电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统研究_方楚良

第 4 卷第1期2015年1月集成技术收稿日期:2014-10-29 修回日期:2014-11-17作者简介:王丽芳(通讯作者,研究员,博士生导师,研究方向为电动汽车能量管理及其充电技术,E-mail :wlf@ ;朱庆伟,博士研究生,研究方向为电动汽车动态无线充电技术;李均锋,博士研究生,研究方向为电动汽车无线充电技术;郭彦杰,博士,助理研究员,研究方向为电动汽车无线充电技术及电磁兼容技术。

电动汽车无线充电用磁耦合机构研究进展王丽芳1 朱庆伟1,2 李均峰1,2 郭彦杰11(中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室中国科学院电工研究所北京1001902(中国科学院大学北京 100049摘要发展电动汽车是节能、环保和低碳经济的需求,而无线充电技术以其安全、便捷和低维护的优点,越来越受到学术界和工业界关注,是未来电动汽车供电技术的发展趋势。

磁耦合机构是无线充电系统中实现电能无线传输最为关键的部件。

文章介绍了近几年来国际上电动汽车无线充电系统开发及其磁耦合机构研发的最新研究进展,包括电动汽车无线充电实用化和产业化的最新进展,最后讨论和总结了磁耦合机构研究的难点和发展趋势。

关键词电动汽车;无线充电;磁耦合机构;线圈;磁性材料中图分类号 TM 910.6 U 469.72 文献标志码 AState-of-Art of the Magnetic Coupler in an Electric Vehicle OrientedWireless Charging SystemWANG Lifang 1 ZHU Qingwei 1,2 LI Junfeng 1,2 GUO Yanjie 11( Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drives , Institute of Electrical Engineering , Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100190, China2( University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049, ChinaAbstract On demand of a sustainable, green, and low-carbon economy development, there is a worldwide stimulationon the progress of Electric Vehicle (EV industry. The wireless charging technique, embodying advantages of convenience, safety and low-maintenance, has been gaining interests from both the academia and industrial community. It is promising to be the future trend for the EV charging technology. And the magnetic coupler which enables wireless charging is the most essential part in a wireless charging system. In this paper, the latest research progress in the development of EV oriented wireless charging system, especially the magnetic coupler, which is the most important unit, was reviewed internationally. Besides, the pioneering deployments and commercializing trial of the wireless charging system using EV was highlighted as well. At last, challenges to be addressed and perfections to be made in the near future on the magnetic coupler were summarized.Keywords electric vehicle; wireless charging; magnetic coupler; coil; magnetic pad1 引言在环保和能源短缺的双重压力下,各国政府和各大汽车厂商都在积极推进电动汽车产业的发展。

2013年电工技术学报Vol.28 Sup.2 第28卷增刊2 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY 2013电动大巴动力电池组的谐振分组式无线充电宋显锦1,2刘国强*1张超1夏慧1张瑞华1徐小宇3（1. 中国科学院电工研究所北京 100190 2. 中国科学院大学北京 1000493. 中国科学院微电子研究所北京 100029）摘要电动汽车是国家着力推动的新能源计划的重要组成部分，其车载电池的研究制造及管理系统的开发占据着重要的位置。

目前动力电池的充电以有线整充为主。

磁谐振式无线电能传输技术是基于谐振耦合现象，利用近场磁场进行非辐射性、中距离输电的新技术，据此一些高校和研究院所也针对电动车提出无线整充的方案。

整充方式没有把电池能量管理和电能传输结合起来考虑，而是两个分离的系统单独运行，电池均衡过程造成充电效率不高。

文章结合动力电池的电池能量管理特点，充分利用无线电能传输的特有传输方式，提出动力电池组的分组式无线充电及具体实施方案，探讨了技术实现的关键点，为电池管理设计提供新思路，开拓了无线电能传输技术的新应用。

