电动汽车磁场与电场混合耦合型无线电能传输技术综述

潘文璇，刘超，张艺明，毛行奎

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

相比于传统的有线电能传输，无线电能传输WPT（wireless power transfer）可以有效避免火花和触电等问题，在提升设备运行可靠性、安全性、便利性和延长使用寿命等方面具有相当优势，因此受到了广泛关注[1-2]。WPT 按照传输媒介的不同，可以归类为基于机械波的WPT 技术和基于电磁波的WPT技术，前者主要利用超声波进行能量的无线传输[3]，后者可以分为基于远场的WPT 技术和基于近场的WPT 技术，其中远场WPT 技术包括微波WPT 技术[4]和激光WPT 技术[5]，近场WPT 技术可以分为磁场耦合式IPT（inductive power transfer）和电场耦合式CPT（capacitive power transfer）[6]。基于电磁波近场的WPT 技术，由于其传输功率相对较大、传输距离相对较远和成本相对较低，得到了深入的理论研究和广泛应用，技术最为成熟。

磁场耦合式WPT 技术利用磁场进行能量传输，其原理类似于可分离变压器，流经发射线圈的电流产生交变磁场，通过磁场耦合在接收线圈中感应出电流，实现能量的无线传输。磁场耦合式WPT技术传输距离远，传输效率高，但同时也存在诸多问题：①为了减少邻近效应和集肤效应的影响，一般采用高频利兹线绕制线圈，还需要磁芯结构和铝板减少磁场泄露及避免外部干扰，材料成本高；
②产生的高频磁场会在金属中产生涡流，造成能量损耗；
③不具备穿透金属传播的能力；
④耦合线圈偏移冗余度低，当线圈位置发生偏移，功率波动范围大，并对电力电子变换器正常工作产生干扰，因此需要进行特殊的抗偏移设计[7-9]。

电场耦合式WPT 技术则是利用电场进行能量传输，在电源侧和负载侧添加金属平板形成电容，在高频交变电压的激励下，金属平板间产生位移电流，从而实现能量的无线传输。电场耦合式WPT 技术能够穿越金属传播，以高频电场为媒介可以避免涡流损耗，采用铝板作为耦合机构，成本低、抗偏移能力强，但电场耦合式也存在传输距离短、泄露电场危害大的问题。为了延长传输距离，必须使用变压器或补偿网络提高极板间电压，电压应力问题与电磁安全问题更加突出[10]。

磁场耦合式与电场耦合式WPT 技术都有各自的技术优势与应用局限，将二者结合起来，形成混合式无线电能传输技术HWPT（hybrid wireless power transfer），能够实现传输性能的提升和应用领域的拓展。目前HWPT 技术已在电动汽车[11-16]、植入式医疗设备[17]、轨道交通[18-19]和消费电子[20-21]等领域有一定的研究成果。利用混合式无线电能传输技术电磁辐射小和偏移冗余度高的优点可以制作全方向充电的植入式医疗设备；
利用混合式优秀的鲁棒性，可以避免笔记本无线充电中由按压引起的谐振频率变化问题；
利用混合式更优秀的传输性能可以实现铁路交通的动态充电和电动汽车的静态充电。

电动汽车实现大功率静态无线充电[22]，避免了大规模充电桩的建设，无需拔插操作，使电动汽车摆脱了电池容量有限和续航里程短的缺点，增强了市场竞争力[23]。同时能够实现电动汽车与电网间能量的双向流动，有利于电网的削峰填谷。典型的电动汽车无线充电系统的结构包括耦合机构、补偿网络和电力电子变换器。

本文将从耦合机构、补偿网络、电力电子变换器及其控制策略和传输水平对国内外电动汽车混合耦合型无线充电的研究现状展开论述，并指出目前亟待解决的问题以及未来的发展趋势。

图1 非集成式耦合机构Fig.1 Non-integrated coupling mechanism

通过合理设计可以将电感式耦合机构和电容式耦合机构集成，实现空间的高效利用，在同样的空间占用情况下，有着更高的功率传输。同时要注意耦合线圈的连接方向，否则可能造成传输能量的相互抵消，降低系统传输效率。

各类集成式耦合机构如图2 所示。文献[24]将电容极板放置在耦合线圈两侧，平面上有所层叠，如图2（a）所示，不仅节省了空间，还能够有效屏蔽磁场，减小电磁辐射的危害；
文献[25]将两种耦合机构集成于一对印刷电路板上，电容极板将耦合线圈包围其中，如图2（b）所示，空间布局更加紧凑，两种耦合机构的并联运行可以在同等传输功率的前提下，减小回路电流，降低泄露电磁场的影响；
文献[26]在耦合极板中嵌入圆形平面螺旋线圈构成混合耦合机构，如图2（c）所示，极板能够在减少69.4%面积的同时，保留74.6%的耦合电容以及同等数值的传输效率，同时利用共同接地建立电场耦合，可以省去一对极板，大幅降低了装置体积；
文献[15]提出了一种由细长条状铝板90°折叠延伸而成的集成耦合机构，如图2（d）所示，通过这一特殊结构，增大极板的自感，实现磁场与电场的混合耦合。

