近年來(lái)，由于傳統(tǒng)燃油車的廣泛使用，全球化石能源消耗加劇，環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)峻。電動(dòng)汽車由于其零排放、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。但由于車載電池容量限制導(dǎo)致的續(xù)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(dòng)汽車的推廣普及應(yīng)用。無(wú)線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展為上述問題提供了解決方案。

用于電動(dòng)汽車的無(wú)線能量傳輸技術(shù)主要可以分為靜態(tài)無(wú)線充電和動(dòng)態(tài)無(wú)線供電兩種。靜態(tài)無(wú)線充電替代傳統(tǒng)充電樁的有線方式進(jìn)行充電，去除了機(jī)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(dòng)態(tài)無(wú)線供電技術(shù)通過在地面下鋪設(shè)一定長(zhǎng)度供電線圈，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車不停車充電，與傳統(tǒng)充電樁接觸式充電和靜態(tài)無(wú)線充電等相比，可以有效延長(zhǎng)續(xù)航里程，緩解里程焦慮，降低搭載電池容量需求，同時(shí)使電池處于淺充淺放狀態(tài)可以延長(zhǎng)壽命，更具有技術(shù)的先進(jìn)性。

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由位于地面的逆變?cè)础l(fā)射端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射線圈以及車載的接收線圈、接收端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和接收端電能變換裝置組成。逆變?cè)赐ㄟ^發(fā)射端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后，在發(fā)射線圈中產(chǎn)生高頻正弦電流激勵(lì)，進(jìn)而在空間中激發(fā)對(duì)應(yīng)的高頻交變磁場(chǎng)；接收線圈在空間高頻磁場(chǎng)的作用下感生出交變電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)接收端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和接收端電能變化裝置后轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)闹绷麟妷合蛐旭傊械碾妱?dòng)汽車供電。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的作用為補(bǔ)償系統(tǒng)中的無(wú)功功率，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

發(fā)射線圈和接收線圈合稱為磁耦合機(jī)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)能量無(wú)線傳輸?shù)暮诵牟考苯佑绊懚鄠€(gè)系統(tǒng)特性，如輸出功率、傳輸效率、成本、側(cè)移容忍度以及電磁輻射等，是動(dòng)態(tài)無(wú)線供電的核心關(guān)鍵部件和研究重點(diǎn)。

圖1 電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

本文針對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)中磁耦合機(jī)構(gòu)目前的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，分別從磁耦合機(jī)構(gòu)的分類及特點(diǎn)和關(guān)鍵問題的研究現(xiàn)狀展開分析，最后對(duì)亟待解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論。

1 電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)發(fā)展歷程

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)發(fā)展歷程如圖2所示。動(dòng)態(tài)無(wú)線供電的概念最早出現(xiàn)在1894年的一項(xiàng)美國(guó)專利，如圖3所示。通過在圖3b中埋在地下的發(fā)射電纜E中施加交流電激勵(lì)，在空間中產(chǎn)生變化磁場(chǎng)。接收端G的繞組纏繞在鐵心上，在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，為電動(dòng)汽車的電機(jī)系統(tǒng)供電。圖3c所示為接收端鐵心起到的聚磁作用，增強(qiáng)了與發(fā)射端供電電纜間耦合。該專利中的一些內(nèi)容至今仍是設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)考慮的問題。

圖2 電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)發(fā)展歷程

圖3 第一個(gè)道路供電汽車專利

約100年后，由于20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)，電動(dòng)汽車受到研究人員越來(lái)越多的關(guān)注。1976年由勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了第一套道路電動(dòng)汽車（Roadway Powered Electric Vehicle, RPEV）的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)用于驗(yàn)證該項(xiàng)技術(shù)的可行性，實(shí)現(xiàn)了8kW的無(wú)線能量傳輸。1979年圣巴巴拉電動(dòng)巴士項(xiàng)目啟動(dòng)，開發(fā)了另一套R(shí)PEV樣機(jī)。

之后在1992年，加州大學(xué)伯克利分校在先進(jìn)交通和公路項(xiàng)目（PATH）中開發(fā)了第一套完整的用于巴士的RPEV 系統(tǒng)，如圖4所示。實(shí)現(xiàn)了在7.6cm傳輸距離下60kW的輸出功率，效率達(dá)到60%。但由于較高的建設(shè)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(cè)移能力，該系統(tǒng)并未能商業(yè)化。

圖4 第一套用于電動(dòng)巴士的RPEV系統(tǒng)

在此之后，更多的研究團(tuán)隊(duì)加入RPEV的開發(fā)中，該技術(shù)得到飛速發(fā)展。新西蘭奧克蘭大學(xué)從1988年起開始研究無(wú)線供電技術(shù)，在2002年提出了用于電動(dòng)單軌列車的動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)。隨后分別提出了三相蜿蜒型、雙相長(zhǎng)導(dǎo)軌型、DD陣列型等不同的系統(tǒng)方案。

