近年來，由于傳統燃油車的廣泛使用，全球化石能源消耗加劇，環境污染問題日趨嚴峻。電動汽車由于其零排放、無污染的優點受到了越來越多的關注。但由于車載電池容量限制導致的續航里程有限以及充電不便、存在安全隱患等問題制約了電動汽車的推廣普及應用。無線能量傳輸技術的發展為上述問題提供了解決方案。

用于電動汽車的無線能量傳輸技術主要可以分為靜態無線充電和動態無線供電兩種。靜態無線充電替代傳統充電樁的有線方式進行充電，去除了機械接口限制，沒有直接電氣連接，提升了充電的安全性和靈活性。動態無線供電技術通過在地面下鋪設一定長度供電線圈，實現了電動汽車不停車充電，與傳統充電樁接觸式充電和靜態無線充電等相比，可以有效延長續航里程，緩解里程焦慮，降低搭載電池容量需求，同時使電池處于淺充淺放狀態可以延長壽命，更具有技術的先進性。

電動汽車動態無線供電系統基本結構如圖1所示，由位于地面的逆變源、發射端補償網絡、發射線圈以及車載的接收線圈、接收端補償網絡和接收端電能變換裝置組成。逆變源通過發射端補償網絡后，在發射線圈中產生高頻正弦電流激勵，進而在空間中激發對應的高頻交變磁場；接收線圈在空間高頻磁場的作用下感生出交變電動勢，經接收端補償網絡和接收端電能變化裝置后轉換為適當的直流電壓向行駛中的電動汽車供電。補償網絡的作用為補償系統中的無功功率，提高系統功率因數。

發射線圈和接收線圈合稱為磁耦合機構，是實現能量無線傳輸的核心部件，直接影響多個系統特性，如輸出功率、傳輸效率、成本、側移容忍度以及電磁輻射等，是動態無線供電的核心關鍵部件和研究重點。

圖1 電動汽車動態無線充電系統基本結構

本文針對動態無線供電系統中磁耦合機構目前的研究進展進行綜述，分別從磁耦合機構的分類及特點和關鍵問題的研究現狀展開分析，最后對亟待解決的關鍵問題進行了討論。

1 電動汽車動態無線供電系統發展歷程

電動汽車動態無線供電系統發展歷程如圖2所示。動態無線供電的概念最早出現在1894年的一項美國專利，如圖3所示。通過在圖3b中埋在地下的發射電纜E中施加交流電激勵，在空間中產生變化磁場。接收端G的繞組纏繞在鐵心上，在交變磁場中產生感應電壓，為電動汽車的電機系統供電。圖3c所示為接收端鐵心起到的聚磁作用，增強了與發射端供電電纜間耦合。該專利中的一些內容至今仍是設計過程中需要重點考慮的問題。

圖2 電動汽車動態無線供電系統發展歷程

圖3 第一個道路供電汽車專利

約100年后，由于20世紀70年代的石油危機，電動汽車受到研究人員越來越多的關注。1976年由勞倫斯伯克利國家實驗室設計了第一套道路電動汽車（Roadway Powered Electric Vehicle, RPEV）的實驗樣機用于驗證該項技術的可行性，實現了8kW的無線能量傳輸。1979年圣巴巴拉電動巴士項目啟動，開發了另一套RPEV樣機。

之后在1992年，加州大學伯克利分校在先進交通和公路項目（PATH）中開發了第一套完整的用于巴士的RPEV 系統，如圖4所示。實現了在7.6cm傳輸距離下60kW的輸出功率，效率達到60%。但由于較高的建設成本（約1M$/km）、沉重的線圈、較大的噪聲、上千安的大電流、較低的效率、較小的傳輸距離以及較弱的橫向側移能力，該系統并未能商業化。

圖4 第一套用于電動巴士的RPEV系統

在此之后，更多的研究團隊加入RPEV的開發中，該技術得到飛速發展。新西蘭奧克蘭大學從1988年起開始研究無線供電技術，在2002年提出了用于電動單軌列車的動態無線供電系統。隨后分別提出了三相蜿蜒型、雙相長導軌型、DD陣列型等不同的系統方案。

