图1 电动汽车动态无线充电系统基本结构
Fig.1 Basic structure of dynamic wireless charging system for electric vehicles
摘要 电动汽车无线供电技术有效提升了充电的便捷性和安全性，动态无线供电技术实现了电动汽车的“边跑边充”，实时补充电能解决了续航里程焦虑，进而也可以降低车载电池的容量。磁耦合机构是动态无线供电系统中实现能量无线传输的关键部件，直接决定了系统的传输特性，是研究人员关注的重点。该文首先对电动汽车动态无线供电系统发展历程进行了介绍；之后结合磁耦合机构的分类对目前主要研究的结构类型特点进行了分析，并对当前磁耦合机构主要研究的关键问题和现状进行了详细介绍；最后，对磁耦合机构需要在未来进行研究的关键问题进行了讨论。
关键词：电动汽车 无线能量传输 动态无线供电 磁耦合机构
近年来，由于传统燃油车的广泛使用，全球化石能源消耗加剧，环境污染问题日趋严峻。电动汽车由于其零排放、无污染的优点受到了越来越多的关注。但由于车载电池容量限制导致的续航里程有限以及充电不便、存在安全隐患等问题制约了电动汽车的推广普及应用[1-2]。无线能量传输技术的发展为上述问题提供了解决方案[3-7]。
用于电动汽车的无线能量传输技术主要可以分为静态无线充电和动态无线供电两种[8-11]。静态无线充电替代传统充电桩的有线方式进行充电，去除了机械接口限制，没有直接电气连接，提升了充电的安全性和灵活性[12-15]。动态无线供电技术通过在地面下铺设一定长度供电线圈，实现了电动汽车不停车充电，与传统充电桩接触式充电和静态无线充电等相比，可以有效延长续航里程，缓解里程焦虑，降低搭载电池容量需求，同时使电池处于浅充浅放状态可以延长寿命，更具有技术的先进性[16-18]。
电动汽车动态无线供电系统基本结构如图1所示，由位于地面的逆变源、发射端补偿网络、发射线圈以及车载的接收线圈、接收端补偿网络和接收端电能变换装置组成。逆变源通过发射端补偿网络后，在发射线圈中产生高频正弦电流激励，进而在空间中激发对应的高频交变磁场；接收线圈在空间高频磁场的作用下感生出交变电动势，经接收端补偿网络和接收端电能变化装置后转换为适当的直流电压向行驶中的电动汽车供电。补偿网络的作用为补偿系统中的无功功率，提高系统功率因数。
发射线圈和接收线圈合称为磁耦合机构，是实现能量无线传输的核心部件，直接影响多个系统特性，如输出功率、传输效率、成本、侧移容忍度以及电磁辐射等，是动态无线供电的核心关键部件和研究重点。
图1 电动汽车动态无线充电系统基本结构
Fig.1 Basic structure of dynamic wireless charging system for electric vehicles
本文针对动态无线供电系统中磁耦合机构目前的研究进展进行综述，分别从磁耦合机构的分类及特点和关键问题的研究现状展开分析，最后对亟待解决的关键问题进行了讨论。
电动汽车动态无线供电系统发展历程如图2所示。动态无线供电的概念最早出现在1894年的一项美国专利，如图3所示[19]。通过在图3b中埋在地下的发射电缆E中施加交流电激励，在空间中产生变化磁场。接收端G的绕组缠绕在铁心上，在交变磁场中产生感应电压，为电动汽车的电机系统供电。图3c所示为接收端铁心起到的聚磁作用，增强了与发射端供电电缆间耦合。该专利中的一些内容至今仍是设计过程中需要重点考虑的问题。
图2 电动汽车动态无线供电系统发展历程
Fig.2 Development of dynamic wireless charging system for electric vehicles
图3 第一个道路供电汽车专利
Fig.3 First patent of roadway powered electric vehicles
约100年后，由于20世纪70年代的石油危机，电动汽车受到研究人员越来越多的关注。1976年由劳伦斯伯克利国家实验室设计了第一套道路电动汽车（Roadway Powered Electric Vehicle, RPEV）的实验样机用于验证该项技术的可行性，实现了8kW的无线能量传输[20-22]。1979年圣巴巴拉电动巴士项目启动，开发了另一套RPEV样机[23]。之后在1992年，加州大学伯克利分校在先进交通和公路项目（PATH）中开发了第一套完整的用于巴士的RPEV 系统，如图4所示[24]。实现了在7.6cm传输距离下60kW的输出功率，效率达到60%。但由于较高的建设成本（约1M$/km）、沉重的线圈、较大的噪声、上千安的大电流、较低的效率、较小的传输距离以及较弱的横向侧移能力，该系统并未能商业化。
图4 第一套用于电动巴士的RPEV系统
Fig.4 The first RPEV system for electric buses