同時(shí)還提出了多種應(yīng)用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的磁耦合機(jī)構(gòu)線圈方案和磁心結(jié)構(gòu)，得到了廣泛應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)還提出了由多個(gè)小功率線圈組成的RPEV系統(tǒng)方案，單個(gè)長(zhǎng)度比車輛長(zhǎng)度小很多來(lái)避免無(wú)車輛時(shí)不必要的供電，基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。但該方案待考慮的內(nèi)容還很多，如控制復(fù)雜性、實(shí)施方案以及建設(shè)成本等。

圖5 奧克蘭大學(xué)系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)示意圖

從2009年起，韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST）領(lǐng)導(dǎo)的在線電動(dòng)汽車（On-Line Electric Vehicles，OLEVs）項(xiàng)目在RPEV的研究和商業(yè)化中取得了大量先進(jìn)成果。至今已經(jīng)開發(fā)了五代OLEVs系統(tǒng)，在多個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試和商業(yè)化運(yùn)行，如圖6所示。該團(tuán)隊(duì)在高頻逆變器、低電磁輻射特性、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析、磁耦合機(jī)構(gòu)等方面展開了大量研究。

圖6 韓國(guó)OLEV建設(shè)情況

龐巴迪團(tuán)隊(duì)自2010年開始對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，主要用于有軌電車和公共汽車的無(wú)線充電。位于德國(guó)奧格斯堡的PRIMOVE有軌電車實(shí)現(xiàn)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(guó)凡爾賽建設(shè)一套輸出功率20kW的RPEV系統(tǒng)，充電時(shí)車速達(dá)到100km/h，如圖8所示。

圖7 龐巴迪PRIMOVE無(wú)線充電有軌電車

除此之外，國(guó)外還有多家研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)在RPEV的研究和應(yīng)用上開展了大量工作。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）自2011年開始對(duì)RPEV展開研究，實(shí)現(xiàn)了2.2kW 的功率傳輸，效率為74%。韓國(guó)鐵路研究院（KRRI）自2012年起開發(fā)高速列車的動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)，在5cm傳輸距離下實(shí)現(xiàn)了820kW的輸出功率，效率達(dá)到83%，測(cè)試時(shí)列車時(shí)速為10km/h。

西班牙恩德薩研究團(tuán)隊(duì)自2013年起參與了交通運(yùn)營(yíng)和道路感應(yīng)應(yīng)用車輛倡議聯(lián)盟項(xiàng)目（VICTORIA)，采用三重充電技術(shù)，包括傳統(tǒng)的插電式充電和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)。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(tǒng)。

圖8 高通動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)在動(dòng)態(tài)無(wú)線供電技術(shù)領(lǐng)域的研究起步相對(duì)較晚，但近年來(lái)發(fā)展速度較快。重慶大學(xué)于2003年開始研究動(dòng)態(tài)無(wú)線供電技術(shù)，2016年與南方電網(wǎng)合作建設(shè)完成國(guó)內(nèi)第一條動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)示范線路，如圖9所示。線路長(zhǎng)100m，最大輸出功率為30kW，效率為75%~90%。

圖9 重慶大學(xué)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)示范道路

江蘇同里新能源小鎮(zhèn)于2018年建設(shè)了世界首條“三合一”電子公路，如圖10所示。實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電、動(dòng)態(tài)無(wú)線充電以及無(wú)人駕駛?cè)?xiàng)技術(shù)的融合應(yīng)用。重慶大學(xué)、東南大學(xué)等單位聯(lián)合開發(fā)了其中的電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)。

圖10 江蘇同里“三合一”電子公路

哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對(duì)分段導(dǎo)軌式的動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)研究，提出基于多發(fā)射繞組并聯(lián)的供電方式及相應(yīng)的導(dǎo)軌控制策略。針對(duì)三相電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)展開研究，并搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了接收端移動(dòng)過程中穩(wěn)定功率輸出。

2018年哈工大與中國(guó)電力科學(xué)研究院聯(lián)合建設(shè)完成一條電動(dòng)大巴移動(dòng)式無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)路段，如圖11a所示。路段共長(zhǎng)180m，包含直道、彎道、上坡和靜態(tài)充電位以模擬不同應(yīng)用場(chǎng)合。單個(gè)接收模塊功率達(dá)到23kW，無(wú)線傳輸距離為21cm。2019年哈工大與宇通公司開始聯(lián)合建設(shè)電動(dòng)大巴動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)，如圖11b所示。功率等級(jí)80kW，供電路段長(zhǎng)100m，于2020年底完成。

圖11 哈工大參與建設(shè)的電動(dòng)大巴動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)

西南交通大學(xué)針對(duì)用于軌道交通的動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。研制了非接觸牽引供電軌道車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了12cm傳輸距離下100kW功率等級(jí)的能量傳輸。在2018年和2019年，分別提出了兩種高輸出穩(wěn)定性的三相動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)。天津工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了高鐵無(wú)線供電系統(tǒng)演示模型，對(duì)耦合機(jī)構(gòu)和效率分析展開系列研究。東南大學(xué)、中科院電工所等機(jī)構(gòu)也分別搭建了動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)原理樣機(jī)或演示系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2 磁耦合機(jī)構(gòu)的分類及特點(diǎn)

