電動汽車無線充電技術(WCT)是一種應用于電動汽車充電的非直接接觸式電能傳輸技術，具有運行安全、充電智能、配置靈活等優點。

本文對電動汽車無線充電技術體系、類別與技術特點進行了綜述。其研究熱點包括：電力電子拓撲結構、磁耦合元件結構、能量傳輸水平、建模思路、生物安全等，對上述熱點問題研究進展進行了匯總。概述了相關汽車企業與實驗室的實用化成果。

該技術未來發展趨勢包括：電力電子拓撲結構與控制算法的創新與優化、生物安全以及新材料應用等，而應用趨勢則包括：行進狀態充電、輔助駕駛和 V2X（車輛到電網（Vehicle-to-Grid，V2G）﹑車輛到住宅（Vehicle-to-Home，V2H）等雙向電能傳輸等。

本文來自 2015 年 12 月 15 日出版的《汽車安全與節能學報》 ，作者是清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室的高大威、王碩和楊福源。

近些年，電動汽車無線充電技術（Wireless Charging Technology，WCT）得到了越來越多的關注。無線充電系統不含外漏端口，無需人工操作，不占據地上空間，能夠實現靜止狀態和行進狀態充電，因而其相對于有線充電方式，具有運行安全、充電智能、方案配置靈活等優點，并且有望降低電動汽車蓄電池用量和整車質量 [1]，減少能源消耗。

無線充電技術能夠實現一定空間距離的高效非直接接觸電能傳輸。1893 年科學家 NikolaTesla 在哥倫比亞世博會上首次采用無線電能傳輸方式，點亮了磷光照明燈 [2]，其后，無線電能傳輸技術在交通領域成為研究熱點。1894 年 M.Hutin 獲得了一項軌道交通無線充電系統專利[3]。1974 年 D.V.Otto 提出了一種充電電流為 2000A，頻率為 10 kHz 的電動汽車無線充電系統設計方案 [4]。美國勞倫斯伯克利國家實驗室在 1976 年和 1992 年開展了兩項無線充電研究工作，分別測試了功率 8 kW 和 60 kW 的可移動式充電汽車 [5-8]，雖然未能真正商業化應用，但在其后，無線充電技術在汽車行業得到迅速發展。2008 年無線充電聯盟「Qi」標準的制定，標志著無線充電技術真正進入商業化運營模式 [9]。而在中國，2013 年 12 月，東南大學成功研制出了充電功率達 3 kW 的無線充電電動汽車[10]。

電動汽車無線充電技術屬于無線電能傳輸技術的一種，在技術需求方面具有以下特殊性：

功率等級：幾千瓦到幾十千瓦，且充電時間較短，因此要求充電系統容量較大；

充電間距：垂直方向 15 ~ 45 cm [11]，水平方向偏移量應大于 15 cm，傾斜方向應保證側傾角裕度達到 15°；

充電效率：通常來講，電網到車載電池的充電效率需大于 85% 才具有實用價值；

系統尺寸與質量：考慮到汽車底盤體積、承載能力、輪距，以及無線充電系統比功率等因素，系統橫向尺寸應在 40 ~ 80 cm 之間，質量應該在 50 kg 以內 [12-14]；

數據通訊：為了實現充電系統的自動運行和充電參數的智能調節，同時配合自動泊車等輔助駕駛技術的實現，系統應具有數據通訊功能。

隨著電力電子技術、蓄電池技術以及電動汽車整車技術的進步，無線充電技術在近些年得到了迅速發展，并展現出較強優勢。本文將從技術體系、類別和技術特點等方面對電動汽車無線充電技術進行總結和提煉，分析電力電子拓撲結構、磁耦合元件結構、能量傳輸特性、系統建模思路、生物安全等熱點與難點問題研究現狀，匯總各大汽車企業和相關研究機構無線充電技術最新研發進展，并從技術和應用角度對未來發展趨勢進行展望。

1 電動汽車無線充電技術體系、分類與特點

1.1 電動汽車無線充電技術體系

圖 1 電動汽車無線充電系統結構

電動汽車無線充電系統通常分為供電和受電兩部分，其系統結構如圖 1 所示。

圖 2 電動汽車無線充電系統技術體系

電動汽車無線充電系統的本質是電能的變換與控制，可靠、高效、安全是基本要求。無線充電技術基于電力電子拓撲結構優化與協調控制、電磁能量傳遞生物安全和多源能量雙向耦合管理三個科學問題，依托電路設計與參數匹配優化、EMC 與輻射安全防護、非線性系統分析與控制、車輛相關技術等技術支撐，形成了電力電子、電磁場、車輛相關理論、電化學、非線性系統控制、數據通信等多學科交叉，相互影響、深度耦合的技術體系，如圖 2 所示。