在此之后，更多的研究团队加入RPEV的开发中，该技术得到飞速发展。新西兰奥克兰大学从1988年起开始研究无线供电技术，在2002年提出了用于电动单轨列车的动态无线供电系统[25]。随后分别提出了三相蜿蜒型、双相长导轨型、DD阵列型等不同的系统方案[26-30]。同时还提出了多种应用于静态和动态系统的磁耦合机构线圈方案和磁心结构，得到了广泛应用[31-33]。该团队还提出了由多个小功率线圈组成的RPEV系统方案，单个长度比车辆长度小很多来避免无车辆时不必要的供电，基本结构示意图如图5所示[11]。但该方案待考虑的内容还很多，如控制复杂性、实施方案以及建设成本等。
图5 奥克兰大学系统方案结构示意图
Fig.5 Schematic diagram of system scheme proposed by the University of Auckland
从2009年起，韩国高等科学技术研究院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST）领导的在线电动汽车（On-Line Electric Vehicles，OLEVs）项目在RPEV的研究和商业化中取得了大量先进成果[34]。至今已经开发了五代OLEVs系统，在多个测试点进行了测试和商业化运行，如图6所示[17]。该团队在高频逆变器[35]、低电磁辐射特性[36-37]、系统动态响应分析[38]、磁耦合机构[39-40]等方面展开了大量研究。
图6 韩国OLEV建设情况
Fig.6 Construction of OLEV in South Korea
庞巴迪团队自2010年开始对动态无线供电系统进行开发，主要用于有轨电车和公共汽车的无线充电。位于德国奥格斯堡的PRIMOVE有轨电车实现了传输距离6cm下250kW的功率输出，如图7所示[41]。高通公司于2017年在法国凡尔赛建设一套输出功率20kW的RPEV系统，充电时车速达到100km/h，如图8所示[42]。
图7 庞巴迪PRIMOVE无线充电有轨电车
Fig.7 Wireless charging tram of Bombardier PRIMOVE
除此之外，国外还有多家研究机构或企业在RPEV的研究和应用上开展了大量工作。美国橡树岭国家实验室（ORNL）自2011年开始对RPEV展开研究，实现了2.2kW 的功率传输，效率为74%[43]。
韩国铁路研究院（KRRI）自2012年起开发高速列车的动态无线供电系统[44]，在5cm传输距离下实现了820kW的输出功率，效率达到83%，测试时列车时速为10km/h。西班牙恩德萨研究团队自2013年起参与了交通运营和道路感应应用车辆倡议联盟项目（VICTORIA)，采用三重充电技术，包括传统的插电式充电和静态、动态无线充电技术。2014年在西班牙马拉加公交线路上部署了最大功率50kW的RPEV系统[45]。
图8 高通动态无线供电系统
Fig.8 Qualcomm dynamic wireless charging system
国内在动态无线供电技术领域的研究起步相对较晚，但近年来发展速度较快。重庆大学于2003年开始研究动态无线供电技术[46]，2016年与南方电网合作建设完成国内第一条动态无线供电系统示范线路，如图9所示[47]。线路长100m，最大输出功率为30kW，效率为75%～90%。
图9 重庆大学电动汽车动态无线供电系统示范道路
Fig.9 Demonstration road of dynamic wireless charging system built by Chongqing University
江苏同里新能源小镇于2018年建设了世界首条“三合一”电子公路，如图10所示[48]。实现了光伏发电、动态无线充电以及无人驾驶三项技术的融合应用。重庆大学、东南大学等单位联合开发了其中的电动汽车动态无线充电系统。
图10 江苏同里“三合一”电子公路
Fig.10 “Three in one” electronic highway in Tongli Jiangsu Province
哈尔滨工业大学针对分段导轨式的动态无线供电系统研究，提出基于多发射绕组并联的供电方式及相应的导轨控制策略[49]。针对三相电动汽车动态无线供电系统展开研究，并搭建实验系统实现了接收端移动过程中稳定功率输出[50-51]。
2018年哈工大与中国电力科学研究院联合建设完成一条电动大巴移动式无线充电实验路段，如图11a所示[52]。路段共长180m，包含直道、弯道、上坡和静态充电位以模拟不同应用场合。单个接收模块功率达到23kW，无线传输距离为21cm。2019年哈工大与宇通公司开始联合建设电动大巴动态无线供电系统，如图11b所示。功率等级80kW，供电路段长100m，于2020年底完成。
图11 哈工大参与建设的电动大巴动态无线供电系统
Fig.11 Dynamic wireless charging system for electric bus constructed by Harbin Institute of Technology
西南交通大学针对用于轨道交通的动态无线供电系统进行了大量研究[53]。研制了非接触牵引供电轨道车实验平台，实现了12cm传输距离下100kW功率等级的能量传输[54]。在2018年和2019年，分别提出了两种高输出稳定性的三相动态无线供电系统[55-56]。天津工业大学设计了高铁无线供电系统演示模型，对耦合机构和效率分析展开系列研究[57-59]。东南大学[60]、中科院电工所[61]等机构也分别搭建了动态无线供电系统原理样机或演示系统进行研究。