2.1 分類方式及特點(diǎn)

動(dòng)態(tài)磁耦合機(jī)構(gòu)一般可以根據(jù)其發(fā)射端和接收端延長(zhǎng)度方向（車輛行進(jìn)方向）的尺寸關(guān)系被分為長(zhǎng)軌道型（Long Track）結(jié)構(gòu)和陣列型（Short-individual Transmitter）結(jié)構(gòu)。其中，長(zhǎng)軌道型磁耦合機(jī)構(gòu)的發(fā)射端線圈長(zhǎng)度大于接收端線圈，車輛行駛在發(fā)射端上方時(shí)可以持續(xù)供電，無(wú)需頻繁地切換控制。這種結(jié)構(gòu)電路組成少，配電網(wǎng)絡(luò)和控制簡(jiǎn)單。

但由于開啟的發(fā)射端較長(zhǎng)導(dǎo)致?lián)p耗增加，效率下降。陣列型磁耦合機(jī)構(gòu)的發(fā)射端由一系列線圈組成，單個(gè)線圈長(zhǎng)度與接收端線圈接近。發(fā)射端線圈分別獨(dú)立供電，只有當(dāng)接收端位于其正上方時(shí)開啟工作。因此具有高效率和漏磁場(chǎng)范圍小的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致成本增加，位置檢測(cè)和切換控制的復(fù)雜性增加。

該分類方式未考慮發(fā)射端線圈的磁場(chǎng)特性，不能充分反映磁耦合機(jī)構(gòu)的傳輸特性。而靜態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)中磁耦合機(jī)構(gòu)通常根據(jù)磁場(chǎng)特性進(jìn)行區(qū)分，可以為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類提供參考：靜態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)中磁耦合機(jī)構(gòu)根據(jù)發(fā)射端線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)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(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)中磁耦合機(jī)構(gòu)分類與磁通形式

單極型的發(fā)射端線圈表面只有一個(gè)磁極方向，產(chǎn)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(jié)構(gòu)通常較為簡(jiǎn)單，如圓形和矩形線圈。圓形線圈及其產(chǎn)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(cè)，存在耦合較弱，對(duì)周圍漏磁場(chǎng)較大的問題。

雙極型的發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生兩個(gè)磁極方向，產(chǎn)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(jié)構(gòu)通常更為復(fù)雜，如Double-D線圈（DDP）、Bipolar線圈（BPP）和磁通管結(jié)構(gòu)線圈（Flux Pipe, FP）。其中DD線圈及其產(chǎn)生的磁通形式如圖12d所示。與單極型相比，這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了發(fā)射端與接收端線圈的耦合，減弱了線圈周圍的漏磁場(chǎng)。

參考靜態(tài)系統(tǒng)中的分類，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)根據(jù)發(fā)射端線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)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(fā)射端線圈表面只產(chǎn)生一個(gè)磁極方向。雙極型軌道在發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生兩個(gè)磁極方向，其中平行于發(fā)射端線圈所在平面的磁通分量的方向與發(fā)射端的布置方式相關(guān)，與車輛行進(jìn)方向相同時(shí)稱為縱向布置，與車輛行進(jìn)方向垂直時(shí)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(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)的磁耦合機(jī)構(gòu)可以分為四類，分別是：?jiǎn)螛O型陣列軌道、雙極型陣列軌道、單極型長(zhǎng)軌道和雙極型長(zhǎng)軌道。

2.2 各類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及分析

2.2.1 單極型陣列軌道

單極型陣列軌道磁耦合機(jī)構(gòu)發(fā)射端由多個(gè)獨(dú)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。每個(gè)發(fā)射端線圈表面只產(chǎn)生一個(gè)磁極方向，如圖13b所示?？梢钥吹桨l(fā)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(fā)射端線圈外側(cè)，因此在道路兩側(cè)產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)較大。

圖13 單極型陣列軌道磁耦合機(jī)構(gòu)

美國(guó)ORNL和圣地亞哥州立大學(xué)的Chris Mi團(tuán)隊(duì)[68]分別采用圓形線圈和矩形線圈結(jié)構(gòu)搭建了3kW功率等級(jí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。猶他州立大學(xué)采用圓形線圈結(jié)構(gòu)建設(shè)了實(shí)際環(huán)境下的25kW充電系統(tǒng)。

2.2.2 雙極型陣列軌道

雙極型陣列軌道磁耦合機(jī)構(gòu)的發(fā)射端由多個(gè)雙極型線圈組成，如DD線圈。由圖12可知由于雙極型線圈產(chǎn)生與線圈平行的磁通分量，其特性會(huì)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(jī)構(gòu)如圖14所示。奧克蘭大學(xué)分別采用橫向布置和縱向布置的DD線圈結(jié)構(gòu)搭建了3.5kW和5kW的動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)。