1.2 類別與性能特點

圖 3 無線電能傳輸技術類別

無線電能傳輸方式包含遠場區傳輸和近場區傳輸兩大類，如圖 3 所示。

1.2.1 遠場區

遠場區是距場源 2D^2/λ+λ 以外的區域[15]，其中 D 為發射線圈最大直徑，λ 為電磁波波長。在遠場區，輻射場起主導作用，電磁波可近似看作平面波，工作頻率高于 300 MHz，可以采用 Maxwell 方程來分析該類系統，但由于天線尺寸與波長相當，因此不能采用集總參數方式分析工作過程，根據其原理不同，遠場區無線電能傳輸技術可分為微波式和激光式。

微波式無線電能傳輸技術可實現遠距離傳輸和小型化設計，但是由于輻射功率與傳輸距離的平方成反比，且遠場大功率傳輸受法律制約[16]。因此，該技術一般被應用于小功率、遠距離設備，如射頻識別卡等，而大功率微波式無線充電只在特殊行業應用，如軍事或航天領域 [17-18]，不宜用于車輛的無線充電系統。

激光式無線電能傳輸技術可實現更長距離電能傳輸以及更小尺寸設計，且對周圍環境電磁干擾較低，但是轉化效率低，且大氣吸收和散射會產生額外損耗，在幾百 W 傳輸功率下，傳輸效率低于 25%[19-20]，同時對人體有傷害，因此其應用局限于軍事和航天領域，也很難用于電動汽車無線充電系統。

1.2.2 近場區

近場區是距場源 2D^2/λ+λ 以內的區域，包含輻射近場區和感應近場區，其分界邊界為 0.62(D^3/λ)^0.5。近場工作頻率范圍為 10 kHz~100 MHz，可采用 Faraday 電磁感應定律分析該類系統，由于發射與接收設備尺寸大多小于 λ/10，因此適用于集總參數法。根據耦合方式不同，近場無線電能傳輸技術可分為磁場耦合式和電場耦合式兩類，而根據是否發生諧振，磁場耦合式又包括感應耦合式和磁諧振耦合式兩類。目前，近場電能傳輸技術被車輛無線充電系統廣泛采用。

感應耦合式無線充電機理類似于無補償電路的可分離變壓器 [21]，由于發射線圈與接收線圈間氣隙較窄，且線圈依附鐵磁性材料，因此耦合系數通常高于 0.5。該技術線圈間互感相對漏感較強，近距離傳輸效率較高，但對于距離非常敏感，不適于稍遠距離的無線充電，同時由于鐵磁性材料的存在，其繞組尺寸與質量較大，高頻下鐵損較高。因此，該方案適合于充電距離小于線圈尺寸的低頻工作范圍。

磁諧振耦合式無線充電系統是基于磁場諧振耦合機理實現中等距離（一般為線圈尺寸數倍）無線充電的技術方案。相對于感應耦合式無線充電技術，其顯著特點為電路拓撲結構中具有調諧網絡，能夠實現漏感補償和頻率調諧，提高傳輸距離，且當充電路徑中的障礙物離線圈距離較遠時，不會對無線充電產生顯著影響 [22]。2007 年麻省理工學院（MIT）的 Marin Soljacic 教授團隊利用該技術實現了距離 2m、功率 60W 的傳輸，線圈間傳輸效率可達 40% ~ 50% [22]。由于其在充電距離、充電效率和電磁輻射方面的顯著優勢，近幾年成為研究熱點。

電場耦合式無線電能傳輸系統發射端和接收端分別連接金屬平板 [23-24]，且為提高其傳輸效率，平板材料需采用高介電常數電介質。由于電場被限定于平板間氣隙內，因此對外界電磁干擾較低 [25]，但是為了實現高效電能傳輸，平板間距需要很小，平板面積需要很大，并且對補償電感值要求較高，因而高頻下銅損和鐵損較高，技術可行性較低。2012 年日本豐橋技術科學大學針對 1/32 的實車模型開展了相關研究，但該技術未實現商業化應用 [26]。