动态磁耦合机构一般可以根据其发射端和接收端延长度方向（车辆行进方向）的尺寸关系被分为长轨道型（Long Track）结构和阵列型（Short-individual Transmitter）结构[62-63]。其中，长轨道型磁耦合机构的发射端线圈长度大于接收端线圈，车辆行驶在发射端上方时可以持续供电，无需频繁地切换控制。这种结构电路组成少，配电网络和控制简单。但由于开启的发射端较长导致损耗增加，效率下降。阵列型磁耦合机构的发射端由一系列线圈组成，单个线圈长度与接收端线圈接近。发射端线圈分别独立供电，只有当接收端位于其正上方时开启工作。因此具有高效率和漏磁场范围小的优点。但同时会导致成本增加，位置检测和切换控制的复杂性增加。
该分类方式未考虑发射端线圈的磁场特性，不能充分反映磁耦合机构的传输特性。而静态无线充电系统中磁耦合机构通常根据磁场特性进行区分，可以为动态系统结构分类提供参考：静态无线充电系统中磁耦合机构根据发射端线圈产生磁场特征分为单极型线圈（Unipolar Coil，或称为非极化线圈，Non-Polarized Pad）与双极型线圈（Bipolar Pad，或称为极化线圈，Polarized Pad），如图12所示[64]。
图12 静态无线充电系统中磁耦合机构分类与磁通形式
Fig.12 Classification and magnetic flux of magnetic coupler in stationary wireless charging system
单极型的发射端线圈表面只有一个磁极方向，产生垂直线圈平面方向的磁通分量，如图12a所示。该类型线圈结构通常较为简单，如圆形和矩形线圈[31]。圆形线圈及其产生磁通形式如图12b所示。但由于主磁通磁路的部分路径在线圈外侧，存在耦合较弱，对周围漏磁场较大的问题。
双极型的发射端线圈表面产生两个磁极方向，产生平行和垂直线圈平面方向的磁通分量，如图12c所示。该类型线圈结构通常更为复杂，如Double-D线圈（DDP）、Bipolar线圈（BPP）和磁通管结构线圈（Flux Pipe, FP）[65-66]。其中DD线圈及其产生的磁通形式如图12d所示。与单极型相比，这种结构增强了发射端与接收端线圈的耦合，减弱了线圈周围的漏磁场。
参考静态系统中的分类，动态系统根据发射端线圈产生磁场的方向特性也可以分为单极型轨道和双极型轨道。单极型轨道在发射端线圈表面只产生一个磁极方向。双极型轨道在发射端线圈表面产生两个磁极方向，其中平行于发射端线圈所在平面的磁通分量的方向与发射端的布置方式相关，与车辆行进方向相同时称为纵向布置，与车辆行进方向垂直时称为横向布置。
综上所述，将上述两种分类方式交叉组合后，动态无线供电系统的磁耦合机构可以分为四类，分别是：单极型阵列轨道、双极型阵列轨道、单极型长轨道和双极型长轨道。
2.2.1 单极型阵列轨道
单极型阵列轨道磁耦合机构发射端由多个独立供电的单极型线圈组成，如图13a所示，通常为矩形或圆形线圈，结构简单，易于实施。每个发射端线圈表面只产生一个磁极方向，如图13b所示。可以看到发射端线圈与接收端线圈耦合的主磁通回路中部分回路在发射端线圈外侧，因此在道路两侧产生的漏磁场较大。
图13 单极型阵列轨道磁耦合机构
Fig.13 Unipolar lumped track magnetic coupler
美国ORNL[67]和圣地亚哥州立大学的Chris Mi团队[68]分别采用圆形线圈和矩形线圈结构搭建了3kW功率等级的实验系统。犹他州立大学采用圆形线圈结构建设了实际环境下的25kW充电系统[69]。
2.2.2 双极型阵列轨道
双极型阵列轨道磁耦合机构的发射端由多个双极型线圈组成，如DD线圈。由图12可知由于双极型线圈产生与线圈平行的磁通分量，其特性会由于布置方向而不同。采用DD线圈不同布置方式的双极型阵列轨道磁耦合机构如图14所示。奥克兰大学分别采用横向布置[70]和纵向布置[71]的DD线圈结构搭建了3.5kW和5kW的动态无线供电系统。
图14 双极型阵列轨道磁耦合机构
Fig.14 Bipolar lumped track magnetic coupler
图14a所示为横向布置的DD线圈结构。接收端行进方向为OY方向，沿行进方向发射端线圈表面产生的磁场具有相同方向。根据图中所示电流方向，蓝色线圈均产生垂直向下的磁通方向，而绿色线圈均产生垂直向上的磁通方向。主磁通回路方向在XOZ平面内，如图14c所示。
图14b所示为纵向布置的DD线圈结构。沿行进方向发射端线圈表面产生交错的磁场方向，相邻两个D线圈产生的磁场方向相反。主磁通回路方向在YOZ平面内，如图14c所示。
由图14可知不同布置方式的双极型阵列轨道结构发射端和接收端线圈耦合的主磁通回路均在发射端范围内，增强耦合的同时减小了对道路两侧的漏磁通。
2.2.3 单极型长轨道