圖14 雙極型陣列軌道磁耦合機(jī)構(gòu)

圖14a所示為橫向布置的DD線圈結(jié)構(gòu)。接收端行進(jìn)方向?yàn)镺Y方向，沿行進(jìn)方向發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有相同方向。根據(jù)圖中所示電流方向，藍(lán)色線圈均產(chǎn)生垂直向下的磁通方向，而綠色線圈均產(chǎn)生垂直向上的磁通方向。主磁通回路方向在XOZ平面內(nèi)，如圖14c所示。

圖14b所示為縱向布置的DD線圈結(jié)構(gòu)。沿行進(jìn)方向發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生交錯(cuò)的磁場(chǎng)方向，相鄰兩個(gè)D線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反。主磁通回路方向在YOZ平面內(nèi)，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(jié)構(gòu)發(fā)射端和接收端線圈耦合的主磁通回路均在發(fā)射端范圍內(nèi)，增強(qiáng)耦合的同時(shí)減小了對(duì)道路兩側(cè)的漏磁通。

2.2.3 單極型長(zhǎng)軌道

單極型長(zhǎng)軌道磁耦合機(jī)構(gòu)的發(fā)射端線圈表面只產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)方向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，易于工程應(yīng)用。基本的單極型長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)和主磁通示意圖如圖15所示。KAIST提出的第6代（6G）OLEV發(fā)射端采用了長(zhǎng)直矩形線圈，通過去磁心化降低建設(shè)成本和時(shí)間。

2.2.4 雙極型長(zhǎng)軌道

雙極型長(zhǎng)軌道磁耦合機(jī)構(gòu)發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生兩個(gè)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(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖15 單極型長(zhǎng)軌道磁耦合機(jī)構(gòu)

圖16 雙極型長(zhǎng)軌道磁耦合機(jī)構(gòu)

圖16a所示為橫向布置的雙極型長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)。沿行進(jìn)方向OY上發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生磁場(chǎng)方向固定。根據(jù)圖中所示電流方向，藍(lán)色線圈產(chǎn)生垂直向下的磁通方向，綠色線圈產(chǎn)生垂直向上的磁通方向。主磁通回路方向在XOZ平面內(nèi)，如圖16b所示。沿行進(jìn)方向輸出穩(wěn)定，但橫向布置導(dǎo)致發(fā)射端較寬，對(duì)路面影響大，接收端側(cè)移容忍度較差。

奧克蘭大學(xué)在AGV供電系統(tǒng)中采用了橫向雙極長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了300W的動(dòng)態(tài)無(wú)線供電；日本鐵路技術(shù)研究院將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鐵路車輛供電，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的負(fù)載輸出功率達(dá)到40kW。

圖16c所示為縱向布置的雙極型長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)。發(fā)射端在多個(gè)磁極上交錯(cuò)繞制，沿行進(jìn)方向OY上發(fā)射端線圈表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向交替變化。如圖16d所示主磁通回路方向在YOZ平面內(nèi)，發(fā)射端寬度可以設(shè)計(jì)較窄，對(duì)路面影響小，同時(shí)接收端具有較大的側(cè)移容忍度。KAIST在第四、五代OLEV中均采用了這類磁耦合機(jī)構(gòu)。

不同布置方式的雙極型長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)發(fā)射端和接收耦合主磁通回路均在發(fā)射端范圍內(nèi)，減小了單極型長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)對(duì)道路兩側(cè)的漏磁通。

綜合前述分析，動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)中各類磁耦合機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)對(duì)比見表1，可以為磁耦合機(jī)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和系統(tǒng)要求確定合適的結(jié)構(gòu)類型，提升磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)效率。

表1 動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)磁耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型及特點(diǎn)

3 關(guān)鍵問題研究現(xiàn)狀

3.1 高功率密度、低成本的磁耦合機(jī)構(gòu)構(gòu)型研究

為了增強(qiáng)發(fā)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(jié)構(gòu)為最常用的磁心形式，但成本也較為高昂。因此如何設(shè)計(jì)低成本、高耦合性能的磁心構(gòu)型成為研究者們的研究重點(diǎn)。

對(duì)于陣列軌道結(jié)構(gòu)的磁耦合機(jī)構(gòu)，每個(gè)獨(dú)立供電的發(fā)射端線圈與靜態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，存在互通性，因此通常磁心結(jié)構(gòu)與靜態(tài)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)相同。為了降低磁耦合機(jī)構(gòu)成本，通常采用條形磁心構(gòu)型，如圖17分別為單極型和雙極型線圈結(jié)構(gòu)的磁心構(gòu)型。

圖17 陣列軌道結(jié)構(gòu)磁心構(gòu)型

對(duì)于長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)的磁耦合機(jī)構(gòu)，KAIST在過去10年領(lǐng)導(dǎo)的五代OLEV開發(fā)中，提出了多種結(jié)構(gòu)用于不同類型的磁耦合機(jī)構(gòu)，如圖18所示。