图2 各类集成式耦合机构Fig.2 Various types of integrated coupling mechanisms

补偿网络的主要作用有：①补偿耦合线圈自感或者耦合极板的电容，减少系统所需无功功率，提升功率因数和传输效率；
②泵升耦合线圈电流或者电容极板电压，满足磁场和电场耦合传输的需要；
③实现不同的负载特性如恒压源和恒流源等。

结合文献[27]对HWPT 技术的划分，按照补偿网络的不同，HWPT 技术可以分为采用相同谐振频率共用一个补偿网络和采用不同谐振频率补偿网络相互独立的两类。文献[25]为了获得输出电流良好的开环增益，电场耦合分支与磁场耦合分支分别采用了不同的谐振网络来补偿，谐振频率也不尽相同，如图3（a）所示。共用一个补偿网络可以减少谐振元件，简化电路设计复杂程度，另外磁场耦合需要接入电容补偿，电场耦合则需要接入电感补偿，因此不同耦合机构间可以相互复用，文献[13，16]中，耦合线圈和电容极板既用于电磁场耦合传输能量，也作为相互的补偿元件而存在，电路结构如图3（b）所示。

图3 HWPT 系统不同类型的补偿网络Fig.3 Different types of compensation networks for HWPT system

无线电能传输系统的正常运行需要将50 Hz的交流电变换为几万赫兹甚至上百万赫兹，有2 种措施：一是两级变换器级联，先将交流电整流为直流电，再通过高频逆变器变换为所需频率；
二是采用单级变换器，优点是所需开关器件数量少，系统效率高，缺点是控制复杂。

控制策略方面，文献[28]采用带反馈控制的半桥逆变器，搭建了一种宇称-时间-对称模型的混合耦合型无线电能传输系统。仿真结果显示：经过反馈控制，系统在1.4 m的传输距离内稳定有77%的效率；
而当距离增加到2 m时，系统传输效率维持在70%左右，实现了优秀的鲁棒性。

表1 从补偿网络、耦合机构规模、谐振频率、传输功率、传输效率以及气隙距离等方面总结了各类HWPT 系统所达到的传输水平，同时加入典型的IPT 和CPT 系统作为对照。由表1 中数据可知，目前HWPT 技术的研究大多集中于小功率的能量传输，谐振频率在600～1 000 kHz的范围内，传输距离在10～30 cm之间，传输效率略低于传统的磁场耦合式技术和电场耦合式技术，以耦合机构的设计和补偿网络的优化为主要研究方向。

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表1 不同耦合类型无线电能传输系统的比较Tab.1 Comparison among different coupling types of WPT systems

4.1 传输功率与传输距离

HWPT 系统在同等距离下有更高的传输效率，或者在同等传输效率下有更远的传输距离。文献[26]的实验数据表明：当距离为20 cm时，HWPT 系统的传输效率为85.5%，IPT 系统单独作用的传输效率为81.8%，两者差距较小；
而当距离增加到40 cm时，IPT 系统的传输效率为15.5%，HWPT 系统的传输效率为47.4%，同比提高了31.9%。CPT 系统的加入延长了传输距离，提高了传输效率。

4.2 抗偏移能力

文献[16]对HWPT的抗偏移能力进行了一定研究，在气隙距离保持不变的情况下，分别对混合耦合、磁场耦合单独作用、电场耦合单独作用在完全对准情况下和存在20 cm 偏移情况下的传输功率进行测量。结果表明，混合耦合型无线电能传输系统在完全对准情况下有2.84 kW的传输功率，在20 cm 偏移下有1.35 kW，功率为对准情况下的47.54%；
磁场耦合单独作用，在完全对准下有1.95 kW的传输功率，在20 cm 偏移下有0.75 kW，功率为对准情况下的38.46%；
电场耦合单独作用，在完全对准下有0.86 kW的传输功率，在20 cm 偏移下有0.69 kW，功率为对准情况下的80.23%。由此看出，电场耦合的加入使得无线电能传输系统整体偏移容忍度有了较大提升。

4.3 电压应力和电流应力

过高的电压、电流应力会突破电磁安全限值，导致器件击穿，增加材料成本，而混合耦合型可以减小电压、电流应力。文献[32]分别搭建了独立的IPT、CPT 和HWPT 系统，在相同传输功率、相同电阻负载和相同耦合机构参数的条件下，进行仿真并测量各元件承受的电压、电流应力。实验结果如表2 所示，其中ULp和ULs为传输线圈自感两端的电压，UCp和UCs为补偿电容两端的电压，UCM为极板等效电容的电压，ILp、ILs、ICp、ICs和ICM为对应的电流。CPT 系统中元件的电压、电流应力最高，为其他两者的7 倍以上，HWPT 系统的最低，具有更高的系统容量，更安全。