单极型长轨道磁耦合机构的发射端线圈表面只产生一个磁场方向，结构简单，成本较低，易于工程应用。基本的单极型长轨道结构和主磁通示意图如图15所示。KAIST提出的第6代（6G）OLEV发射端采用了长直矩形线圈，通过去磁心化降低建设成本和时间[72]。
2.2.4 双极型长轨道
双极型长轨道磁耦合机构发射端线圈表面产生两个磁极方向。与双极型阵列轨道相似，不同线圈布置方式的特性不同。横向布置和纵向布置的双极型长轨道结构如图16所示。
图15 单极型长轨道磁耦合机构
Fig.15 Unipolar long track magnetic coupler
图16 双极型长轨道磁耦合机构
Fig.16 Bipolar long track magnetic coupler
图16a所示为横向布置的双极型长轨道结构。沿行进方向OY上发射端线圈表面产生磁场方向固定。根据图中所示电流方向，蓝色线圈产生垂直向下的磁通方向，绿色线圈产生垂直向上的磁通方向。主磁通回路方向在XOZ平面内，如图16b所示。沿行进方向输出稳定，但横向布置导致发射端较宽，对路面影响大，接收端侧移容忍度较差。奥克兰大学在AGV供电系统中采用了横向双极长轨道结构，实现了300W的动态无线供电[29]；日本铁路技术研究院将这种结构应用于铁路车辆供电，实验样机的负载输出功率达到40kW[73]。图16c所示为纵向布置的双极型长轨道结构。发射端在多个磁极上交错绕制，沿行进方向OY上发射端线圈表面产生的磁场方向交替变化。如图16d所示主磁通回路方向在YOZ平面内，发射端宽度可以设计较窄，对路面影响小，同时接收端具有较大的侧移容忍度。KAIST在第四、五代OLEV中均采用了这类磁耦合机构[17]。
不同布置方式的双极型长轨道结构发射端和接收耦合主磁通回路均在发射端范围内，减小了单极型长轨道结构对道路两侧的漏磁通。
综合前述分析，动态无线供电系统中各类磁耦合机构的特点对比见表1，可以为磁耦合机构的研究和设计提供指导。根据应用环境和系统要求确定合适的结构类型，提升磁耦合机构设计效率。
表1 动态无线供电系统磁耦合机构结构类型及特点
Tab.1 Structure types and characteristics of magnetic couplers in dynamic wireless charging system
结构类型磁场类型示意图优点缺点 阵列轨道单极型结构简单①电磁辐射较双极型严重②存在输出波动和功率零点 双极型（横向）输出波动较小①发射端尺寸大②侧移能力差 双极型（纵向）侧移能力较强存在输出波动和功率零点 总体评价效率高，与长轨道相比电磁辐射较小；位置检测及切换控制复杂，成本高；侧移能力较差，输出存在波动 长轨道单极型①结构简单②建设成本低③输出稳定①发射端宽度大②转输距离近③电磁辐射严重 双极型（横向）①结构简单②输出稳定③电磁辐射小①发射端宽度大②传输距离近③侧移能力差 双极型（纵向）①发射端窄②侧移能力强③传输距离远存在输出波动和功率零点 总体评价位置检测及控制方法简单，成本低；效率低，段间过度存在输出波动
为了增强发射端和接收端之间的耦合性能，提升传输功率，通常采用增加磁心的方式，平板结构为最常用的磁心形式，但成本也较为高昂。因此如何设计低成本、高耦合性能的磁心构型成为研究者们的研究重点。
对于阵列轨道结构的磁耦合机构，每个独立供电的发射端线圈与静态系统结构相似，存在互通性，因此通常磁心结构与静态系统中结构相同。为了降低磁耦合机构成本，通常采用条形磁心构型，如图17分别为单极型和双极型线圈结构的磁心构型[74]。
图17 阵列轨道结构磁心构型
Fig.17 Magnetic core structure of lumped track
对于长轨道结构的磁耦合机构，KAIST在过去10年领导的五代OLEV开发中，提出了多种结构用于不同类型的磁耦合机构，如图18所示[3]。
对于单极型长轨道结构，第一代（1G）采用E型磁心实现了1cm传输距离下3kW功率输出，效率达到80%，如图18a所示[75]。为了降低磁心成本，第三代（3G）采用骨架的W型磁心实现了17cm传输距离下15kW功率输出，效率达到71%，但发射端轨道宽80cm，如图18b所示[75]。采用该结构实现了26cm传输距离下的100kW功率等级快速充电[76]。
图18 长轨道结构磁心构型
Fig.18 Magnetic core structure of long track
对于双极型长轨道结构，第二代（2G）将U型磁心用于横向布置的双极型结构，实现了17cm传输距离下6kW输出功率，效率达到72%，如图18c所示[17]。但其发射端宽度高达140cm。接收端横向侧移能力受到宽度限制较小。因此该结构更常用于AGV、轨道交通等领域的动态无线供电系统。为了提升磁耦合机构的侧移容忍度和耦合性能，第四代（4G）采用了革新性的I型磁极结构供电轨道[35]，该结构为纵向布置的双极型长轨道结构，如图18d所示。在20cm传输距离下实现了27kW输出功率，效率达到74%。其中发射端供电轨道宽度仅10cm，接收端侧移容忍度达到24cm。后续提出了S型磁极供电轨道的第五代（5G）[40]，如图18e所示。宽度进一步减小至4cm，侧移距离相应的增加至30cm，但耦合性能下降。