各類無線電能傳輸技術性能對比在表 1 中列出，通過比較可以發現，在傳輸距離、體積、質量和成本等方面，磁諧振耦合式以及感應耦合式電能傳輸技術相對其他無線電能傳輸技術具有顯著優勢，更適合于電動汽車大氣隙（15 ~ 45cm）、高效率（>85%），大功率（kW 級）的無線充電技術需求。

表 1 各類無線電能傳輸技術性能對比 [15-16,21,27-28]

2?電動汽車無線充電技術研究熱點

2.1?電力電子拓撲結構與工作特點

圖 4 典型電動汽車無線充電系統電力電子拓撲結構及電能表現形式

電動汽車無線充電系統工作目標是將電網中的電能傳輸到車載蓄電池中，因此其電源端與電網相連，負載端與車載蓄電池相接，傳輸環節電力電子拓撲結構及電能表現形式如圖 4 所示。其電能傳輸過程包括有線傳輸和無線傳輸兩部分。

在電能的有線傳輸環節中（圖中黑色線路），電網中的交流電通過電磁干擾濾波器濾除雜波，進入整流器，變為直流，功率因數校正單元能夠提高功率因數，改善電能質量，而功放電路則能夠將直流電變為高頻交流電，進而通入由調諧網絡和勵磁線圈組成的 LC 諧振電路中形成正弦交流電，同時在勵磁線圈周邊空間形成高頻交變磁場。而在接收端，負載線圈中感應出的交流電流經過整流和濾波，流入蓄電池中，為蓄電池充電。

在電能的無線傳輸環節中，通過感應耦合方式，勵磁線圈產生的高頻交變磁場在距其最近的發射線圈中感應出交流電流，接收線圈也在距其最近的負載線圈中感應出交流電流，各環節中交流電流頻率均相同；而通過磁諧振耦合方式，自振頻率相同的發射線圈與接收線圈實現了高效耦合，從而保障了電能的中等距離傳輸。

值得注意的是，電動汽車無線充電系統中的電力電子拓撲結構與有線式充電樁主電路拓撲結構相似，其區別在于后者將無線傳輸環節中的線圈結構變為了變壓器結構，從而使發射端電路與接收端電路通過變壓器實現物理連接，再經過整流濾波后接入電動汽車充電插口。

針對電力電子拓撲結構，國內外研究點主要集中在功放電路和調諧（補償）網絡兩方面。

表 2 功放電路拓撲結構比較

現有研究中，用于電動汽車無線充電系統的功放電路拓撲結構主要包括全橋逆變電路和E型功放電路，其拓撲結構及優缺點在表 2 中列出。

圖 5 調諧網絡拓撲結構不同組合

調諧網絡用于連接變換器與線圈，降低無用功，提高電能傳輸效率。根據調諧網絡結構不同，可將其分為 5 種，分別為 S、P、CC、LC（CL）和LCC（CCL），其電路結構及現有研究中發射端與接收端主要組合方式在圖 5 中已給出。

對于發射端：

S 型拓撲輸入阻抗較低，適用于大功率器件，且易實現電壓反饋調節；

P 型拓撲諧振頻率與耦合系數、負載相耦合，易受擾動，且輸入阻抗較大，因此實際應用較少；

CC 型拓撲能夠提高線圈間的橫向偏移裕度 [36]；

LC 型拓撲能夠獲得較高功率因數，從而提高電能傳輸效率；

而 LCC 型拓撲則能夠進一步降低開關損耗，實現輸出電流與負載解耦，增加電路功率因數，從而降低控制難度，提高電能傳輸效率。

但是電路結構愈復雜，其成本和體積也越大，電路參數匹配難度越高。

對于接收端，S 型拓撲能夠輸出平穩電壓，P 型拓撲則能夠輸出平穩電流，而以 P 型拓撲為基礎衍生出來的 CC 型、CL 型和 CCL 型拓撲則能進一步實現輸出電流與負載的解耦，提高輸出功率可控性，有助于實現較高功率因數，使其成為理想電流源，進而提高系統的傳輸功率。同時，從圖 5 可知，目前仍有多種組合拓撲結構未開展研究。因此，調諧網絡拓撲結構和組合方式有待開展更深入的探索工作。