关键词：电动大巴电池组无线电能传输耦合谐振中图分类号：TM723; TM912Resonance Wireless Charging Technology in Separate Groups for thePower Battery Packs of Electric BusesSong Xianjin1,2 Liu Guoqiang1 Zhang Chao1 Xia Hui1 ZhangRuihua1 Xu Xiaoyu3（1.Institute of Electrical Engineering, CAS Beijing 100190 China2. University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China3. Institute of Microelectronics of CAS Beijing 100029 China）Abstract Electric vehicles are an important part of the new energy project that our country is promoting. The research and manufacture of their batteries and the development of management systems play an important role. At present, the existing solutions to power batteries charging are mainly wired whole vehicle charging. Magnetic resonant wireless power transmission technology is a new technology which carries out non-radiative, mid-range power transmission using the near magnetic fields based on coupled resonance phenomena. Many universities and research institutes have put forward some applicable solutions using wireless whole vehicle charging. Wireless whole vehicle charging doesn’t combine the battery energy management with power transmission. Two separate systems run separately on this occasion, and the charging efficiency is low due to the battery balancing process. Combining the features of battery power management and using fully the special ways of wireless power transmission, we proposes the integration of battery energy management and wireless charging systems, put forward some specific implementing plans, and discuss the key points of the application of the technology. This study provides new solutions to battery management design and develops new applications for wireless energy transmission technology.Keywords：Electric buses, battery packs, wireless power transmission, coupled resonance国家自然科学基金（51207150）和国网甘肃电力科技（2011FW-5）资助项目。

磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展一、本文概述无线电能传输技术，特别是磁耦合谐振式无线电能传输技术，近年来在科研领域和工业界引起了广泛的关注。

这种技术利用磁场共振原理，实现了电能的高效、安全、无接触传输，为众多应用场景提供了全新的可能性。

本文旨在综述磁耦合谐振式无线电能传输技术的最新进展，包括其基本原理、系统构成、性能优化以及在实际应用中的挑战与前景。

我们将从多个维度对这项技术的最新研究成果进行深入剖析，以期为读者提供一个全面而深入的理解。

本文还将探讨该领域的研究热点和未来发展趋势，以期为推动磁耦合谐振式无线电能传输技术的进一步发展和应用提供参考。

二、磁耦合谐振式无线电能传输技术原理磁耦合谐振式无线电能传输技术，又称为磁共振无线电能传输或磁谐振无线电能传输，是一种基于磁场耦合和谐振原理实现电能无线传输的技术。

其基本原理可以追溯到19世纪末的电磁感应定律和麦克斯韦的电磁场理论。

磁耦合谐振式无线电能传输系统主要由发送端（发射器）和接收端（接收器）两部分组成。

发射器通常包含一个高频交流电源、一个谐振线圈以及相应的调谐和匹配电路。

接收器则包括一个谐振线圈、整流器以及负载。

当发射器的高频交流电源驱动其谐振线圈时，会在其周围产生交变磁场。

若接收器的谐振线圈与发射器的谐振线圈具有相近的谐振频率，则会在接收器的谐振线圈中产生感应电动势，进而实现电能的无线传输。

该技术的关键在于谐振线圈的设计和调谐。

通过优化线圈的形状、尺寸、材料以及调谐电路的设计，可以实现高效的能量传输和较低的能量损耗。

为了避免电磁干扰和能量泄露，通常还需要在系统的设计和实施中考虑电磁屏蔽和防护措施。

磁耦合谐振式无线电能传输技术具有传输距离适中、传输效率高、对环境影响小等优点，因此在无线充电、电动汽车、智能家居等领域具有广泛的应用前景。

随着研究的深入和技术的成熟，该技术有望在更多领域实现突破和应用。

三、磁耦合谐振式无线电能传输技术的优势与挑战磁耦合谐振式无线电能传输技术作为一种新兴的无线能量传输方式，具有许多显著的优势，同时也面临着一些挑战。

一种磁耦合电动汽车无线充电系统设计与实现
李江南;李锐华;马艺林;胡波
【期刊名称】《电力电子技术》
【年(卷),期】2024(58)1
【摘要】电动汽车无线充电(EV-WPT)技术,作为一种新型的充电方式,已成为EV 充电技术领域的重要发展方向。