同時還提出了多種應用于靜態和動態系統的磁耦合機構線圈方案和磁心結構，得到了廣泛應用。該團隊還提出了由多個小功率線圈組成的RPEV系統方案，單個長度比車輛長度小很多來避免無車輛時不必要的供電，基本結構示意圖如圖5所示。但該方案待考慮的內容還很多，如控制復雜性、實施方案以及建設成本等。

圖5 奧克蘭大學系統方案結構示意圖

從2009年起，韓國高等科學技術研究院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST）領導的在線電動汽車（On-Line Electric Vehicles，OLEVs）項目在RPEV的研究和商業化中取得了大量先進成果。至今已經開發了五代OLEVs系統，在多個測試點進行了測試和商業化運行，如圖6所示。該團隊在高頻逆變器、低電磁輻射特性、系統動態響應分析、磁耦合機構等方面展開了大量研究。

圖6 韓國OLEV建設情況

龐巴迪團隊自2010年開始對動態無線供電系統進行開發，主要用于有軌電車和公共汽車的無線充電。位于德國奧格斯堡的PRIMOVE有軌電車實現了傳輸距離6cm下250kW的功率輸出，如圖7所示。高通公司于2017年在法國凡爾賽建設一套輸出功率20kW的RPEV系統，充電時車速達到100km/h，如圖8所示。

圖7 龐巴迪PRIMOVE無線充電有軌電車

除此之外，國外還有多家研究機構或企業在RPEV的研究和應用上開展了大量工作。美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）自2011年開始對RPEV展開研究，實現了2.2kW 的功率傳輸，效率為74%。韓國鐵路研究院（KRRI）自2012年起開發高速列車的動態無線供電系統，在5cm傳輸距離下實現了820kW的輸出功率，效率達到83%，測試時列車時速為10km/h。

西班牙恩德薩研究團隊自2013年起參與了交通運營和道路感應應用車輛倡議聯盟項目（VICTORIA)，采用三重充電技術，包括傳統的插電式充電和靜態、動態無線充電技術。2014年在西班牙馬拉加公交線路上部署了最大功率50kW的RPEV系統。

圖8 高通動態無線供電系統

國內在動態無線供電技術領域的研究起步相對較晚，但近年來發展速度較快。重慶大學于2003年開始研究動態無線供電技術，2016年與南方電網合作建設完成國內第一條動態無線供電系統示范線路，如圖9所示。線路長100m，最大輸出功率為30kW，效率為75%~90%。

圖9 重慶大學電動汽車動態無線供電系統示范道路

江蘇同里新能源小鎮于2018年建設了世界首條“三合一”電子公路，如圖10所示。實現了光伏發電、動態無線充電以及無人駕駛三項技術的融合應用。重慶大學、東南大學等單位聯合開發了其中的電動汽車動態無線充電系統。

圖10 江蘇同里“三合一”電子公路

哈爾濱工業大學針對分段導軌式的動態無線供電系統研究，提出基于多發射繞組并聯的供電方式及相應的導軌控制策略。針對三相電動汽車動態無線供電系統展開研究，并搭建實驗系統實現了接收端移動過程中穩定功率輸出。

2018年哈工大與中國電力科學研究院聯合建設完成一條電動大巴移動式無線充電實驗路段，如圖11a所示。路段共長180m，包含直道、彎道、上坡和靜態充電位以模擬不同應用場合。單個接收模塊功率達到23kW，無線傳輸距離為21cm。2019年哈工大與宇通公司開始聯合建設電動大巴動態無線供電系統，如圖11b所示。功率等級80kW，供電路段長100m，于2020年底完成。

圖11 哈工大參與建設的電動大巴動態無線供電系統

西南交通大學針對用于軌道交通的動態無線供電系統進行了大量研究。研制了非接觸牽引供電軌道車實驗平臺，實現了12cm傳輸距離下100kW功率等級的能量傳輸。在2018年和2019年，分別提出了兩種高輸出穩定性的三相動態無線供電系統。天津工業大學設計了高鐵無線供電系統演示模型，對耦合機構和效率分析展開系列研究。東南大學、中科院電工所等機構也分別搭建了動態無線供電系統原理樣機或演示系統進行研究。

