汽车前沿技术科普系列–图说电动汽车无线充电技术

1. 作者为长期从事电动汽车无线充电技术研究的研究人员，具有丰富的理论和实践经验；2. 书中简化了冗长的理论分析和推导过程，强化了当前电动汽车无线充电领域关注的原理和技术方案，更适合快速入门学习；3. 本书基于严谨的科学理论，但对具体的技术实现作了简化，尽可能采用图文并茂的方式，旨在做到深入浅出，通俗易懂，层次分明，思路清晰；4. 力求每一章、甚至每一节都为一个独立的知识点，可供读者利用碎片时间分时阅读。

本书以电动汽车的车载无线充电系统为应用载体，对无线充电技术进行了系统的介绍。依据作者近年来在车载无线充电系统方面的研究成果，并综合了国内外知名研究机构和多家企业的研究进展，对车载无线充电技术进行了分析、归纳和总结，主要内容包括无线电能传输的基本原理、谐振补偿电路拓扑图、磁能线圈组结构、磁能线圈组磁芯特性、系统电路及控制等。本书基于严谨的科学理论，对具体的技术实现做了简化，尽可能采用图文并茂的方式，旨在做到深入浅出、通俗易懂、层次分明、思路清晰。力求每一章，甚至每一节都为一个独立的知识点，可供读者分时阅读。本书可作为具有一定物理知识背景的学生的科普材料，亦可供有兴趣从事电动汽车车载无线充电系统研发和产业化的工程师和创业者参考使用。

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第1章打开无线电能传输之门001
1.1无线电能传输技术分类003
1.2电场耦合式无线电能传输006
1.3磁场耦合式无线电能传输概述008
1.4磁场耦合式无线电能传输应用011
1.4.1消费电子及医疗设备011
1.4.2交通工具011
1.5电动汽车无线充电技术012
1.5.1静态无线充电技术013
1.5.2动态无线充电技术017
本章小结018
参考文献019

第2章无线充电系统电路拓扑021
2.1基本无线充电系统谐振补偿电路023
2.2S-S谐振补偿电路特性024
2.3LCC-LCC谐振补偿电路特性028
2.4LCC-S谐振补偿电路特性031
2.5三种补偿电路拓扑参数变动时传输特性比较032
本章小结035
参考文献036

第3章无线充电系统磁能线圈组设计037
3.1磁能线圈组基本概况039
3.2单极磁能线圈组的分类041
3.3单极磁能线圈组位错传输特性042
3.3.1方形线圈的水平偏移位错044
3.3.2圆形与方形线圈倾斜偏移位错045
3.3.3方形线圈的复合偏移位错046
3.3.4多磁屏蔽层方形与圆形磁能线圈组抗水平位错能力比较047
3.4双D线圈组位错传输特性049
3.4.1双D线圈组的基本传输特性049
3.4.2三种不同双D线圈组结构的传输特性比较052
本章小结056
参考文献056

第4章磁能线圈组磁芯特性057
4.1磁性材料介绍059
4.1.1磁性材料的定义与分类059
4.1.2磁性材料的磁化特性061
4.2软磁材料的非线性磁滞特性062
4.2.1准静态非线性磁滞特性063
4.2.2动态非线性磁滞特性064
4.2.3软磁材料的磁损耗问题065
4.2.4无线电能传输中磁损耗的计算068
4.3考虑磁芯非线性问题的分析与优化071
4.3.1应用中的磁芯非线性问题072
4.3.2面向非线性问题的磁芯优化研究075
4.3.3考虑非线性的磁芯结构选型079
4.4纳米晶带材改良及应用082
4.4.1纳米晶带材特性及其应用083
4.4.2碎化纳米晶带材特性及其应用086
本章小结090
参考文献091

第5章车载无线充电系统电路及其控制策略093
5.1功率因数校正变换器电路095
5.1.1功率因数校正技术原理095
5.1.2其他典型PFC变换器电路拓扑结构介绍100
5.2高频逆变电路103
5.3整流电路108
5.4发射端控制方法110
5.4.1Z源工作原理111
5.4.2准Z源工作原理112
5.4.3准Z源DC/DC变换器控制方法115
5.5接收端控制方法118
5.5.1基于双向串联开关管的接收端功率控制方法119
5.5.2接收端可控整流功率控制方法121
5.5.3接收端倍流整流功率控制方法125
5.6双边控制方法127
5.6.1基于移相控制和可控整流的双边控制方法128
5.6.2基于最有效率点跟踪的双边控制方法130
5.6.3基于开关可变电容的双边控制方法131
本章小结133
参考文献133