基于SAE J2954国际标准,设计与实现了一种3.3 kW磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统。

首先通过分析无线充电系统的组成及充电过程工作状态,提出了一种磁耦合谐振式EV-WPT系统设计方案,然后针对各组成部分进行了参数设计,最后进行了实验测试。

测试结果验证了系统设计方案的可行性及有效性,当传输距离为150 mm时,磁耦合机构传输效率可达89%,EV-WPT系统传输效率可达85%,完全满足SAE J2954标准要求。

【总页数】4页(P53-56)
【作者】李江南;李锐华;马艺林;胡波
【作者单位】同济大学
【正文语种】中文
【中图分类】TM724
【相关文献】
1.一种新型电动汽车无线充电系统磁耦合机构
2.一种频率跟踪式磁耦合无线充电系统设计
3.电动汽车无线充电系统磁耦合线圈耦合系数的研究
4.磁耦合谐振式电动汽车无线充电技术耦合线圈抗偏性设计
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空间约束下电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化
徐先峰;吴慧玲;杨雄政;卢勇;李陇杰
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2024(39)12
【摘要】电动汽车无线充电系统在尺寸大小与位置偏移等因素的影响下,会导致系统传输能力下降。

为了在空间约束条件下提升系统的输出功率、传输效率及抗偏移能力,针对位置偏移与底盘高度不同的实际情况,在经典D4线圈的基础上分别设计了收发端非对称D4和收发端非对称D4Q双层线圈磁耦合结构,以提高耦合系数和抗偏移能力。

在不同方向的偏移和旋转的情况进行仿真测试,表明收发端非对称
D4Q双层线圈在出现横向偏移300 mm、纵向偏移400 mm、传输距离230 mm 和旋转偏移45°以内具备无线电能传输能力。

通过搭建实验平台对偏移进行测试与验证,结果表明,所提出的收发端非对称D4Q磁耦合结构的最大输出功率相对于收发端对称D4磁耦合结构增加约60.34%,最大传输效率增大11%。

【总页数】8页(P3581-3588)
【作者】徐先峰;吴慧玲;杨雄政;卢勇;李陇杰
【作者单位】长安大学能源与电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM131.41;U469.72
【相关文献】
1.电动汽车无线充电系统磁耦合线圈耦合系数的研究
2.电动汽车无线充电系统磁耦合线圈结构的多目标优化设计
3.电动汽车磁耦合谐振无线充电系统研究发展综述
4.一种磁耦合电动汽车无线充电系统设计与实现
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电动汽车无线充电系统的研制及性能优化共3篇电动汽车无线充电系统的研制及性能优化1电动汽车无线充电系统的研制及性能优化随着电动汽车的普及，充电问题也成为了关注的焦点。

传统的充电方式需要以有线方式连接，而无线充电系统则更为便捷和环保。

因此，电动汽车无线充电系统的研制和性能优化具有极高的研究和应用价值。

电动汽车无线充电系统主要由发射器和接收器两部分组成，发射器主要负责产生电磁场，接收器通过电磁感应原理实现能量传输，并将传输的能量储存至电池中。

一方面，无线充电系统需要具备高效率，能够实现快速充电；另一方面，充电过程中需要保证电磁波的安全性，避免对人体健康产生影响，同时还需要考虑市场成本，维修质量等多个方面。