對(duì)于單極型長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)，第一代（1G）采用E型磁心實(shí)現(xiàn)了1cm傳輸距離下3kW功率輸出，效率達(dá)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(shí)現(xiàn)了17cm傳輸距離下15kW功率輸出，效率達(dá)到71%，但發(fā)射端軌道寬80cm，如圖18b所示。采用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了26cm傳輸距離下的100kW功率等級(jí)快速充電。

對(duì)于雙極型長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)，第二代（2G）將U型磁心用于橫向布置的雙極型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了17cm傳輸距離下6kW輸出功率，效率達(dá)到72%，如圖18c所示。但其發(fā)射端寬度高達(dá)140cm。接收端橫向側(cè)移能力受到寬度限制較小。因此該結(jié)構(gòu)更常用于AGV、軌道交通等領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)。

為了提升磁耦合機(jī)構(gòu)的側(cè)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(jié)構(gòu)供電軌道，該結(jié)構(gòu)為縱向布置的雙極型長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)，如圖18d所示。在20cm傳輸距離下實(shí)現(xiàn)了27kW輸出功率，效率達(dá)到74%。其中發(fā)射端供電軌道寬度僅10cm，接收端側(cè)移容忍度達(dá)到24cm。后續(xù)提出了S型磁極供電軌道的第五代（5G），如圖18e所示。寬度進(jìn)一步減小至4cm，側(cè)移距離相應(yīng)的增加至30cm，但耦合性能下降。

圖18 長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)磁心構(gòu)型

表2對(duì)各類磁心構(gòu)型的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)。

表2 磁心構(gòu)型的特點(diǎn)

3.2 分段導(dǎo)軌間過渡輸出穩(wěn)定性

靜態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)中，接收端和發(fā)射端相對(duì)位置發(fā)生偏移時(shí)，隨著偏移距離的增大，輸出功率會(huì)隨著耦合性能的下降逐漸減小。對(duì)于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)接收端駛出供電的分段導(dǎo)軌或發(fā)射端線圈，并且未完全駛?cè)胂乱欢位蛳乱欢挝垂╇姇r(shí)，與靜態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移的情況相似，輸出功率會(huì)隨著耦合性能的下降而減小。因此接收端行進(jìn)過程中在相鄰分段導(dǎo)軌間過渡時(shí)存在輸出跌落問題。研究人員針對(duì)陣列軌道和長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)中存在的這種問題展開大量研究。

對(duì)于如圖19a所示的陣列軌道結(jié)構(gòu)，圣地亞哥州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化單極型線圈長(zhǎng)度和間距等參數(shù)，同時(shí)對(duì)多個(gè)發(fā)射端線圈供電，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)過程中接收端輸出波動(dòng)的降低。如圖19b所示虛線為接收端與不同發(fā)射端之間的耦合系數(shù)，存在較大波動(dòng)；（紅色）實(shí)線為優(yōu)化尺寸后對(duì)多個(gè)發(fā)射端同時(shí)供電時(shí)的等效耦合系數(shù)。最終實(shí)現(xiàn)15cm傳輸距離下1.4kW的輸出功率，動(dòng)態(tài)行進(jìn)過程中輸出功率波動(dòng)在±7.5%內(nèi)。

對(duì)于圖14a中橫向布置的DD線圈結(jié)構(gòu)，奧克蘭大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過線圈尺寸設(shè)計(jì)降低了過渡波動(dòng)，在10kW輸出功率時(shí)的最大功率跌落為25%。西南交通大學(xué)研究人員對(duì)矩形線圈和DD線圈交替布置結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，搭建384W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)現(xiàn)輸出電壓波動(dòng)在±2%內(nèi)。天津工業(yè)大學(xué)研究人員分析了相鄰線圈中心距和同時(shí)供電區(qū)間對(duì)輸出特性的影響，確定了輸出最穩(wěn)定的切換區(qū)間范圍。

圖19 降低輸出波動(dòng)的陣列軌道

對(duì)于長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)，重慶大學(xué)研究人員分別提出了滲透型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和交錯(cuò)DD型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)以解決過渡時(shí)輸出跌落的問題，降低輸出波動(dòng)的長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)如圖20所示。相鄰兩段供電軌道間設(shè)置部分重疊的區(qū)域?yàn)椤敖尤雲(yún)^(qū)域”或增加交錯(cuò)區(qū)域，增加功率補(bǔ)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(jí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，滲透型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)段間過渡時(shí)感應(yīng)電壓最大跌落為25%，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)軌切換時(shí)的平穩(wěn)過渡。中科院電工所研究人員通過控制相鄰兩段同時(shí)開啟的切換策略減小了段間過渡時(shí)的輸出波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了2.5kW輸出功率的平穩(wěn)過渡。

圖20 降低輸出波動(dòng)的長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)

