品將在 2015 款英菲尼迪LE豪華電動(dòng)汽車(chē)和 2016 款 PRUIS 裝配 [88]；

寶馬 i8 系列車(chē)型裝備了高通公司的 Halo 無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品[89]，他們的 DD 型充電平板在 20 kHz 工作頻率下能夠?qū)崿F(xiàn) 3~20 kW 的功率傳輸，而適用于汽車(chē)行進(jìn)狀態(tài)充電的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)間距在 250~300 mm 范圍內(nèi) 20~30 kW 的功率傳輸 [90]；

汽車(chē)零部件制造商博世（Bosch）則與美國(guó)Evatran公司合作推出了 Plugless L2 無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng) [91]。該產(chǎn)品可無(wú)線(xiàn)充電，能輔助駕駛員自動(dòng)泊車(chē)，將裝配日產(chǎn) Leaf 和雪佛蘭 Chevy Volt 兩款車(chē)型 [92]；

德國(guó)康穩(wěn)（Conductix）[93]、加拿大龐巴迪（Bombardier）[94-98]、美國(guó)宇航局艾姆斯研究中心（NASA Ames Research Center）[99]、美國(guó) HEVO Power 公司 [100] 和美國(guó) WAVE 公司 [101] 也紛紛推出了移動(dòng)交通無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品。

在國(guó)內(nèi)，東風(fēng)汽車(chē)公司聯(lián)手中興通訊，在湖北襄陽(yáng)打造了中國(guó)第一條大功率無(wú)線(xiàn)充電公交示范線(xiàn)，充電功率達(dá) 60 kW [102]；蜀都客車(chē)也與中興通訊聯(lián)合推出了全國(guó)首個(gè)無(wú)線(xiàn)充電城市微循環(huán)公交解決方案 [103]；北汽新能源計(jì)劃在 2015 年下半年為 E150 EV 車(chē)型裝配無(wú)線(xiàn)充電設(shè)備 [104]。此外，宇通、長(zhǎng)安、奇瑞等汽車(chē)制造商也紛紛投入無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)研發(fā)行列。

3.2 實(shí)驗(yàn)室裝置與樣機(jī)

在千瓦級(jí)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)研究方面，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)主要包括新西蘭奧克蘭大學(xué)、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院、日本埼玉大學(xué)、美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)猶他州立大學(xué)和美國(guó)密歇根大學(xué)-迪爾伯恩校區(qū)等。

新西蘭奧克蘭大學(xué)（University of Auckland）J.T.Boys 教授團(tuán)隊(duì)起步較早，在 2000 年即提出了總傳輸功率 17 kW 的旅客輸送車(chē)設(shè)計(jì)方案，2009 年他們提出了功率 2 kW 的平板式磁耦合元件設(shè)計(jì)方案 [45]，并于 2013 年改進(jìn)了磁耦合元件結(jié)構(gòu)，提高了磁場(chǎng)覆蓋面積和偏移裕度，降低了制造成本 [46,50]，其充電平板可同時(shí)應(yīng)用于靜止?fàn)顟B(tài)充電和行進(jìn)狀態(tài)充電；

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）ChunT.Rim 教授團(tuán)隊(duì)的在線(xiàn)式電動(dòng)汽車(chē)（OLEV）項(xiàng)目能夠使行進(jìn)狀態(tài)的汽車(chē)從公路電網(wǎng)中攝取電能[58]，從 2009 年起他們陸續(xù)提出了五代設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了200 mm 間距內(nèi)單體 27 kW 功率的傳輸 [59]；

日本埼玉大學(xué)（Saitama University）在 2011 年測(cè)試了一種 H 型磁芯的線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 7 cm 范圍內(nèi) 1.5~3.0 kW 的功率傳輸[12]；

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）分別于 2011 年和 2013 年提出了無(wú)鐵氧體和有鐵氧體的磁耦合元件，實(shí)現(xiàn)了單體 2.5 kW 和單體 3 kW 的能量傳輸 [14,29,70-71]，但前者體積較大，其磁耦合元件也能同時(shí)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)靜態(tài)和行進(jìn)狀態(tài)充電；

猶他州立大學(xué)（Utah State University）Hunter H.Wu 等在 2012 年試驗(yàn)了傳輸功率 5kW 的平板式磁耦合元件[13]，系統(tǒng)傳輸效率超過(guò)了 90%；

美國(guó)密歇根大學(xué)-迪爾伯恩校區(qū)（University of Michigan Dearborn）的 Chunting Chris Mi 教授團(tuán)隊(duì)則分別在 2014 年和 2015 年設(shè)計(jì)并制作了單體功率 8 kW 和 5.6 kW 的平板式磁耦合元件，直流到直流傳輸效率均超過(guò) 95%[38,60]，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖 13 所示，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的功率與頻率的乘積值為目前最大。