2 磁耦合機構的分類及特點

2.1 分類方式及特點

動態磁耦合機構一般可以根據其發射端和接收端延長度方向（車輛行進方向）的尺寸關系被分為長軌道型（Long Track）結構和陣列型（Short-individual Transmitter）結構。其中，長軌道型磁耦合機構的發射端線圈長度大于接收端線圈，車輛行駛在發射端上方時可以持續供電，無需頻繁地切換控制。這種結構電路組成少，配電網絡和控制簡單。

但由于開啟的發射端較長導致損耗增加，效率下降。陣列型磁耦合機構的發射端由一系列線圈組成，單個線圈長度與接收端線圈接近。發射端線圈分別獨立供電，只有當接收端位于其正上方時開啟工作。因此具有高效率和漏磁場范圍小的優點。但同時會導致成本增加，位置檢測和切換控制的復雜性增加。

該分類方式未考慮發射端線圈的磁場特性，不能充分反映磁耦合機構的傳輸特性。而靜態無線充電系統中磁耦合機構通常根據磁場特性進行區分，可以為動態系統結構分類提供參考：靜態無線充電系統中磁耦合機構根據發射端線圈產生磁場特征分為單極型線圈（Unipolar Coil，或稱為非極化線圈，Non-Polarized Pad）與雙極型線圈（Bipolar Pad，或稱為極化線圈，Polarized Pad），如圖12所示。

圖12 靜態無線充電系統中磁耦合機構分類與磁通形式

單極型的發射端線圈表面只有一個磁極方向，產生垂直線圈平面方向的磁通分量，如圖12a所示。該類型的線圈結構通常較為簡單，如圓形和矩形線圈。圓形線圈及其產生磁通形式如圖12b所示。但由于主磁通磁路的部分路徑在線圈外側，存在耦合較弱，對周圍漏磁場較大的問題。

雙極型的發射端線圈表面產生兩個磁極方向，產生平行和垂直線圈平面方向的磁通分量，如圖12c所示。該類型線圈結構通常更為復雜，如Double-D線圈（DDP）、Bipolar線圈（BPP）和磁通管結構線圈（Flux Pipe, FP）。其中DD線圈及其產生的磁通形式如圖12d所示。與單極型相比，這種結構增強了發射端與接收端線圈的耦合，減弱了線圈周圍的漏磁場。

參考靜態系統中的分類，動態系統根據發射端線圈產生磁場的方向特性也可以分為單極型軌道和雙極型軌道。單極型軌道在發射端線圈表面只產生一個磁極方向。雙極型軌道在發射端線圈表面產生兩個磁極方向，其中平行于發射端線圈所在平面的磁通分量的方向與發射端的布置方式相關，與車輛行進方向相同時稱為縱向布置，與車輛行進方向垂直時稱為橫向布置。

綜上所述，將上述兩種分類方式交叉組合后，動態無線供電系統的磁耦合機構可以分為四類，分別是：單極型陣列軌道、雙極型陣列軌道、單極型長軌道和雙極型長軌道。

2.2 各類結構的特點及分析

2.2.1 單極型陣列軌道

單極型陣列軌道磁耦合機構發射端由多個獨立供電的單極型線圈組成，如圖13a所示，通常為矩形或圓形線圈，結構簡單，易于實施。每個發射端線圈表面只產生一個磁極方向，如圖13b所示。可以看到發射端線圈與接收端線圈耦合的主磁通回路中部分回路在發射端線圈外側，因此在道路兩側產生的漏磁場較大。

圖13 單極型陣列軌道磁耦合機構

美國ORNL和圣地亞哥州立大學的Chris Mi團隊[68]分別采用圓形線圈和矩形線圈結構搭建了3kW功率等級的實驗系統。猶他州立大學采用圓形線圈結構建設了實際環境下的25kW充電系統。

2.2.2 雙極型陣列軌道

雙極型陣列軌道磁耦合機構的發射端由多個雙極型線圈組成，如DD線圈。由圖12可知由于雙極型線圈產生與線圈平行的磁通分量，其特性會由于布置方向而不同。采用DD線圈不同布置方式的雙極型陣列軌道磁耦合機構如圖14所示。奧克蘭大學分別采用橫向布置和縱向布置的DD線圈結構搭建了3.5kW和5kW的動態無線供電系統。

