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电动汽车无线电力传输综述：增强可持续机动性的展望
Zicheng Bi a,1, Tianze Kan b,c,1, Chunting Chris Mi b, Yiming Zhang d, Zhengming Zhao d,Gregory A. Keoleian
a密歇根大学自然资源与环境学院可持续系统中心，美国密歇根州安阿伯市440 Church St.，MI 48109
b圣地亚哥州立大学电子与计算机工程系，美国加利福尼亚州圣迭戈市圣地亚哥市钟楼博士5500号
c加利福尼亚大学圣地亚哥分校电子与计算机工程系9500 Gilman博士，美国加利福尼亚州拉霍亚拉92093
d清华大学电机系电力系统国家重点实验室清华院1号，北京100084
摘要
无线功率传输（WPT），通过电磁场传输功率穿过介入空间，为电动汽车（EV）提供可持续发展的新机会。这篇评论文章从技术和可持续发展的角度评估了电动汽车应用的WPT技术。这次审查的目标包括：（1）展示最先进的技术WPT在交通领域的发展和应用的进展和研究瓶颈; （2）描述WPT EV系统真实部署的示范;和（3）评估可持续的绩效并找出改善的挑战和机遇。从技术角度来看，线圈设计，补偿拓扑和电力电子转换器的进展重点检查控制方法，重点是系统性能。从可持续性角度来看，绩效是根据能源、环境和经济指标以及政策驱动因素来定义的，还检查了健康和安全问题。
关键词：无线电力传输，可持续发展，电动车，无线充电，对环境造成的影响，能源效率
目录
1 绪论
一个世纪前，尼古拉特斯拉进行了实验转移无线通信[1,2]。近几十年来，无线电力传输（WPT）一直是一个密集的研究领域，以促进电子产品渗透到我们的生活中。典型的例子包括无线充电手机，电动车辆（EV），植入式医疗设备，机器人和家用电子设备，过电磁传输字段（EMF）。广泛的应用和日益增长的需求对于WPT源于其固有的便利性和可能性，无缝运行、无需停机，而没有有线充电器的两大问题。基于工作原则，WPT可以分为（1）电磁辐射（微波或激光）适用于长距离的WPT电力传输，如太阳能之间的传输，卫星和地球，（2）电感应/耦合WPT（也称为电容耦合WPT），用于近场传输，以及（3）磁耦合WPT（电感或谐振），也适用于近场传输，但对人体造成的损害要比电感应/耦合WPT所致小得多[3,4]。一直广泛用于[3,5-8]EV充电应用的磁耦合WPT，这是本次审查的重点。在工作模式方面，WPT可以分为（1）静态或静态WPT：车辆不在运动中的充电;或（2）动态WPT：车辆正沿着WPT启用的道路行驶。
用于电动汽车的WPT有可能克服有线充电器的缺点，并消除车辆电气化和可持续移动性[9]方面的一些障碍。除了与有线充电器相比的便利之外，WPT还可以显着减小车载电动车电池的尺寸。以电动公交车的固定式WPT为例，由于在公共汽车运营期间在公交车站装载和卸载乘客时频繁发生“机会充电”，车载充电电池可缩小至少三分之二[10,11]。在途中归因于这些费用，在满足车辆路线要求的同时携带更小的车载电池是合理的。考虑到电池组可以包括用于维持全天候运行[12]的全电动过境公共汽车的大约四分之一的重量，这导致车辆实质重量减轻。电池小型化对于轻量化车辆和提高燃料经济性具有重要意义[10]。在主要道路上乘用车动态WPT的情况下，无处不在的充电基础设施在理论上将允许电动车辆具有不受限制的范围和最小的车载电池容量[13]。尽管如此，电动汽车的WPT带来了额外的可持续性权衡和担忧，促进了学术界和工业界的讨论。这种权衡取决于大规模WPT基础设施部署的负担，还是电池小型化和燃油经济性改善的好处。关注的是动态WPT的技术和经济可行性以及车辆高速行驶时充电性能的下降。本评论文章总结了WPT技术在EV应用中的最新技术进步以及WPT EV系统的可持续性评估状态。它从技术和可持续发展的角度介绍了电动汽车WPT技术的当前研究亮点，差距，挑战和机遇。本文首先介绍了WPT的基本理论，并回顾了静态和动态WPT的技术进步和挑战。第二部分重点介绍了WPT应用程序的选定案例研究。第三部分总结了关于WPT技术的可持续性，安全性和社会影响的讨论，确定了改善绩效的挑战和机遇，并提供了增强可持续移动性的前景。
2 研究现状与技术发展
图1表示出了通过近场磁耦合用于EV的非电离辐射无线充电系统。交流电（市电）首先经过电磁接口（EMI）阶段，然后被整流升压至功率因数接近1.0的直流电（大多数情况下为0.95-0.98），即类似于传导充电系统[14]。 DC功率的电压在BUCK阶段降低。 BUCK阶段可以调整其输出电压范围为其输入电压的0.03至0.97，从而实现充电器的“软”启动/停止以及连续调整其输出功率。这里，降压级是可选的，因为可选地，预充电电路，由两个接触器继电器和一个电阻组成，能够帮助实现充电器的“软”启动，并且可以在逆变器阶段使用相移方法来确保充电器的低功率操作和“软”停止。这种预充电电路和相移方法的组合可以降低系统效率，但会降低无线充电系统的总体成本和体积。在逆变器阶段，直流电转换成高频交流电，然后在主补偿网络和初级线圈中谐振，谐振频率调整到逆变器的开关频率。次级线圈通过初级和次级线圈之间的互感无线接收高频AC电力。次级补偿网络与次级线圈一起需要被调谐为具有相同的谐振频率以最大化传输效率。高频AC功率然后通过整流器级整流为DC功率并由滤波器网络进行滤波。最后，直流电可用于为电池组充电。