圖 13  美國(guó)密歇根大學(xué)-迪爾伯恩校區(qū)無(wú)線(xiàn)充電實(shí)驗(yàn)裝置 [38]

在國(guó)內(nèi)，東南大學(xué)、重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中科院電工研究所等，也均開(kāi)展了適用于電動(dòng)汽車(chē) kW 級(jí)功率需求的無(wú)線(xiàn)充電裝置設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。

東南大學(xué)在雙中繼線(xiàn)圈無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與效率優(yōu)化方面開(kāi)展了較多研究 [49]；

重慶大學(xué)提出了電動(dòng)車(chē)在線(xiàn)供電系統(tǒng)配電方案 [55]，解決了一些電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)實(shí)用化問(wèn)題；

哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用高磁導(dǎo)率平板磁芯繞組，設(shè)計(jì)了 1.85 kW 無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng) [105]；

中科院電工研究所提出了基于電容優(yōu)化實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)傳輸效率和水平偏移裕度提升的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 [11,30]。

4. 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1）電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制算法的創(chuàng)新與優(yōu)化。無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升，很大程度上依賴(lài)于功放電路和調(diào)諧（補(bǔ)償）網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)與優(yōu)化，更需要控制方法的改進(jìn)。研發(fā)出具有高功率因數(shù)，低輸入阻抗和低匹配難度的電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出更加精確和穩(wěn)定的控制方法，對(duì)于提升無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)偏移裕度、電路工作穩(wěn)定性和電能傳輸效率具有重要意義；

2）電磁能量傳遞生物安全。生物安全性是公眾關(guān)注的重要問(wèn)題，無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用需要探索更具智能性和通用性的電磁輻射安全主動(dòng)防護(hù)方法；

3）新材料的引入與無(wú)線(xiàn)充電約束機(jī)制的改善。引入磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等參數(shù)更加優(yōu)越的先進(jìn)材料，有助于降低系統(tǒng)損耗，提升電能傳輸效率，近些年，超常規(guī)電磁材料（左手材料）[106]、磁電層狀復(fù)合材料 [107]、超導(dǎo)材料 [108] 等新材料的出現(xiàn)與應(yīng)用，為充電過(guò)程能量損耗的進(jìn)一步降低提供了可能，也為無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)傳輸性能提升創(chuàng)造了空間。

4.2 應(yīng)用趨勢(shì)

1）汽車(chē)行進(jìn)狀態(tài)充電技術(shù)。電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展瓶頸之一是蓄電池能量密度較低，存儲(chǔ)能量較少，而汽車(chē)行進(jìn)狀態(tài)充電技術(shù)，將電能發(fā)射線(xiàn)圈直接布置在道路基面以下，能夠?yàn)樾羞M(jìn)中的汽車(chē)充電，從而使汽車(chē)行駛消耗的電能得到及時(shí)補(bǔ)充，延長(zhǎng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程；

2）輔助駕駛技術(shù)。將無(wú)線(xiàn)充電與自動(dòng)泊車(chē)、自動(dòng)巡航等輔助駕駛技術(shù)相結(jié)合，提高整車(chē)駕駛性能以及無(wú)線(xiàn)充電效果；

3）V2X（車(chē)輛到電網(wǎng)（Vehicle-to-Grid，V2G）、車(chē)輛到住宅（Vehicle-to-Home，V2H）等）雙向電能傳輸。電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)智能雙向融合，能夠發(fā)揮削峰填谷的電能調(diào)控作用，使電動(dòng)汽車(chē)真正成為智能化移動(dòng)蓄能裝置，充分發(fā)揮電動(dòng)汽車(chē)的性能。

5. 總結(jié)

本文綜述了目前電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)研究現(xiàn)狀，在對(duì)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)體系、類(lèi)別和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和提煉的基礎(chǔ)上，概述了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，包括：電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、磁耦合元件結(jié)構(gòu)、能量傳輸特性、系統(tǒng)建模、生物安全等，匯總了各大汽車(chē)企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)研發(fā)進(jìn)展。該技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)包括：電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制算法的創(chuàng)新與優(yōu)化、生物安全以及新材料應(yīng)用等，而應(yīng)用趨勢(shì)則包括：行進(jìn)狀態(tài)充電、輔助駕駛和 V2X（車(chē)輛到電網(wǎng)（Vehicle-to-Grid，V2G）、車(chē)輛到住宅（Vehicle-to-Home，V2H）等）雙向電能傳輸?shù)取?/p>

電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充