圖14 雙極型陣列軌道磁耦合機構

圖14a所示為橫向布置的DD線圈結構。接收端行進方向為OY方向，沿行進方向發射端線圈表面產生的磁場具有相同方向。根據圖中所示電流方向，藍色線圈均產生垂直向下的磁通方向，而綠色線圈均產生垂直向上的磁通方向。主磁通回路方向在XOZ平面內，如圖14c所示。

圖14b所示為縱向布置的DD線圈結構。沿行進方向發射端線圈表面產生交錯的磁場方向，相鄰兩個D線圈產生的磁場方向相反。主磁通回路方向在YOZ平面內，如圖14c所示。

由圖14可知不同布置方式的雙極型陣列軌道結構發射端和接收端線圈耦合的主磁通回路均在發射端范圍內，增強耦合的同時減小了對道路兩側的漏磁通。

2.2.3 單極型長軌道

單極型長軌道磁耦合機構的發射端線圈表面只產生一個磁場方向，結構簡單，成本較低，易于工程應用。基本的單極型長軌道結構和主磁通示意圖如圖15所示。KAIST提出的第6代（6G）OLEV發射端采用了長直矩形線圈，通過去磁心化降低建設成本和時間。

2.2.4 雙極型長軌道

雙極型長軌道磁耦合機構發射端線圈表面產生兩個磁極方向。與雙極型陣列軌道相似，不同線圈布置方式的特性不同。橫向布置和縱向布置的雙極型長軌道結構如圖16所示。

圖15 單極型長軌道磁耦合機構

圖16 雙極型長軌道磁耦合機構

圖16a所示為橫向布置的雙極型長軌道結構。沿行進方向OY上發射端線圈表面產生磁場方向固定。根據圖中所示電流方向，藍色線圈產生垂直向下的磁通方向，綠色線圈產生垂直向上的磁通方向。主磁通回路方向在XOZ平面內，如圖16b所示。沿行進方向輸出穩定，但橫向布置導致發射端較寬，對路面影響大，接收端側移容忍度較差。

奧克蘭大學在AGV供電系統中采用了橫向雙極長軌道結構，實現了300W的動態無線供電；日本鐵路技術研究院將這種結構應用于鐵路車輛供電，實驗樣機的負載輸出功率達到40kW。

圖16c所示為縱向布置的雙極型長軌道結構。發射端在多個磁極上交錯繞制，沿行進方向OY上發射端線圈表面產生的磁場方向交替變化。如圖16d所示主磁通回路方向在YOZ平面內，發射端寬度可以設計較窄，對路面影響小，同時接收端具有較大的側移容忍度。KAIST在第四、五代OLEV中均采用了這類磁耦合機構。

不同布置方式的雙極型長軌道結構發射端和接收耦合主磁通回路均在發射端范圍內，減小了單極型長軌道結構對道路兩側的漏磁通。

綜合前述分析，動態無線供電系統中各類磁耦合機構的特點對比見表1，可以為磁耦合機構的研究和設計提供指導。根據應用環境和系統要求確定合適的結構類型，提升磁耦合機構設計效率。

表1 動態無線供電系統磁耦合機構結構類型及特點

3 關鍵問題研究現狀

3.1 高功率密度、低成本的磁耦合機構構型研究

為了增強發射端和接收端之間的耦合性能，提升傳輸功率，通常采用增加磁心的方式，平板結構為最常用的磁心形式，但成本也較為高昂。因此如何設計低成本、高耦合性能的磁心構型成為研究者們的研究重點。

對于陣列軌道結構的磁耦合機構，每個獨立供電的發射端線圈與靜態系統結構相似，存在互通性，因此通常磁心結構與靜態系統中結構相同。為了降低磁耦合機構成本，通常采用條形磁心構型，如圖17分別為單極型和雙極型線圈結構的磁心構型。

圖17 陣列軌道結構磁心構型

對于長軌道結構的磁耦合機構，KAIST在過去10年領導的五代OLEV開發中，提出了多種結構用于不同類型的磁耦合機構，如圖18所示。

對于單極型長軌道結構，第一代（1G）采用E型磁心實現了1cm傳輸距離下3kW功率輸出，效率達到80%，如圖18a所示。為了降低磁心成本，第三代（3G）采用骨架的W型磁心實現了17cm傳輸距離下15kW功率輸出，效率達到71%，但發射端軌道寬80cm，如圖18b所示。采用該結構實現了26cm傳輸距離下的100kW功率等級快速充電。