2.2?磁耦合元件結構

磁耦合元件是電動汽車無線充電系統中實現電能與場能相互轉化的元件，通常由高電導率部件和高磁導率部件組成。高電導率部件是電能的導體，考慮高頻下的趨膚效應和鄰近效應，通常選擇銅管或利茲線繞制；高磁導率部件是場能的載體，構成磁路的一部分，可提高發射端與接收端耦合系數，降低磁場在汽車金屬部件內引起的電渦流損耗，增強系統功率密度，通常可選用鐵氧體材料。磁耦合元件發射端通常固定，而接收端則有固定式和移動式兩類。

2.2.1 固定式磁耦合元件

固定式結構通常包含兩類，一類是平板式，即將螺旋線圈平行布置在鐵磁性材料上；另一類是圓柱式，即將螺線管式線圈繞在鐵磁性材料上，前者在實際中應用較為廣泛。

圖 6 奧克蘭大學單側多線圈平板式磁耦合元件 [45-46,50]

在平板式磁耦合元件設計中，新西蘭奧克蘭大學以及國內東南大學研究團隊 [49] 等都有相關研究成果，奧克蘭大學 J.T.Boys 教授團隊的研究成果具有代表性，他們起步于 20 世紀 90 年代，并分別在 2009 年和 2013 年提出了第 1 代和第 2、3 代平板式磁耦合元件結構 [45-46,50]，如圖 6 所示。

由于基體為鐵氧體，此類耦合元件通常較脆，需要用軟塑料或橡膠材料填充其縫隙，并用鋁板包裹側邊和背面，以降低電磁輻射。從結構上講，圓形充電平板可以允許汽車從任何一個方向靠近，位置較為靈活，而矩形平板則能提供更大的耦合面積。分析顯示，采用 DD 形平板作為發射平板，安裝在地面，DDQ 或 BP 形平板作為接收平板，安裝在汽車底盤能夠取到最理想的充電效果 [50]。

2.2.2 移動式磁耦合元件

對于移動式磁耦合元件，發射端通常為一條固定在路基的通電長直軌道，或由多個沿道路串行布置的磁耦合元件構成，接收端則是安裝在汽車底部的平板式耦合器。

當汽車沿路面駛過，車載平板式耦合器中激發出電流，為車載蓄電池充電，從而實現行進狀態充電。基于軌道供電的行進狀態充電最早是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室開展實車試驗 [51]，加拿大龐巴迪公司的三相式軌道供電列車 [52-53] 以及 Ross 提出的充電平板分布式移動充電方式 [54] 也具有一定可行性。

圖 7 韓國科學技術院 OLEV 無線充電電動汽車軌道方案 [57-59]

在國內，重慶大學 [55] 和天津工業大學 [56] 也分別針對行進中的電動汽車和高速列車提出了無線供電方案。而在已經商業化的產品中，韓國科學技術院（KAIST）ChunT.Rim 教授團隊研究的在線式電動汽車（On-line Electric Vehicle，OLEV）[57-59] 具有代表性，其無線充電設計方案演變過程如圖 7 所示。

2.3 能量傳輸特性

電動汽車無線充電系統能量傳輸技術指標主要體現在 3 個方面，即傳輸功率（單套磁耦合元件能夠傳輸的最大功率）P、傳輸距離（耦合器間距）S 和傳輸效率 η，而與之相關的參數又包括無線充電系統工作頻率 f、耦合面積（磁耦合元件最大平面面積）A、偏移裕度 ε（水平方向偏移長度除以耦合元件橫向最大外徑）等。國際范圍內各研究機構在電動汽車無線充電技術領域實現的能量傳輸指標如表 3 所示

表 3 電動汽車無線充電能量傳輸水平

基于統計結果繪制了相關特性影響因素和發展趨勢如圖 8、圖 9 所示。圖 8 為傳輸效率隨耦合器面積與傳輸距離比值的變化趨勢。圖 9 展示了無線充電系統頻率與功率隨時間的變化趨勢。

圖 8 耦合器面積和傳輸距離對效率的影響

由圖 8 可知，隨著耦合器面積與傳輸距離之比的增加，傳輸效率總體趨于增大，這主要與耦合系數增大相關，而近些年隨著相關技術的進步，實現了同等傳輸效率下，更小耦合器面積和更遠距離的傳輸。