表2对各类磁心构型的特点进行了对比总结。
表2 磁心构型的特点
Tab.2 Characteristics of magnetic core structure
磁心构型应用结构特点 条型阵列轨道单极型、双极型线圈增强耦合性能，降低成本和重量 E型单极型长轨道增强耦合性能，减小漏磁；成本较高、尺寸较宽 骨架W型单极型长轨道增强耦合性能，减小漏磁，降低成本；尺寸较宽 U型横向双极型长轨道增强耦合性能，减小漏磁；成本较高、尺寸较宽、侧移能力弱 I型纵向双极型长轨道增强耦合性能，提升侧移能力，减小发射端宽度，减小漏磁；输出存在波动 S型纵向双极型长轨道进一步减小发射端宽度，提升侧移，降低成本；输出存在波动，耦合性能下降
静态无线充电系统中，接收端和发射端相对位置发生偏移时，随着偏移距离的增大，输出功率会随着耦合性能的下降逐渐减小。对于动态系统，当接收端驶出供电的分段导轨或发射端线圈，并且未完全驶入下一段或下一段未供电时，与静态结构发生偏移的情况相似，输出功率会随着耦合性能的下降而减小。因此接收端行进过程中在相邻分段导轨间过渡时存在输出跌落问题。研究人员针对阵列轨道和长轨道结构中存在的这种问题展开大量研究。
对于如图19a所示的阵列轨道结构，圣地亚哥州立大学团队通过优化单极型线圈长度和间距等参数，同时对多个发射端线圈供电，实现了动态过程中接收端输出波动的降低[68]。如图19b所示虚线为接收端与不同发射端之间的耦合系数，存在较大波动；（红色）实线为优化尺寸后对多个发射端同时供电时的等效耦合系数。最终实现15cm传输距离下1.4kW的输出功率，动态行进过程中输出功率波动在±7.5%内。对于图14a中横向布置的DD线圈结构，奥克兰大学团队通过线圈尺寸设计降低了过渡波动，在10kW输出功率时的最大功率跌落为25%[30]。西南交通大学研究人员对矩形线圈和DD线圈交替布置结构的尺寸进行优化，搭建384W实验样机实现输出电压波动在±2%内[77]。天津工业大学研究人员分析了相邻线圈中心距和同时供电区间对输出特性的影响，确定了输出最稳定的切换区间范围[78]。
图19 降低输出波动的阵列轨道
Fig.19 Lumped track with reduced output power pulsation
对于长轨道结构，重庆大学研究人员分别提出了渗透型导轨结构[79]和交错DD型导轨结构[80]以解决过渡时输出跌落的问题，降低输出波动的长轨道结构如图20所示。相邻两段供电轨道间设置部分重叠的区域为“接入区域”或增加交错区域，增加功率补偿线圈提升原切换过程中输出下降的问题。在15cm传输距离10kW功率等级的实验系统中，渗透型导轨结构段间过渡时感应电压最大跌落为25%，实现了导轨切换时的平稳过渡。中科院电工所研究人员通过控制相邻两段同时开启的切换策略减小了段间过渡时的输出波动，实现了2.5kW输出功率的平稳过渡[81]。
图20 降低输出波动的长轨道结构
Fig.20 Long track with reduced output power pulsation
表3对解决分段导轨间过渡波动问题、提升输出稳定性的方法进行了总结。
表3 提升过渡输出稳定性方法
Tab.3 The method of improving transition output stability
分段导轨类型提升稳定性方法 阵列轨道相邻多个供电线圈同时开启，优化供电线圈长度、中心距尺寸 长轨道过渡区域内构造重叠、交错线圈；相邻供电导轨同时开启的切换控制策略
对于纵向布置的双极型磁耦合机构，沿行进方向上产生的磁场方向交替变化，因此接收端感应电压输出存在较大波动。以长轨道发射端结构为例，接收端感应电压与位置的关系如图21所示[82]。感应电压输出存在近似正弦的波动和零点问题，严重制约了其实际应用。研究人员分别从发射端和接收端角度进行研究以解决这个问题。
图21 双极型长轨道感应电压与位置的关系
Fig.21 Bipolar long track and relationship between induced voltage and position
对于发射端，可以采用多相绕组供电的方式产生叠加后与位置近似无关的磁场分布[83-84]。多相供电轨道磁耦合机构如图22所示。KAIST研究人员提出了dq双相轨道结构，如图22a所示[82]。蓝色和红色为不同的发射端绕组，图中位置时接收端与红色绕组间耦合为0，但与蓝色绕组间耦合最大，在接收端中产生的感应电压叠加后补偿原有的输出零点。不同绕组中激励电流相位相差90°时输出波动最小。由于负载在不同绕组中反射阻抗不同导致控制复杂，仅通过实验室200W实验样机进行验证，功率波动降低至11%。
图22 多相供电轨道磁耦合机构
Fig.22 Magnetic coupers of multi-phase power supply rail
哈尔滨工业大学提出了三相线圈供电的解决方案，如图22b所示[84]。利用三相发射线圈在空间中产生平行于车辆行驶方向的行波磁场来提高输出稳定性。搭建实验样机实现了传输距离为30cm，输出功率为5kW，输出波动为±2.5%的功率传输。