目前国际上已经开展了大量关于无线充电系统的研究，但是在实际应用中还存在很多问题需要解决。

例如，无线充电系统能够实现快速充电，但是在充电过程中产生的磁场对人体健康是否有危害，需要进一步探讨。

此外，无线充电系统还面临充电效率低、充电距离短等问题。

为了解决这些问题，国内外的研究人员提出了多种改进措施。

一方面，针对充电效率低的问题，可以采用场耦合技术，通过对电磁场的优化，提高传输效率；另一方面，可以采用多重共振技术，实现更加高效的能量传输。

同时，为了改善无线充电系统的安全性问题，可以采用降低磁场强度和控制充电时间、距离等措施，避免电磁波对人体健康的影响。

基于以上的研究和理论基础，国内外多家企业和机构也在进行无线充电系统的研发工作。

例如，日本电气公司已经成功研发出一种高效的无线充电系统，其充电效率达到了90%以上。

同时，美国特斯拉公司也加速了无线充电系统的布局，旨在提供更加便利的充电体验。

总的来说，无线充电系统的研究和应用具有广阔的发展前景。

虽然目前还存在许多问题需要解决，但是通过跨领域、多学科的合作研究，无线充电系统的性能和应用效果将有望不断提升无线充电系统是未来发展的重点领域之一，虽然还存在很多问题需要解决，但是新的技术和理论的不断涌现为其发展提供了有力的保障。

谐振式无线充电原理
随着无线充电技术的不断发展，谐振式无线充电已经成为一种比较重要的无线充电方式。

谐振式无线充电是通过感应原理实现的无线充电方法，它基于电的谐振传递能量的原理，利用电磁场中电磁波的谐振现象，在发射端和接收端之间建立共振，实现将电能无线
传输的技术。

谐振式无线充电的原理是在两个电感器之间通过电磁谐振来传递电能，其中一个电感
器被称为发射端，另一个电感器被称为接收端。

当发射端的电路被激发时，电路中的电容
和电感器会共同产生电磁场，而这个电磁场会导致接收端的电路中的电容和电感器也产生
电磁场，这样两端就实现了共振，电能也就可以传递了。

在谐振式无线充电中，需要使用两个谐振回路中的电感器，可以使用线圈或磁性材料
制作电感器。

在电容器中绕制的线圈可以实现磁场产生的目的。

在两端的电容器中，通过
共振频率相同来实现传输功率最大的振动。

这种电容器的共振频率取决于电容储存能量的
时间和电容器与电感器之间的耦合系数，在提高耦合系数的同时，也可以使用更大的电容
器来储存更多的电荷。

在发射端和接收端之间，通过磁感线圈把电力传递到正在充电的设
备上。

谐振式无线充电可以实现高效能量传输，这是因为谐振频率使电磁场的能量峰值更大，能量的传输效率更高。

另外，谐振式无线充电还具有方便、可便携性等优点，特别适用于
电池续航时间较短的轻便设备，例如智能手机、平板电脑、智能手表等。

电动汽车无线充电耦合系数
电动汽车无线充电的耦合系数是指能量传输系统中的电感耦合系数。

在无线充电系统中，能量是通过电磁感应原理传输的。

耦合系数表示了两个线圈之间的电磁耦合程度，也就是能量从发射线圈传输到接收线圈的效率。

耦合系数越高，能量传输的效率就越高，充电速度也就越快。

从物理角度来看，耦合系数取决于线圈之间的距离、线圈的相对位置以及线圈的几何形状。

理想情况下，线圈之间的位置对齐并且距离适当，耦合系数可以接近1，能量传输效率很高。

然而，现实中存在诸多因素会影响耦合系数，比如线圈之间的误差、外部干扰等，这些因素都会降低耦合系数，从而影响无线充电的效率。

在电动汽车无线充电技术中，提高耦合系数是提高充电效率的关键。

工程师们通过优化线圈设计、控制线圈之间的距离和位置，以及采用适当的电子控制技术来提高耦合系数，从而实现快速、高效的无线充电。

总的来说，电动汽车无线充电的耦合系数是影响充电效率的重
要因素，工程师们通过不断的技术创新和优化设计，致力于提高耦合系数，从而推动无线充电技术的发展和应用。