表2 无线电能传输系统中各元件的电压、电流应力Tab.2 Voltage stress and current stress of components in WPT system

4.4 功能互补与功能拓展

4.4.1 穿透金属

文献[33]将金属障碍物作为耦合机构回路的一部分，如图4 所示。能量首先由发射极板通过电场耦合传输到金属层中，并在金属层中形成交变的位移电流，此时金属层可以看作传输线圈的原边，与带有磁芯的多匝接收线圈相耦合。最后通过搭建实验装置验证了可行性，并以超过11 W的功率实现穿透2 mm 铝板的能量传输。

图4 可穿透金属的磁场与电场混合耦合机构Fig.4 Inductively and capacitively hybrid coupling mechanism,which can penetrate metals

4.4.2 功率数据的并行传输

一般IPT 系统实现功率与数据的并行传输有2种方法：一是对功率波形进行调制，通过功率耦合线圈传输；
二是增加一对耦合线圈用于数据传输。但都存在些许不足，前者需要设计特定的带通滤波器，同时数据的传输可能会影响功率传输性能；
后者则增加了无线电能传输系统的体积与成本。文献[12]提出一种利用耦合线圈的寄生电容与金属极板作为CPT系统来构建数据并行传输通道的结构，不再需要额外的耦合线圈，同时所需的带通滤波器也易于设计，兼具空间偏移冗余度大的优点。

4.4.3 抑制频率分裂

磁场耦合型无线电能传输系统在传输距离减小时，耦合系数变化，会产生频率分裂现象。文献[34]引入电场耦合，设计了一种混合耦合型无线电能传输系统。随着距离的减小，2 种耦合系数同步增大，利用IPT 和CPT 非同相的特点使其相互抵消，保持整体耦合强度无变化，从而抑制了频率分裂。当距离缩短时，传统IPT 系统的功率从95%降低至20%，而混合耦合型无线电能传输系统依然可以保持75%以上的功率。

5.1 电磁安全问题

根据ICNIRP 2010[35]和IEEE C95.1 标准[36]，磁场公共暴露限制为27 μT，电场的安全阈值为614 V/m。文献[14]的实验中设计的耦合机构磁场安全距离为600 mm，电场安全距离为700 mm。因此需要设计合理的屏蔽装置来减小泄露电磁场的影响，缩短安全距离。目前电磁屏蔽的手段可以分为主动屏蔽和被动屏蔽两类：主动屏蔽通过产生抵消电磁场实现电磁屏蔽；
被动屏蔽则是利用了高磁导率材料磁阻小和金属材料涡流效应的特性。前者能够引导磁通的流向，减小磁场的扩散；
后者产生反向电场来抵消原电场的影响。被动屏蔽的电磁场变化如图5 所示。

图5 被动屏蔽的电磁场分布Fig.5 Electromagnetic field distribution with passive shielding

5.2 工作频率高

磁场耦合的谐振频率一般为数十万赫兹，而电场耦合由于耦合电容常为皮法量级，因此通常需要将谐振频率设定在几百万赫兹来实现大功率传输。HWPT 系统整体工作在电场耦合的谐振频率，远远大于IPT 系统的谐振频率。较高的谐振频率增大了电力电子器件的开关损耗和谐振回路的串联等效电阻，降低了系统的传输效率。文献[27，31]中提出，可以将无线传输装置安装在电动汽车的侧面或前后来缩短传输距离，进而减小谐振频率；
也可以不同分支采取不同谐振频率独立运行，避免IPT 分支谐振频率过高。不论采取何种解决手段，都需要采用较高量级赫兹的变换器。如何实现软开关，优化兆赫兹级别电力电子变换器的设计将是未来HWPT 系统的研究重点。

5.3 耦合机构的优化与传输功率的提升

目前所提出的HWPT 模型大多存在传输功率小、传输效率不理想的问题。在HWPT 系统中，电场耦合机构与磁场耦合机构会相互耦合，产生涡流损耗，同时皮法量级的耦合电容也限制了无线电能传输系统的功率与效率。为了提升系统传输效率和功率，需要研究新型材料以提升介电常数，优化耦合机构的设计来增大耦合电容。

HWPT 技术作为一项蓬勃发展的技术，具有其独到的优势：集成式耦合机构能够节省装置体积；
共用补偿网络可以减少谐振元件；
混合耦合提升了传输水平。同时，HWPT 技术也存在许多技术瓶颈和应用缺陷：需要改进电磁屏蔽手段来缩短安全距离；
要求优化电力电子变换器和耦合机构的设计，减小功率损耗，提升传输效率。HWPT 技术与电动汽车的结合应用充分发挥了各自的优点，对于促进能源转型有积极意义，同时相关研究也还在探索和创新中，应当予以持续关注。