對于雙極型長軌道結構，第二代（2G）將U型磁心用于橫向布置的雙極型結構，實現了17cm傳輸距離下6kW輸出功率，效率達到72%，如圖18c所示。但其發射端寬度高達140cm。接收端橫向側移能力受到寬度限制較小。因此該結構更常用于AGV、軌道交通等領域的動態無線供電系統。

為了提升磁耦合機構的側移容忍度和耦合性能，第四代（4G）采用了革新性的I型磁極結構供電軌道，該結構為縱向布置的雙極型長軌道結構，如圖18d所示。在20cm傳輸距離下實現了27kW輸出功率，效率達到74%。其中發射端供電軌道寬度僅10cm，接收端側移容忍度達到24cm。后續提出了S型磁極供電軌道的第五代（5G），如圖18e所示。寬度進一步減小至4cm，側移距離相應的增加至30cm，但耦合性能下降。

圖18 長軌道結構磁心構型

表2對各類磁心構型的特點進行了對比總結。

表2 磁心構型的特點

3.2 分段導軌間過渡輸出穩定性

靜態無線充電系統中，接收端和發射端相對位置發生偏移時，隨著偏移距離的增大，輸出功率會隨著耦合性能的下降逐漸減小。對于動態系統，當接收端駛出供電的分段導軌或發射端線圈，并且未完全駛入下一段或下一段未供電時，與靜態結構發生偏移的情況相似，輸出功率會隨著耦合性能的下降而減小。因此接收端行進過程中在相鄰分段導軌間過渡時存在輸出跌落問題。研究人員針對陣列軌道和長軌道結構中存在的這種問題展開大量研究。

對于如圖19a所示的陣列軌道結構，圣地亞哥州立大學團隊通過優化單極型線圈長度和間距等參數，同時對多個發射端線圈供電，實現了動態過程中接收端輸出波動的降低。如圖19b所示虛線為接收端與不同發射端之間的耦合系數，存在較大波動；（紅色）實線為優化尺寸后對多個發射端同時供電時的等效耦合系數。最終實現15cm傳輸距離下1.4kW的輸出功率，動態行進過程中輸出功率波動在±7.5%內。

對于圖14a中橫向布置的DD線圈結構，奧克蘭大學團隊通過線圈尺寸設計降低了過渡波動，在10kW輸出功率時的最大功率跌落為25%。西南交通大學研究人員對矩形線圈和DD線圈交替布置結構的尺寸進行優化，搭建384W實驗樣機實現輸出電壓波動在±2%內。天津工業大學研究人員分析了相鄰線圈中心距和同時供電區間對輸出特性的影響，確定了輸出最穩定的切換區間范圍。

圖19 降低輸出波動的陣列軌道

對于長軌道結構，重慶大學研究人員分別提出了滲透型導軌結構和交錯DD型導軌結構以解決過渡時輸出跌落的問題，降低輸出波動的長軌道結構如圖20所示。相鄰兩段供電軌道間設置部分重疊的區域為“接入區域”或增加交錯區域，增加功率補償線圈提升原切換過程中輸出下降的問題。

在15cm傳輸距離10kW功率等級的實驗系統中，滲透型導軌結構段間過渡時感應電壓最大跌落為25%，實現了導軌切換時的平穩過渡。中科院電工所研究人員通過控制相鄰兩段同時開啟的切換策略減小了段間過渡時的輸出波動，實現了2.5kW輸出功率的平穩過渡。

圖20 降低輸出波動的長軌道結構

表3對解決分段導軌間過渡波動問題、提升輸出穩定性的方法進行了總結。

表3 提升過渡輸出穩定性方法

3.3 單段供電導軌內行進輸出穩定性

對于縱向布置的雙極型磁耦合機構，沿行進方向上產生的磁場方向交替變化，因此接收端感應電壓輸出存在較大波動。以長軌道發射端結構為例，接收端感應電壓與位置的關系如圖21所示。