表3對(duì)解決分段導(dǎo)軌間過渡波動(dòng)問題、提升輸出穩(wěn)定性的方法進(jìn)行了總結(jié)。

表3 提升過渡輸出穩(wěn)定性方法

3.3 單段供電導(dǎo)軌內(nèi)行進(jìn)輸出穩(wěn)定性

對(duì)于縱向布置的雙極型磁耦合機(jī)構(gòu)，沿行進(jìn)方向上產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向交替變化，因此接收端感應(yīng)電壓輸出存在較大波動(dòng)。以長(zhǎng)軌道發(fā)射端結(jié)構(gòu)為例，接收端感應(yīng)電壓與位置的關(guān)系如圖21所示。

圖21 雙極型長(zhǎng)軌道感應(yīng)電壓與位置的關(guān)系

感應(yīng)電壓輸出存在近似正弦的波動(dòng)和零點(diǎn)問題，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用。研究人員分別從發(fā)射端和接收端角度進(jìn)行研究以解決這個(gè)問題。

對(duì)于發(fā)射端，可以采用多相繞組供電的方式產(chǎn)生疊加后與位置近似無(wú)關(guān)的磁場(chǎng)分布。多相供電軌道磁耦合機(jī)構(gòu)如圖22所示。KAIST研究人員提出了dq雙相軌道結(jié)構(gòu)，如圖22a所示。藍(lán)色和紅色為不同的發(fā)射端繞組，圖中位置時(shí)接收端與紅色繞組間耦合為0，但與藍(lán)色繞組間耦合最大，在接收端中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓疊加后補(bǔ)償原有的輸出零點(diǎn)。不同繞組中激勵(lì)電流相位相差90°時(shí)輸出波動(dòng)最小。由于負(fù)載在不同繞組中反射阻抗不同導(dǎo)致控制復(fù)雜，僅通過實(shí)驗(yàn)室200W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，功率波動(dòng)降低至11%。

圖22 多相供電軌道磁耦合機(jī)構(gòu)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了三相線圈供電的解決方案，如圖22b所示。利用三相發(fā)射線圈在空間中產(chǎn)生平行于車輛行駛方向的行波磁場(chǎng)來(lái)提高輸出穩(wěn)定性。搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了傳輸距離為30cm，輸出功率為5kW，輸出波動(dòng)為±2.5%的功率傳輸。

除了具有輸出穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，多相發(fā)射端結(jié)構(gòu)還可以增大傳輸功率，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致成本增加，電路組成增多和控制變復(fù)雜的問題。龐巴迪團(tuán)隊(duì)將三相系統(tǒng)用于軌道交通，實(shí)現(xiàn)了250kW功率傳輸。

對(duì)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(nèi)的輸出波動(dòng)問題。通過空間位置不同的線圈相互補(bǔ)償移動(dòng)過程中的輸出零點(diǎn)，各組線圈分別整流后直接輸出或分別經(jīng)過DC-DC變換器后連接輸出至負(fù)載。

奧克蘭大學(xué)采用BPP雙線圈結(jié)構(gòu)作為接收端，結(jié)合接收端控制實(shí)現(xiàn)了5kW近似恒定的功率輸出。西南交通大學(xué)采用DDQ(Double-D Quradrature)雙線圈結(jié)構(gòu)接收端，結(jié)合接收端控制實(shí)現(xiàn)了600W功率等級(jí)的恒定輸出。哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了多相接收端結(jié)構(gòu)，其中四相接收端在不進(jìn)行接收端控制下可以將輸出波動(dòng)降低至8%。

表4對(duì)解決單段供電導(dǎo)軌內(nèi)行進(jìn)輸出波動(dòng)問題、提升輸出穩(wěn)定性的方法進(jìn)行了總結(jié)。

表4 提升行進(jìn)輸出穩(wěn)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(shù)的影響，接收端不可避免地會(huì)相對(duì)于發(fā)射端發(fā)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(huì)降低。因此，提升接收端的偏移容忍度是磁耦合機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵問題之一。

由于陣列軌道結(jié)構(gòu)可以理解為靜態(tài)磁耦合機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)中的推廣，因此，陣列軌道結(jié)構(gòu)中提升偏移容忍度的方法與靜態(tài)系統(tǒng)中的方法相同。常見的方法為使用多線圈接收端結(jié)構(gòu)。奧克蘭大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種DDQ型接收端結(jié)構(gòu)，如圖23a所示。

該結(jié)構(gòu)中，DD線圈和Q線圈分別在整流后串聯(lián)。接收端偏移過程中，穿過DD線圈的磁場(chǎng)量減少，穿過Q線圈的磁場(chǎng)量增加，因此Q線圈可以補(bǔ)償DD線圈中的功率跌落。此后，該團(tuán)隊(duì)提出了一種BPP型（Bipolar）接收端結(jié)構(gòu)，如圖23b所示。