无线充电系统的研究主要集中在三个方面：（1）线圈设计; （2）补偿拓扑;和（3）电力电子转换器和控制方法。
图1.用于电动车辆的非电离辐射无线充电系统。 AC =交流电; EMI =电磁面;PFC =功率因数校正;DC =直流电。
2.1线圈设计
线圈是无线充电系统中最重要的部件之一，因为它可以在电子形式和磁性形式之间转换能量，使WPT成为可能，同时还可以确定传输的功率量和系统效率。在文献中，线圈系统通常被分类为四线圈或双线圈系统。四线圈系统[15-17]具有两个自由度的优点，即源线圈可以安装并与发送线圈耦合以调整系统输入阻抗，并且负载线圈可以安装并与接收器耦合线圈来调整从接收线圈看到的等效负载电阻以匹配负载条件。四线圈系统适用于中档应用，而双线圈系统则可在短程应用中提供更好的性能[18]。在[18]中，根据传输距离是小于还是大于线圈尺寸，将应用视为短距离或中距离。在EV应用中，传输距离（也称为气隙）的范围通常为100 mm至300 mm [19]，且线圈尺寸始终大于传输距离。因此，双线圈系统是可取的，并将在本文中详细介绍。另外，线圈系统中总是使用铁氧体棒或板来引导磁通并提供磁屏蔽。铝屏蔽通常内置在线圈系统中，用作磁屏蔽。电动车的无线充电系统分为固定式和动态充电系统，每种类型都有不同的线圈设计。
2.1.1固定充电系统的线圈设计
图2（a） - （c）显示了固定充电系统的基本线圈系统。圆形线圈结构在[20]中进行了研究和优化。利用所提出的线圈结构，该系统能够以相对较高的效率无线传输2-5 kW [20,21]。但是，由圆形线圈产生的磁通量的高度是有限的。为了解决这个问题，Budhia等人[22]开发了螺线管线圈结构，改善了磁通路径。据报道在[23]中建立了一个使用螺线管线圈结构的3kW无线充电系统，并且在200mm的气隙下实现了90％的DC-DC效率。另外，电磁线圈结构在气隙大的无线电力传输中表现良好。 Park等人[24]优化了电磁线圈的形状，并展示了一个无线充电系统，可在3米的气隙下提供1.403千瓦的功率。螺线管结构的性能相当好，但存在严重的缺点。它会产生双侧通量，一半的通量不用于传输功率。另外，未使用的焊剂可能会与车辆的底盘以及埋在地下的钢结合，这将大大降低系统效率。因此，该线圈结构在EV充电应用中并未广泛使用。为了获得比圆形单边磁通路径和更大的充电区域线圈结构[25]，开发了一种称为DD线圈结构的双极线圈结构。双极线圈结构在所需的功率水平下显示出卓越的系统效率，并具有良好的水平失准容差。 Nguyen等人[5]模拟具有相同尺寸但纵横比不同的双极线圈结构（矩形几何形状的宽度和长度的比率）。他们构建了一个无线充电系统，采用具有优化纵横比的双极线圈结构，在200 mm的气隙下95.66％的DC-DC效率传输8 kW。即使水平偏差增加到300 mm，系统DC-DC效率仍然高达95.39％[5]。
图2.线圈系统：（a）圆形结构，（b）螺线管结构，和（c）双极结构
更先进的线圈设计可以在[26]中找到。图3示出了所提出的线圈结构，其中中间Lint被嵌入到初级线圈结构L1中。林特及其谐振电容形成无源谐振电路，通过Lint和L1之间的耦合效应激励该电路。由于Lint和次级线圈结构L2之间也存在耦合效应，所以整个线圈系统的耦合得到改善。这种设计要求比圆形线圈系统更高的效率，但在调节方面更为复杂。
2.1.2动态充电系统的线圈设计
动态充电系统可以帮助进一步减小车辆电池组的尺寸，并为车辆提供更多的便利性和灵活性。 EV的动态充电系统有两种线圈结构。两个线圈结构之间的主要区别在于初级线圈侧：一个使用单线圈设计（由于其工作原理，仍然可以将长线圈视为线圈）[27-29]如图4（a）所示，另一种采用图4（b）所示的分段线圈设计[6,9,30,31]。
图4.具有（a）单线圈的动态充电系统的典型线圈配置初级线圈的设计和（b初级线圈的分段线圈设计。 L1 =轨道导体; L2 =接收线圈; M = L1和L2之间的互感; i1 =（励磁）电流在主线圈[27,30]
在用于初级线圈的单线圈设计中，缺点是当导线（L1）未被接收线圈（L2）覆盖时，其不仅产生冗余EMF，而且导致整体的低效率系统。为了解决这个问题，韩国科学技术研究院（KAIST）的研究人员提出了一种新的交叉分段供电轨道，其中两对电力电缆缠绕在I型铁氧体上。通过控制电力电缆中的电流方向，他们可以选择性地打开和关闭导轨。另外，电力电缆以双绞线缠绕，大大减少了电磁场问题[28]。为了进一步提高系统性能，他们在超薄S型铁氧体磁芯中引入了一种新型导轨。采用最少量的电力电缆和铁氧体磁芯，降低了总建设成本。这种设计比I型铁芯的轨道伤口具有更好的失调容差和更低的EMF [29]。来自北卡罗来纳州立大学（NCSU）的研究人员对初级线圈采用了分段线圈设计，并采用了次级线圈的反射电抗来自动增加发射机和接收机之间耦合部分的磁场强度[30]。如图4（b）所示，耦合线圈磁场强，非
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