圖 9 工作頻率與傳輸功率限值

從圖 9 中可以獲得 3 個方面的信息：

1）大部分研究成果工作頻率集中在 20 kHz 和 100 kHz，這主要與電磁輻射限值和電力電子器件工作頻率相關；

2）從全局來看，隨著頻率的增加，傳輸功率在下降，其主要與電力電子器件技術發展水平有關；

3）隨著時間的推移，功率與頻率的乘積（P_out*f）在上升，其值也表征了商業化電力電子器件技術水平的提高。

不同時間段對應的平均值如表 4 所示。

表 4 不同時段功率與頻率乘積平均值

由表 4 可知，在 2005 到 2015 的十年間，功率與頻率的乘積增長了 7 倍左右，且有繼續增長的趨勢，而這種增長趨勢表征無線充電設備正在向高功率密度、大傳輸距離和小型化方向發展。

2.4 系統建模

電動汽車無線充電系統模型包括互感模型 [62-63]，耦合模模型 [22]，散射矩陣模型 [64]，帶通濾波器模型 [65] 等。其中，國內外多數理論研究以互感模型和耦合模模型為主。

2.4.1 互感模型

圖 10 磁諧振耦合式無線充電系統等效電路 [63]

基于電路理論，磁諧振耦合式無線充電系統可統一等效為圖 10 所示電路模型。考慮到中間傳輸環節存在多線圈結構，因此，設定線圈總數為 n。當各線圈自振頻率相同時，傳輸阻抗最小，系統耦合程度最高。

根據 Kirchhoff 電壓定律，等效電路數學模型用如下公式表示：

在諧振狀態下，線圈感抗與容抗相互抵消，即 jωL_i = -1/( jωC_i)，阻抗虛部為零，系統傳輸 效率 η 可定義為輸出功率 P_L 與輸入功率 P_in 的比值，I_i 為線圈 i 的有效電流值，則：

同時，通過求解等效電路數值模型，可以計算得到系統功率特性與效率特性，進而可以優化性能參數。

2.4.2 耦合模模型

耦合模理論是一種重要且準確的用于描述高頻波動振蕩或傳輸特性的解析方法，可用于研究兩個或多個電磁波模式間相互耦合的規律。以兩線圈強耦合磁諧振式無線充電系統為例，從耦合模理論出發，其數學模型 [66] 可表示為：

滿足如下假設條件：1) 諧振頻段足夠窄；2) 系統整體表現是由相互存在耦合的孤立單元組成，這種耦合只會對每一個單元的運行狀態產生微小的擾動，而耦合系統的整體表現是由獨立單元的微擾疊加而來。則可以得到如下系統整體效率表達式 [22]：

式中：下標 S、D、W 分別代表發射線圈、接收線圈和負載線圈。在存在激勵源的條件下，帶入耦合系數，可以進一步求解系統傳輸性能。

2.5 生物安全性研究

由于電動汽車無線充電系統工作在高頻下，電能與場能不斷交替轉化，在周邊區域激發高頻交變電磁場，因此其電磁輻射水平是否對生物安全產生影響，對于該項技術的推廣應用至關重要。電氣與電子工程師協會（IEEE）制定的《處于射頻電磁場 3 kHz ~ 300 GHz 的人體安全等級》標準 [67] 和國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）制定的《限制時變電場、磁場和電磁場暴露的導則（1 Hz 到 100 kHz 或 300 GHz 以下）》[68-69] 規定了高頻設備周邊電場與磁場強度的限值。

圖 11 無干擾情況下電場與磁場強度的公眾曝露控制限值

針對電磁能量水平不同，考慮我國實際情況，中國可按照《電磁環境控制限值》（GB 8702-2014）規定的公眾曝露控制限值作為電動汽車無線充電系統輻射限值標準。各類標準對于電場強度（E）和磁場強度（H）的不同限值示于圖 11。

由圖可知，對于現有電動汽車無線充電技術工作頻率范圍（100 MHz 以內），頻率越高，控制限值越低，并且我國的限值要求相對國際標準更為嚴格，因此對電動汽車無線充電系統的電磁輻射安全性要求更高。

圖 12 基于人體模型的 SAR 值仿真研究 [72]

針對電動汽車無線充電系統電磁輻射生物安全性，Wu H.H 等人對 Witricity 系統做過相關電磁場強度分析 [13]，測試了無線充電系統工作時，附近區域人體膝蓋，腹股溝，胸部和頭部的磁場強度；O.C.Onar 等也做了相似的研究，他們測試了一輛電動汽車無線充電過程中，駕駛員一側前輪、地板、座椅和頭枕部位的磁場強度[14]；A.Christ 等人基于成人和兒童的人體解剖模型，測量了不同矢狀面的電磁波比吸收率（Specific Absorption Rate,SAR），分析了四線圈式充電系統的輻射對人體的影響 [70-72]，如圖 12 所示。