圖23 提升偏移容忍度的多線圈接收端結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)與DDQ型結(jié)構(gòu)具有相同的側(cè)移容忍度，但用線量更少。

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

圖24 三相單極型長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)

橫向布置的雙極型長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)具有較差的偏移容忍度，目前更多地應(yīng)用于軌道交通等無(wú)需考慮接收端偏移的場(chǎng)景中。由于這類結(jié)構(gòu)的主磁路方向在XOZ平面內(nèi)，因此可以參考橫向布置的雙極型陣列軌道結(jié)構(gòu)，使用DDQ等多線圈接收端結(jié)構(gòu)來(lái)改善偏移容忍度。

而對(duì)于縱向布置的雙極型長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)，如Ⅰ型和S型等磁極結(jié)構(gòu)供電軌道，目前共有三種方案來(lái)提升其偏移容忍度。

1）增加接收線圈的寬度

以Ⅰ型磁極結(jié)構(gòu)供電軌道為例，圖25給出了發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(chǎng)主要集中在供電軌道的正方上區(qū)域，沿偏移方向，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小。

圖25 偏移時(shí)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(duì)于圖25a所示的寬接收線圈，當(dāng)接收線圈發(fā)生偏移時(shí)，穿過接收線圈的磁場(chǎng)量變化量較小，故輸出電壓基本保持不變。而對(duì)于圖25b所示的窄接收線圈來(lái)，在相同的側(cè)移距離下，穿過接收線圈的磁場(chǎng)量變化較大，導(dǎo)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(duì)于I型和S型等縱向布置的雙極型長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)，為了接收端的提升偏移容忍度，接收線圈寬度通常設(shè)計(jì)為發(fā)射端供電軌道寬度的數(shù)倍以上。

2）降低發(fā)射端供電軌道的寬度

圖26給出了發(fā)射端供電軌道寬度不同時(shí)，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿偏移方向的分布情況。

圖26 偏移時(shí)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(duì)于相同寬度的接收線圈來(lái)說，在相同的偏移距離下，發(fā)射端供電軌道越窄，穿過接收線圈的磁場(chǎng)量變化較小，輸出電壓的變化也越小。因此，減小發(fā)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(jié)構(gòu)供電軌道正是通過降低發(fā)射端供電軌道的寬度的方式來(lái)提升偏移容忍度的。

然而，由圖26可知，減小發(fā)射端供電軌道的寬度同樣會(huì)降低發(fā)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(jié)構(gòu)

KAIST的研究人員提出了一種自解耦的雙線圈接收端結(jié)構(gòu)（self-decoupled dual receiver coils）來(lái)改善偏移容忍度。圖27a和圖27b分別給出了該接收端的結(jié)構(gòu)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(gè)并聯(lián)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(yīng)電壓更高的接收線圈工作，而另一個(gè)接收線圈不工作。通過兩個(gè)接收線圈的整流后并聯(lián)來(lái)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(shí)刻只能有一個(gè)接收線圈工作，因此該結(jié)構(gòu)中接收線圈的利用率較低，這增加了系統(tǒng)成本。

表5對(duì)提升偏移容忍度的方法進(jìn)行了總結(jié)。

表5 提升偏移容忍度的方法

4 關(guān)鍵問題

綜合目前電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)中磁耦合機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，可以看到各方面均已有較多研究和解決方案。但這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程才剛剛起步，磁耦合機(jī)構(gòu)仍存在許多關(guān)鍵問題亟待解決，包括以下幾個(gè)方面：

1）高效率

與傳統(tǒng)有線充電方式相比，無(wú)線充電系統(tǒng)中增加了多級(jí)環(huán)節(jié)導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降。而動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)由于工作時(shí)發(fā)射端導(dǎo)軌尺寸通常大于接收端，效率進(jìn)一步降低。

磁耦合機(jī)構(gòu)的損耗占據(jù)了系統(tǒng)能量損失的主要部分，需要從多個(gè)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(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化角度，對(duì)磁心和線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)提升耦合性能，降低損耗。實(shí)現(xiàn)高效率磁耦合機(jī)構(gòu)可以有效提升充電效率，降低能量損失并減小溫升，促進(jìn)動(dòng)態(tài)無(wú)線供電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

2）低成本

磁耦合機(jī)構(gòu)占據(jù)了動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)建設(shè)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(shè)發(fā)射端導(dǎo)軌會(huì)導(dǎo)致較高昂的前期基礎(chǔ)建設(shè)投入。而在設(shè)計(jì)時(shí)為了實(shí)現(xiàn)更高的傳輸功率，通常采用增加磁心、匝數(shù)等方式，這會(huì)導(dǎo)致成本進(jìn)一步增高。因此需要通過研究磁耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)設(shè)計(jì)方法來(lái)降低材料使用量，進(jìn)而提升系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