除了具有输出稳定的优点，多相发射端结构还可以增大传输功率，但同时也会导致成本增加，电路组成增多和控制变复杂的问题。庞巴迪团队将三相系统用于轨道交通，实现了250kW功率传输[41]。
对于接收端，研究人员提出了多种多线圈接收端以解决供电单元内的输出波动问题。通过空间位置不同的线圈相互补偿移动过程中的输出零点，各组线圈分别整流后直接输出或分别经过DC-DC变换器后连接输出至负载。奥克兰大学采用BPP双线圈结构作为接收端，结合接收端控制实现了5kW近似恒定的功率输出[71]。西南交通大学采用DDQ(Double-D Quradrature)双线圈结构接收端，结合接收端控制实现了600W功率等级的恒定输出[85]。哈尔滨工业大学提出了多相接收端结构，其中四相接收端在不进行接收端控制下可以将输出波动降低至8%[86]。
表4对解决单段供电导轨内行进输出波动问题、提升输出稳定性的方法进行了总结。
表4 提升行进输出稳定性方法
Tab.4 The method of improving moving output stability
提升方法特点 多相绕组供电发射端结构大幅降低输出波动，近似恒定，提升输出功率；成本增加，电路组成增多，控制复杂 多线圈接收端结构提升输出稳定性和输出功率；仍存在较小波动，通过增加副边控制可以解决
车辆行驶的过程中，受路况和驾驶技术的影响，接收端不可避免地会相对于发射端发生横向偏移。随着偏移距离的增加，输出功率和传输效率均会降低。因此，提升接收端的偏移容忍度是磁耦合机构的关键问题之一。
由于阵列轨道结构可以理解为静态磁耦合机构在动态无线供电系统中的推广，因此，阵列轨道结构中提升偏移容忍度的方法与静态系统中的方法相同。常见的方法为使用多线圈接收端结构。奥克兰大学的研究团队提出了一种DDQ型接收端结构，如图23a所示[87]。该结构中，DD线圈和Q线圈分别在整流后串联。接收端偏移过程中，穿过DD线圈的磁场量减少，穿过Q线圈的磁场量增加，因此Q线圈可以补偿DD线圈中的功率跌落。此后，该团队提出了一种BPP型（Bipolar）接收端结构，如图23b所示[88]。
图23 提升偏移容忍度的多线圈接收端结构
Fig.23 Multi-coil receiver structures for improving misalignment tolerance
该结构与DDQ型结构具有相同的侧移容忍度，但用线量更少。
对于单极型长轨道结构，可以通过采用多相发射线圈或增加接收线圈宽度的方式来提升偏移容忍度。奥克兰大学的研究人员提出了一种三相单极型长轨道结构，如图24所示[89]。该结构中，三相发射线圈沿横向偏移方向铺设，产生与偏移方向平行的行波磁场来改善偏移容忍度，使最大偏移距离近似等于发射轨道宽度。然而，横向布置的三相发射线圈使得发射端宽度较大，且发射端两侧的漏磁辐射严重。此外，三相发射线圈之间的相间互感并不平衡，使得各相发射端之间存在能量耦合。
图24 三相单极型长轨道结构
Fig.24 Three-phase unipolar long track magnetic coupler
横向布置的双极型长轨道结构具有较差的偏移容忍度，目前更多地应用于轨道交通等无需考虑接收端偏移的场景中。由于这类结构的主磁路方向在XOZ平面内，因此可以参考横向布置的双极型阵列轨道结构，使用DDQ等多线圈接收端结构来改善偏移容忍度。
而对于纵向布置的双极型长轨道结构，如Ⅰ型和S型等磁极结构供电轨道，目前共有三种方案来提升其偏移容忍度。
1）增加接收线圈的宽度
以Ⅰ型磁极结构供电轨道为例，图25给出了发射线圈产生的磁场在接收线圈所在的平面上沿偏移方向的分布情况。从图中可以看出，磁场主要集中在供电轨道的正方上区域，沿偏移方向，磁感应强度逐渐减小。
图25 偏移时穿过接收线圈的磁通变化量（轨道宽度固定）
Fig.25 Variation of the magnetic flux passing through the receiver coil when the receiver is misaligned（the width of the power supply rail is fixed）
图25中阴影部分表示穿过接收线圈的磁通变化量。对于图25a所示的宽接收线圈，当接收线圈发生偏移时，穿过接收线圈的磁场量变化量较小，故输出电压基本保持不变。而对于图25b所示的窄接收线圈来，在相同的侧移距离下，穿过接收线圈的磁场量变化较大，导致输出电压降低。因此，增大接收线圈的宽度可以有效地提升偏移容忍度，接收线圈的宽度越大，允许的偏移距离越大。
对于I型和S型等纵向布置的双极型长轨道结构，为了接收端的提升偏移容忍度，接收线圈宽度通常设计为发射端供电轨道宽度的数倍以上[35, 40]。
2）降低发射端供电轨道的宽度
图26给出了发射端供电轨道宽度不同时，发射线圈产生的磁场沿偏移方向的分布情况。
图26 偏移时穿过接收线圈的磁通变化量（接收线圈宽度固定）