而關于電磁輻射防護方法，現有研究理論中包含主動防護和被動防護。主動防護方法包括加入電磁干擾防護線圈 [73-74]，以及用容性線圈代替自諧振線圈，降低諧振頻率等 [66]，而被動防護主要依賴于鐵磁性材料和其他具有較好電磁屏蔽性能材料的應用 [75-86]。

3. 實用化相關成果

3.1 各大汽車企業無線充電技術研發進展

在國際范圍內，針對電動汽車無線充電系統，各大整車企業也在加緊開展技術研發和產品推廣：

豐田、日產和本田等多家汽車公司聯手美國 Witricity 公司，開發了 WiT-3300 平板式無線充電系統，其整體傳輸功率為 3.3 kW，傳輸效率達 90%，可在100~200 mm 范圍內進行充電 [87]，而該產品將在 2015 款英菲尼迪LE豪華電動汽車和 2016 款 PRUIS 裝配 [88]；

寶馬 i8 系列車型裝備了高通公司的 Halo 無線充電產品[89]，他們的 DD 型充電平板在 20 kHz 工作頻率下能夠實現 3~20 kW 的功率傳輸，而適用于汽車行進狀態充電的產品能夠實現間距在 250~300 mm 范圍內 20~30 kW 的功率傳輸 [90]；

汽車零部件制造商博世（Bosch）則與美國Evatran公司合作推出了 Plugless L2 無線充電系統 [91]。該產品可無線充電，能輔助駕駛員自動泊車，將裝配日產 Leaf 和雪佛蘭 Chevy Volt 兩款車型 [92]；

德國康穩（Conductix）[93]、加拿大龐巴迪（Bombardier）[94-98]、美國宇航局艾姆斯研究中心（NASA Ames Research Center）[99]、美國 HEVO Power 公司 [100] 和美國 WAVE 公司 [101] 也紛紛推出了移動交通無線充電產品。

在國內，東風汽車公司聯手中興通訊，在湖北襄陽打造了中國第一條大功率無線充電公交示范線，充電功率達 60 kW [102]；蜀都客車也與中興通訊聯合推出了全國首個無線充電城市微循環公交解決方案 [103]；北汽新能源計劃在 2015 年下半年為 E150 EV 車型裝配無線充電設備 [104]。此外，宇通、長安、奇瑞等汽車制造商也紛紛投入無線充電技術研發行列。

3.2 實驗室裝置與樣機

在千瓦級電動汽車無線充電系統研究方面，國外研究機構主要包括新西蘭奧克蘭大學、韓國科學技術院、日本埼玉大學、美國橡樹嶺國家實驗室、美國猶他州立大學和美國密歇根大學-迪爾伯恩校區等。

新西蘭奧克蘭大學（University of Auckland）J.T.Boys 教授團隊起步較早，在 2000 年即提出了總傳輸功率 17 kW 的旅客輸送車設計方案，2009 年他們提出了功率 2 kW 的平板式磁耦合元件設計方案 [45]，并于 2013 年改進了磁耦合元件結構，提高了磁場覆蓋面積和偏移裕度，降低了制造成本 [46,50]，其充電平板可同時應用于靜止狀態充電和行進狀態充電；

韓國科學技術院（KAIST）ChunT.Rim 教授團隊的在線式電動汽車（OLEV）項目能夠使行進狀態的汽車從公路電網中攝取電能[58]，從 2009 年起他們陸續提出了五代設計方案，實現了200 mm 間距內單體 27 kW 功率的傳輸 [59]；

日本埼玉大學（Saitama University）在 2011 年測試了一種 H 型磁芯的線圈結構，實現了 7 cm 范圍內 1.5~3.0 kW 的功率傳輸[12]；

美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）分別于 2011 年和 2013 年提出了無鐵氧體和有鐵氧體的磁耦合元件，實現了單體 2.5 kW 和單體 3 kW 的能量傳輸 [14,29,70-71]，但前者體積較大，其磁耦合元件也能同時應用于電動汽車靜態和行進狀態充電；

猶他州立大學（Utah State University）Hunter H.Wu 等在 2012 年試驗了傳輸功率 5kW 的平板式磁耦合元件[13]，系統傳輸效率超過了 90%；