圖21 雙極型長軌道感應電壓與位置的關系

感應電壓輸出存在近似正弦的波動和零點問題，嚴重制約了其實際應用。研究人員分別從發射端和接收端角度進行研究以解決這個問題。

對于發射端，可以采用多相繞組供電的方式產生疊加后與位置近似無關的磁場分布。多相供電軌道磁耦合機構如圖22所示。KAIST研究人員提出了dq雙相軌道結構，如圖22a所示。藍色和紅色為不同的發射端繞組，圖中位置時接收端與紅色繞組間耦合為0，但與藍色繞組間耦合最大，在接收端中產生的感應電壓疊加后補償原有的輸出零點。不同繞組中激勵電流相位相差90°時輸出波動最小。由于負載在不同繞組中反射阻抗不同導致控制復雜，僅通過實驗室200W實驗樣機進行驗證，功率波動降低至11%。

圖22 多相供電軌道磁耦合機構

哈爾濱工業大學提出了三相線圈供電的解決方案，如圖22b所示。利用三相發射線圈在空間中產生平行于車輛行駛方向的行波磁場來提高輸出穩定性。搭建實驗樣機實現了傳輸距離為30cm，輸出功率為5kW，輸出波動為±2.5%的功率傳輸。

除了具有輸出穩定的優點，多相發射端結構還可以增大傳輸功率，但同時也會導致成本增加，電路組成增多和控制變復雜的問題。龐巴迪團隊將三相系統用于軌道交通，實現了250kW功率傳輸。

對于接收端，研究人員提出了多種多線圈接收端以解決供電單元內的輸出波動問題。通過空間位置不同的線圈相互補償移動過程中的輸出零點，各組線圈分別整流后直接輸出或分別經過DC-DC變換器后連接輸出至負載。

奧克蘭大學采用BPP雙線圈結構作為接收端，結合接收端控制實現了5kW近似恒定的功率輸出。西南交通大學采用DDQ(Double-D Quradrature)雙線圈結構接收端，結合接收端控制實現了600W功率等級的恒定輸出。哈爾濱工業大學提出了多相接收端結構，其中四相接收端在不進行接收端控制下可以將輸出波動降低至8%。

表4對解決單段供電導軌內行進輸出波動問題、提升輸出穩定性的方法進行了總結。

表4 提升行進輸出穩定性方法

3.4 偏移容忍度

車輛行駛的過程中，受路況和駕駛技術的影響，接收端不可避免地會相對于發射端發生橫向偏移。隨著偏移距離的增加，輸出功率和傳輸效率均會降低。因此，提升接收端的偏移容忍度是磁耦合機構的關鍵問題之一。

由于陣列軌道結構可以理解為靜態磁耦合機構在動態無線供電系統中的推廣，因此，陣列軌道結構中提升偏移容忍度的方法與靜態系統中的方法相同。常見的方法為使用多線圈接收端結構。奧克蘭大學的研究團隊提出了一種DDQ型接收端結構，如圖23a所示。

該結構中，DD線圈和Q線圈分別在整流后串聯。接收端偏移過程中，穿過DD線圈的磁場量減少，穿過Q線圈的磁場量增加，因此Q線圈可以補償DD線圈中的功率跌落。此后，該團隊提出了一種BPP型（Bipolar）接收端結構，如圖23b所示。

圖23 提升偏移容忍度的多線圈接收端結構

該結構與DDQ型結構具有相同的側移容忍度，但用線量更少。

對于單極型長軌道結構，可以通過采用多相發射線圈或增加接收線圈寬度的方式來提升偏移容忍度。奧克蘭大學的研究人員提出了一種三相單極型長軌道結構，如圖24所示。該結構中，三相發射線圈沿橫向偏移方向鋪設，產生與偏移方向平行的行波磁場來改善偏移容忍度，使最大偏移距離近似等于發射軌道寬度。然而，橫向布置的三相發射線圈使得發射端寬度較大，且發射端兩側的漏磁輻射嚴重。此外，三相發射線圈之間的相間互感并不平衡，使得各相發射端之間存在能量耦合。

圖24 三相單極型長軌道結構

橫向布置的雙極型長軌道結構具有較差的偏移容忍度，目前更多地應用于軌道交通等無需考慮接收端偏移的場景中。由于這類結構的主磁路方向在XOZ平面內，因此可以參考橫向布置的雙極型陣列軌道結構，使用DDQ等多線圈接收端結構來改善偏移容忍度。