3）高功率密度

磁耦合機(jī)構(gòu)的功率密度可以分為發(fā)射端和接收端功率密度。發(fā)射端功率密度反映了磁耦合機(jī)構(gòu)對(duì)道路的影響，通過發(fā)射端導(dǎo)軌面積或體積功率密度體現(xiàn)；接收端功率密度反映了磁耦合機(jī)構(gòu)對(duì)車輛的影響，通過接收端線圈面積、體積或質(zhì)量功率密度體現(xiàn)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)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(jié)構(gòu)的方式，這會(huì)導(dǎo)致尺寸、重量增加，對(duì)車輛和路面影響增加。因此，需要通過研究磁耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升功率密度，為動(dòng)態(tài)無(wú)線供電技術(shù)的推廣應(yīng)用提供必要條件。

4）輸出穩(wěn)定性和側(cè)移容忍度

與靜態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)中車輛在固定位置靜止充電不同，動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)中車輛在行進(jìn)過程中充電，接收端與發(fā)射端供電線圈的相對(duì)位置可能發(fā)生縱向和橫向水平偏移或旋轉(zhuǎn)偏移，導(dǎo)致輸出波動(dòng)和功率跌落；由于磁耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特性，如縱向布置的雙極型結(jié)構(gòu)，在行進(jìn)方向上存在固有輸出波動(dòng)；此外，由于固有參數(shù)，如電感、電容可能受外界環(huán)境影響發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)諧振狀態(tài)和輸出功率受到影響，產(chǎn)生波動(dòng)。

因此需要考慮上述不同情況，研究能夠降低輸出波動(dòng)、提升輸出穩(wěn)定性、提高偏移容忍度的磁耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

5）互操作性

隨著靜態(tài)無(wú)線充電技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)和未來(lái)商業(yè)化應(yīng)用的推廣普及，用于動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)的磁耦合機(jī)構(gòu)需要考慮與標(biāo)準(zhǔn)中結(jié)構(gòu)具備互操作性。需要研究基于標(biāo)準(zhǔn)互操作性的磁耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方法。

此外，不同于靜態(tài)充電一對(duì)一的模式，動(dòng)態(tài)供電系統(tǒng)存在同一路段對(duì)多個(gè)負(fù)載、不同功率等級(jí)負(fù)載、不同結(jié)構(gòu)負(fù)載供電的可能性，因此需要分別研究發(fā)射端和接收端具備互操作性的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)設(shè)計(jì)方法，具體為：對(duì)于發(fā)射端，需要研究滿足不同（結(jié)構(gòu)形式、尺寸）接收端、不同功率等級(jí)負(fù)載時(shí)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)方法；對(duì)于接收端，需要研究可以應(yīng)用于已建設(shè)發(fā)射端結(jié)構(gòu)、并滿足車輛負(fù)載要求的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)設(shè)計(jì)方法。

6）電磁安全性

由于發(fā)射端產(chǎn)生的高頻交變磁場(chǎng)不能與接收端完全耦合，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成影響。保證環(huán)境的電磁安全性是動(dòng)態(tài)無(wú)線供電技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的前提。磁耦合機(jī)構(gòu)可以分別從電磁發(fā)射源和傳播途徑兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)屏蔽保護(hù)，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(hù)裝置勢(shì)必會(huì)對(duì)系統(tǒng)能量傳輸性能產(chǎn)生影響，并造成成本增加。因此需要研究如何在保證環(huán)境電磁安全性的同時(shí)減少對(duì)原有系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的電磁安全防護(hù)。

5 結(jié)論

本文對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)的發(fā)展歷程進(jìn)行了全面回顧，對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)線供電系統(tǒng)中磁耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)分類并就其特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，重點(diǎn)分析了磁耦合機(jī)構(gòu)目前研究的關(guān)鍵問題及主要解決方案。最后討論了面臨的關(guān)鍵問題。主要結(jié)論如下：

1）動(dòng)態(tài)無(wú)線供電技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究和小規(guī)模實(shí)驗(yàn)示范線路建設(shè)階段，建成系統(tǒng)中功率等級(jí)在20~30kW范圍內(nèi)，傳輸距離在20~30cm之間。該功率等級(jí)下，系統(tǒng)效率在70%~91%之間。

2）動(dòng)態(tài)磁耦合機(jī)構(gòu)可以分為單極型陣列軌道、單極型長(zhǎng)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(zhǎng)軌道和縱向雙極型長(zhǎng)軌道六種結(jié)構(gòu)，其中單極長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)成本低，縱向雙極長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)綜合性能優(yōu)。

3）磁耦合機(jī)構(gòu)目前研究的關(guān)鍵問題集中在高性能磁耦合機(jī)構(gòu)構(gòu)型、分段導(dǎo)軌過渡穩(wěn)定性、行進(jìn)輸出穩(wěn)定性以及偏移容忍度等方面。

4）在動(dòng)態(tài)無(wú)線供電技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程中磁耦合機(jī)構(gòu)還面臨較多關(guān)鍵問題亟需解決，包括效率、成本、功率密度、穩(wěn)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(yuǎn). 電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線供電磁耦合機(jī)構(gòu)研究綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.