Fig.26 Variation of the magnetic flux passing through the receiver coil when the receiver is misaligned（the width of the receiver coil is fixed）
从图26中可以看出，对于相同宽度的接收线圈来说，在相同的偏移距离下，发射端供电轨道越窄，穿过接收线圈的磁场量变化较小，输出电压的变化也越小。因此，减小发射端供电轨道的宽度同样可以增加最大偏移距离。KAIST提出的S型磁极结构供电轨道正是通过降低发射端供电轨道的宽度的方式来提升偏移容忍度的[40]。
然而，由图26可知，减小发射端供电轨道的宽度同样会降低发射线圈和接收线圈之间的互感，使得输出电压降低。
3）使用横向布置的多线圈接收端结构
KAIST的研究人员提出了一种自解耦的双线圈接收端结构（self-decoupled dual receiver coils）来改善偏移容忍度[90]。图27a和图27b分别给出了该接收端的结构示意图和等效电路。
图27 KAIST提出的自解耦接收端
Fig.27 The self-decoupled dual pick-up coils proposed by KAIST
自解耦的双线圈接收端使用了两个并联的接收线圈，其工作原理如图27c所示。在接收端偏移的过程中，始终由感应电压更高的接收线圈工作，而另一个接收线圈不工作。通过两个接收线圈的整流后并联来提升接收端的偏移容忍度。然而，该接收端需要使用两组整流桥装置，且同一时刻只能有一个接收线圈工作，因此该结构中接收线圈的利用率较低，这增加了系统成本[91]。
表5对提升偏移容忍度的方法进行了总结。
表5 提升偏移容忍度的方法
Tab.5 The method of improving misalignment tolerance
结构类型提升偏移容忍度的方法 阵列轨道使用DDQ和BP等多线圈接收端结构 单极型长轨道增加接收线圈宽度；使用多相绕组供电发射端结构 双极型长轨道（横向布置）使用DDQ和BP等多线圈接收端结构 双极型长轨道（纵向布置）增加接收线圈宽度；降低发射端宽度；使用横向布置的多线圈接收端结构
综合目前电动汽车动态无线供电系统中磁耦合机构的研究现状，可以看到各方面均已有较多研究和解决方案。但这项技术实现产业化的进程才刚刚起步，磁耦合机构仍存在许多关键问题亟待解决，包括以下几个方面：
1）高效率。与传统有线充电方式相比，无线充电系统中增加了多级环节导致系统效率下降。而动态无线供电系统由于工作时发射端导轨尺寸通常大于接收端，效率进一步降低。磁耦合机构的损耗占据了系统能量损失的主要部分，需要从多个方面研究减小损耗的方法，如材料角度，采用可以降低损耗或提升耦合性能的新型磁心材料或绕组线材；结构和参数优化角度，对磁心和线圈优化设计提升耦合性能，降低损耗。实现高效率磁耦合机构可以有效提升充电效率，降低能量损失并减小温升，促进动态无线供电技术的实际应用。
2）低成本。磁耦合机构占据了动态无线供电系统建设成本的主要部分，通常由铁氧体磁心和绕组利兹线组成。由于供电路段均需要铺设发射端导轨会导致较高昂的前期基础建设投入。而在设计时为了实现更高的传输功率，通常采用增加磁心、匝数等方式，这会导致成本进一步增高。因此需要通过研究磁耦合机构的结构形式和参数设计方法来降低材料使用量，进而提升系统建设的经济性。
3）高功率密度。磁耦合机构的功率密度可以分为发射端和接收端功率密度。发射端功率密度反映了磁耦合机构对道路的影响，通过发射端导轨面积或体积功率密度体现；接收端功率密度反映了磁耦合机构对车辆的影响，通过接收端线圈面积、体积或质量功率密度体现。在进行设计时为了提升传输性能，通常采用增大耦合面积或采用多线圈结构的方式，这会导致尺寸、重量增加，对车辆和路面影响增加。因此，需要通过研究磁耦合机构的结构设计提升功率密度，为动态无线供电技术的推广应用提供必要条件。
4）输出稳定性和侧移容忍度。与静态无线充电系统中车辆在固定位置静止充电不同，动态无线供电系统中车辆在行进过程中充电，接收端与发射端供电线圈的相对位置可能发生纵向和横向水平偏移或旋转偏移，导致输出波动和功率跌落；由于磁耦合机构结构特性，如纵向布置的双极型结构，在行进方向上存在固有输出波动；此外，由于固有参数，如电感、电容可能受外界环境影响发生变化，导致系统谐振状态和输出功率受到影响，产生波动。因此需要考虑上述不同情况，研究能够降低输出波动、提升输出稳定性、提高偏移容忍度的磁耦合机构结构和参数设计方法。
5）互操作性。随着静态无线充电技术相关标准的出台和未来商业化应用的推广普及，用于动态无线供电系统的磁耦合机构需要考虑与标准中结构具备互操作性。需要研究基于标准互操作性的磁耦合机构结构形式和设计方法。此外，不同于静态充电一对一的模式，动态供电系统存在同一路段对多个负载、不同功率等级负载、不同结构负载供电的可能性，因此需要分别研究发射端和接收端具备互操作性的结构和相应设计方法，具体为：对于发射端，需要研究满足不同（结构形式、尺寸）接收端、不同功率等级负载时的结构和参数设计方法；对于接收端，需要研究可以应用于已建设发射端结构、并满足车辆负载要求的结构和相应设计方法。