而對于縱向布置的雙極型長軌道結構，如Ⅰ型和S型等磁極結構供電軌道，目前共有三種方案來提升其偏移容忍度。

1）增加接收線圈的寬度

以Ⅰ型磁極結構供電軌道為例，圖25給出了發射線圈產生的磁場在接收線圈所在的平面上沿偏移方向的分布情況。從圖中可以看出，磁場主要集中在供電軌道的正方上區域，沿偏移方向，磁感應強度逐漸減小。

圖25 偏移時穿過接收線圈的磁通變化量（軌道寬度固定）

圖25中陰影部分表示穿過接收線圈的磁通變化量。對于圖25a所示的寬接收線圈，當接收線圈發生偏移時，穿過接收線圈的磁場量變化量較小，故輸出電壓基本保持不變。而對于圖25b所示的窄接收線圈來，在相同的側移距離下，穿過接收線圈的磁場量變化較大，導致輸出電壓降低。因此，增大接收線圈的寬度可以有效地提升偏移容忍度，接收線圈的寬度越大，允許的偏移距離越大。

對于I型和S型等縱向布置的雙極型長軌道結構，為了接收端的提升偏移容忍度，接收線圈寬度通常設計為發射端供電軌道寬度的數倍以上。

2）降低發射端供電軌道的寬度

圖26給出了發射端供電軌道寬度不同時，發射線圈產生的磁場沿偏移方向的分布情況。

圖26 偏移時穿過接收線圈的磁通變化量（接收線圈寬度固定）

從圖26中可以看出，對于相同寬度的接收線圈來說，在相同的偏移距離下，發射端供電軌道越窄，穿過接收線圈的磁場量變化較小，輸出電壓的變化也越小。因此，減小發射端供電軌道的寬度同樣可以增加最大偏移距離。KAIST提出的S型磁極結構供電軌道正是通過降低發射端供電軌道的寬度的方式來提升偏移容忍度的。

然而，由圖26可知，減小發射端供電軌道的寬度同樣會降低發射線圈和接收線圈之間的互感，使得輸出電壓降低。

3）使用橫向布置的多線圈接收端結構

KAIST的研究人員提出了一種自解耦的雙線圈接收端結構（self-decoupled dual receiver coils）來改善偏移容忍度。圖27a和圖27b分別給出了該接收端的結構示意圖和等效電路。

圖27 KAIST提出的自解耦接收端

自解耦的雙線圈接收端使用了兩個并聯的接收線圈，其工作原理如圖27c所示。在接收端偏移的過程中，始終由感應電壓更高的接收線圈工作，而另一個接收線圈不工作。通過兩個接收線圈的整流后并聯來提升接收端的偏移容忍度。然而，該接收端需要使用兩組整流橋裝置，且同一時刻只能有一個接收線圈工作，因此該結構中接收線圈的利用率較低，這增加了系統成本。

表5對提升偏移容忍度的方法進行了總結。

表5 提升偏移容忍度的方法

4 關鍵問題

綜合目前電動汽車動態無線供電系統中磁耦合機構的研究現狀，可以看到各方面均已有較多研究和解決方案。但這項技術實現產業化的進程才剛剛起步，磁耦合機構仍存在許多關鍵問題亟待解決，包括以下幾個方面：

1）高效率

與傳統有線充電方式相比，無線充電系統中增加了多級環節導致系統效率下降。而動態無線供電系統由于工作時發射端導軌尺寸通常大于接收端，效率進一步降低。

磁耦合機構的損耗占據了系統能量損失的主要部分，需要從多個方面研究減小損耗的方法，如材料角度，采用可以降低損耗或提升耦合性能的新型磁心材料或繞組線材；結構和參數優化角度，對磁心和線圈優化設計提升耦合性能，降低損耗。實現高效率磁耦合機構可以有效提升充電效率，降低能量損失并減小溫升，促進動態無線供電技術的實際應用。

2）低成本

磁耦合機構占據了動態無線供電系統建設成本的主要部分，通常由鐵氧體磁心和繞組利茲線組成。由于供電路段均需要鋪設發射端導軌會導致較高昂的前期基礎建設投入。而在設計時為了實現更高的傳輸功率，通常采用增加磁心、匝數等方式，這會導致成本進一步增高。因此需要通過研究磁耦合機構的結構形式和參數設計方法來降低材料使用量，進而提升系統建設的經濟性。