美國密歇根大學-迪爾伯恩校區（University of Michigan Dearborn）的 Chunting Chris Mi 教授團隊則分別在 2014 年和 2015 年設計并制作了單體功率 8 kW 和 5.6 kW 的平板式磁耦合元件，直流到直流傳輸效率均超過 95%[38,60]，其實驗裝置如圖 13 所示，該裝置能夠實現的功率與頻率的乘積值為目前最大。

圖 13 美國密歇根大學-迪爾伯恩校區無線充電實驗裝置 [38]

在國內，東南大學、重慶大學、哈爾濱工業大學和中科院電工研究所等，也均開展了適用于電動汽車 kW 級功率需求的無線充電裝置設計與研發工作。

東南大學在雙中繼線圈無線充電系統設計與效率優化方面開展了較多研究 [49]；

重慶大學提出了電動車在線供電系統配電方案 [55]，解決了一些電動汽車無線充電系統實用化問題；

哈爾濱工業大學利用高磁導率平板磁芯繞組，設計了 1.85 kW 無線電能傳輸系統 [105]；

中科院電工研究所提出了基于電容優化實現無線充電系統傳輸效率和水平偏移裕度提升的系統設計方案 [11,30]。

4. 發展趨勢

4.1 技術發展趨勢

1）電力電子拓撲結構與控制算法的創新與優化。無線充電系統性能的進一步提升，很大程度上依賴于功放電路和調諧（補償）網絡的創新性設計與優化，更需要控制方法的改進。研發出具有高功率因數，低輸入阻抗和低匹配難度的電力電子拓撲結構，提出更加精確和穩定的控制方法，對于提升無線充電系統偏移裕度、電路工作穩定性和電能傳輸效率具有重要意義；

2）電磁能量傳遞生物安全。生物安全性是公眾關注的重要問題，無線充電系統的推廣與應用需要探索更具智能性和通用性的電磁輻射安全主動防護方法；

3）新材料的引入與無線充電約束機制的改善。引入磁導率、電導率等參數更加優越的先進材料，有助于降低系統損耗，提升電能傳輸效率，近些年，超常規電磁材料（左手材料）[106]、磁電層狀復合材料 [107]、超導材料 [108] 等新材料的出現與應用，為充電過程能量損耗的進一步降低提供了可能，也為無線充電系統傳輸性能提升創造了空間。

4.2 應用趨勢

1）汽車行進狀態充電技術。電動汽車發展瓶頸之一是蓄電池能量密度較低，存儲能量較少，而汽車行進狀態充電技術，將電能發射線圈直接布置在道路基面以下，能夠為行進中的汽車充電，從而使汽車行駛消耗的電能得到及時補充，延長汽車續駛里程；

2）輔助駕駛技術。將無線充電與自動泊車、自動巡航等輔助駕駛技術相結合，提高整車駕駛性能以及無線充電效果；

3）V2X（車輛到電網（Vehicle-to-Grid，V2G）、車輛到住宅（Vehicle-to-Home，V2H）等）雙向電能傳輸。電動汽車與電網智能雙向融合，能夠發揮削峰填谷的電能調控作用，使電動汽車真正成為智能化移動蓄能裝置，充分發揮電動汽車的性能。

5. 總結

本文綜述了目前電動汽車無線充電技術研究現狀，在對無線充電技術體系、類別和技術特點進行總結和提煉的基礎上，概述了當前的研究熱點，包括：電力電子拓撲結構、磁耦合元件結構、能量傳輸特性、系統建模、生物安全等，匯總了各大汽車企業和相關研究機構無線充電技術研發進展。該技術未來發展趨勢包括：電力電子拓撲結構與控制算法的創新與優化、生物安全以及新材料應用等，而應用趨勢則包括：行進狀態充電、輔助駕駛和 V2X（車輛到電網（Vehicle-to-Grid，V2G）、車輛到住宅（Vehicle-to-Home，V2H）等）雙向電能傳輸等。

電動汽車無線充電系統是一種復雜非線性磁電耦合系統，其性能的進一步提升需要在本質科學問題與共性技術體系方面做出更加深入的分析和探索，歸納更具普遍意義的技術方案與控制策略。分析研究進展可以發現，目前仍有很多工程問題有待解決，因此未來幾年，電動汽車無線充電技術仍然是行業熱點。