6）电磁安全性。由于发射端产生的高频交变磁场不能与接收端完全耦合，会对周围环境造成影响。保证环境的电磁安全性是动态无线供电技术实现应用的前提。磁耦合机构可以分别从电磁发射源和传播途径两个方面实现屏蔽保护，如在源头增加屏蔽线圈或在传播途径增加屏蔽材料（铁氧体、铝）。但额外增加的电磁安全防护装置势必会对系统能量传输性能产生影响，并造成成本增加。因此需要研究如何在保证环境电磁安全性的同时减少对原有系统的影响，实现安全、可靠、经济的电磁安全防护。
本文对电动汽车动态无线供电系统的发展历程进行了全面回顾，对动态无线供电系统中磁耦合机构进行了系统分类并就其特点进行了详细分析，重点分析了磁耦合机构目前研究的关键问题及主要解决方案。最后讨论了面临的关键问题。主要结论如下：
1）动态无线供电技术仍处于实验室研究和小规模实验示范线路建设阶段，建成系统中功率等级在20～30kW范围内，传输距离在20～30cm之间。该功率等级下，系统效率在70%～91%之间。
2）动态磁耦合机构可以分为单极型阵列轨道、单极型长轨道、横向双极型阵列轨道、纵向双极型阵列轨道、横向双极型长轨道和纵向双极型长轨道六种结构，其中单极长轨道结构成本低，纵向双极长轨道结构综合性能优。
3）磁耦合机构目前研究的关键问题集中在高性能磁耦合机构构型、分段导轨过渡稳定性、行进输出稳定性以及偏移容忍度等方面。
4）在动态无线供电技术实现产业化的进程中磁耦合机构还面临较多关键问题亟需解决，包括效率、成本、功率密度、稳定性、偏移容忍度、互操作性和安全性。
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Overview of Magnetic Coupler for Electric Vehicles Dynamic Wireless Charging
Abstract Wireless charging technology for electric vehicles effectively improves the convenience and safety of charging. Dynamic wireless charging technology realizes the “charging while driving” of electric vehicles. The range anxiety can be solved through real-time power supply, and then the vehicle battery capacity can also be reduced. Magnetic coupler is the key component of wireless power transfer in dynamic wireless charging system, which directly determines the transmission characteristics of the system. Therefore, it has become the focus of researchers. Firstly, this paper introduces the development of dynamic wireless charging system for electric vehicles. Then, combined with the classification of magnetic couplers, the main structure types and characteristics of the current research are analyzed. And the key issues and research status of magnetic coupler are introduced in detail. Finally, the issues of magnetic coupler which need to be studied in the future are discussed.
keywords：Electric vehicles, wireless power transfer, dynamic wireless charging, magnetic coupler
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201543
中图分类号：TM 724
国家电网公司总部科技项目（5200-201940251A-0-0-00）资助。
收稿日期 2020-11-21
改稿日期 2021-03-11
崔淑梅 女，1964年生，教授，博士生导师，研究方向为电动汽车无线供电技术及电机系统。E-mail：cuism@hit.edu.cn
宋贝贝 男，1993年生，博士，研究方向为电动汽车无线供电技术。E-mail：songbei_mt@126.com（通信作者）
（编辑 郭丽军）