第6章车载无线充电系统前沿技术介绍135
6.1双向无线充电技术137
6.1.1电流源型双向无线充电系统概述137
6.1.2电流源型双向无线充电系统的功率频率控制139
6.2动态无线充电技术141
6.2.1动态无线充电基本原理141
6.2.2动态无线充电技术发展现状143
6.2.3基于分布线圈组的动态无线充电技术147
6.3基于宇称时间对称的无线充电技术150
6.3.1基于宇称时间对称的无线充电系统原理151
6.3.2基于宇称时间对称的无线充电系统应用152
本章小结155
参考文献156

电动汽车已经成为当下汽车行业革新的大潮流，也是中国产业发展的战略方向。在政策指导与市场驱动下，我国电动汽车在2022年的保有量已达1045万辆，预计2030年将突破8000万辆，这对充电基础设施势必是一个重大的挑战。目前，电动汽车充电基本以传统的有线充电为主，这种充电方式需要繁琐的操作且存在触电风险。与之相比，无线充电作为一种新兴的非接触式电能传输技术，能够为电动汽车提供更安全、便捷的充电方案，可有效解决汽车电动化进程中带来的“充电难”问题。此外，2020年国家印发的《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》提出“到2025年我国高度自动驾驶汽车实现限定区域和特定场景商业化应用”，自动驾驶将是未来电动汽车的发展趋势，而无线充电技术能够与自动驾驶完美契合，实现车辆行驶充电全自动化，是推动车路网协同智能网联目标的重要技术支撑。
经过数十年的技术积累，目前国内外已有众多企业开始投入精力和财力，致力于车载无线充电技术的产业化和商业化。其中，以麻省理工学院研究团队为主创立的Witricity公司是世界比较著名的车载无线充电系统研发公司，目前该公司已经有从3.3kW到11kW不同功率等级的无线充电产品样机。随后，Momentum Dynamics公司、Wave公司、Tesla公司等也开始对车载无线充电系统的产业化进行投入。而在国内，车载无线充电系统的研发和商业化属于一个新兴的产业，近年来不断有企业家组建团队，成立公司投身于车载无线充电系统的研发和产业化。而能够实现汽车“边走边充”的动态无线充电技术也受到广大研究学者的关注，在全球各地已有不少的技术示范试点，有望在不久的将来实现产业化。
目前，国内尚缺乏针对电动汽车无线充电技术的科普原理性介绍，因此，笔者希望总结此前关于车载无线充电的研究工作，结合国内外先进研究团队的思路和理念，通过本书，为对无线充电技术感兴趣的学生以及即将或已经从事车载无线充电系统研究开发的人员，提供关于车载无线充电技术的较为通俗易懂的原理性介绍及技术特点总结，以推动车载无线充电理念的普及和产业化的发展进程。
本书的主要框架如下：
第1章：对无线电能传输技术进行分类，区分了以电场和磁场作为传输媒介的无线电能传输技术。重点介绍磁场耦合式无线电能传输技术及其在各领域的应用，并对静态和动态两种电动汽车无线充电方式的技术特点、发展现状以及前景进行介绍。
第2章：针对车载无线充电系统中三种典型的谐振补偿电路拓扑结构的基本工作原理和传输特性进行分析，并对比三种拓扑在线圈组偏移情况下的功率及效率变化情况。
第3章：重点讨论车载无线充电系统中的单极磁能线圈组及双极磁能线圈组的基本结构及工作原理，详细分析两种不同类型线圈组的抗偏移能力以及基本设计准则。
第4章：对磁性材料的分类以及磁损耗的产生机理进行介绍，并对磁损耗的计算方法进行展开讨论。以磁芯利用率最大化为目标讨论异形磁芯的设计优化方法，同时也探讨新型碎化铁基纳米晶带材磁芯在大功率无线充电系统中应用的可能性。
第5章：介绍无线充电系统中功率因数校正、高频逆变、整流三种基于电力电子技术的电能变换电路的基本原理，并讨论无线充电系统中的控制方法，其中包括发射端控制、接收端控制以及双边控制方法。
第6章：阐述车载无线充电系统未来的技术发展方向，主要包括双向无线充电技术、动态无线充电技术以及基于宇称时间对称的无线充电技术。
本书先从基本原理出发，介绍车载无线充电系统各个功能模块的主流技术方案及技术特征，每章的内容都是一个相对独立的知识体系，读者可根据自身专业基础和兴趣进行阅读。
由于笔者水平有限，本书的内容难免存在疏漏，还请专家和读者批评指正。

编著者