3）高功率密度

磁耦合機構的功率密度可以分為發射端和接收端功率密度。發射端功率密度反映了磁耦合機構對道路的影響，通過發射端導軌面積或體積功率密度體現；接收端功率密度反映了磁耦合機構對車輛的影響，通過接收端線圈面積、體積或質量功率密度體現。在進行設計時為了提升傳輸性能，通常采用增大耦合面積或采用多線圈結構的方式，這會導致尺寸、重量增加，對車輛和路面影響增加。因此，需要通過研究磁耦合機構的結構設計提升功率密度，為動態無線供電技術的推廣應用提供必要條件。

4）輸出穩定性和側移容忍度

與靜態無線充電系統中車輛在固定位置靜止充電不同，動態無線供電系統中車輛在行進過程中充電，接收端與發射端供電線圈的相對位置可能發生縱向和橫向水平偏移或旋轉偏移，導致輸出波動和功率跌落；由于磁耦合機構結構特性，如縱向布置的雙極型結構，在行進方向上存在固有輸出波動；此外，由于固有參數，如電感、電容可能受外界環境影響發生變化，導致系統諧振狀態和輸出功率受到影響，產生波動。

因此需要考慮上述不同情況，研究能夠降低輸出波動、提升輸出穩定性、提高偏移容忍度的磁耦合機構結構和參數設計方法。

5）互操作性

隨著靜態無線充電技術相關標準的出臺和未來商業化應用的推廣普及，用于動態無線供電系統的磁耦合機構需要考慮與標準中結構具備互操作性。需要研究基于標準互操作性的磁耦合機構結構形式和設計方法。

此外，不同于靜態充電一對一的模式，動態供電系統存在同一路段對多個負載、不同功率等級負載、不同結構負載供電的可能性，因此需要分別研究發射端和接收端具備互操作性的結構和相應設計方法，具體為：對于發射端，需要研究滿足不同（結構形式、尺寸）接收端、不同功率等級負載時的結構和參數設計方法；對于接收端，需要研究可以應用于已建設發射端結構、并滿足車輛負載要求的結構和相應設計方法。

6）電磁安全性

由于發射端產生的高頻交變磁場不能與接收端完全耦合，會對周圍環境造成影響。保證環境的電磁安全性是動態無線供電技術實現應用的前提。磁耦合機構可以分別從電磁發射源和傳播途徑兩個方面實現屏蔽保護，如在源頭增加屏蔽線圈或在傳播途徑增加屏蔽材料（鐵氧體、鋁）。但額外增加的電磁安全防護裝置勢必會對系統能量傳輸性能產生影響，并造成成本增加。因此需要研究如何在保證環境電磁安全性的同時減少對原有系統的影響，實現安全、可靠、經濟的電磁安全防護。

5 結論

本文對電動汽車動態無線供電系統的發展歷程進行了全面回顧，對動態無線供電系統中磁耦合機構進行了系統分類并就其特點進行了詳細分析，重點分析了磁耦合機構目前研究的關鍵問題及主要解決方案。最后討論了面臨的關鍵問題。主要結論如下：

1）動態無線供電技術仍處于實驗室研究和小規模實驗示范線路建設階段，建成系統中功率等級在20~30kW范圍內，傳輸距離在20~30cm之間。該功率等級下，系統效率在70%~91%之間。

2）動態磁耦合機構可以分為單極型陣列軌道、單極型長軌道、橫向雙極型陣列軌道、縱向雙極型陣列軌道、橫向雙極型長軌道和縱向雙極型長軌道六種結構，其中單極長軌道結構成本低，縱向雙極長軌道結構綜合性能優。

3）磁耦合機構目前研究的關鍵問題集中在高性能磁耦合機構構型、分段導軌過渡穩定性、行進輸出穩定性以及偏移容忍度等方面。

4）在動態無線供電技術實現產業化的進程中磁耦合機構還面臨較多關鍵問題亟需解決，包括效率、成本、功率密度、穩定性、偏移容忍度、互操作性和安全性。

引用本文:崔淑梅, 宋貝貝, 王志遠. 電動汽車動態無線供電磁耦合機構研究綜述[J]. 電工技術學報, 2022, 37(3): 537-554. Cui Shumei, Song Beibei, Wang Zhiyuan. Overview of Magnetic Coupler for Electric Vehicles Dynamic Wireless Charging. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(3): 537-554.