电池管理系统循环复位和无响应故障机理及解决措施

无线充电系统（Wireless Charging System,WCS）已经在大功率应用中被提出，包括电动汽车，以及插电式电动汽车（Plug-in Electric Vehicles, PEV）等。与插电式充电系统相比，WCS 具有简单、可靠和便利性的优势，但劣势也很明显，它们只能在汽车静止或停放时使用。此外，静态的WCS有一些挑战，如：电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility, EMC）问题、功率传输限制、结构复杂、传输范围小等[1]。为了改善续航里程和提升电池储量，科研人员提出了电动汽车的WCS的动态运行模式研究。这种方法可以让车辆在行驶时对动力电池进行充电，因而可以降低动力电池成本，提升续驶里程[2]。

然而，动态WCS在被广泛接受之前，必须克服两个主要障碍，即空气间隙和线圈错位。功率传输效率取决于线圈的排列、发射源和接收器之间的气隙距离[3]。小型乘用车的平均气隙距离从150～300 mm不等，而大型车辆的气隙距离则更大。此外，在发射端和接收端都采用了不同的补偿方法，如串联和并联的组合，以减少继发损失，提高系统效率[4]。

图1显示了用于电动汽车的静态WCS的基本框图。为了实现从发射线圈到接收线圈的功率传输，交流电源从电网通过交流直流（Alternating Current/Direct Current, AC/DC）和直流交流（DC/ AC）转换器被转换成高频（High Frequency, HF）交流电。为了提高整个系统的效率，在发射端和接收端都使用了基于串联和并联的补偿拓扑结构[5]。接收线圈通常安装在车辆下方，将振荡的磁通场转换为高频交流。然后，高频交流转换为稳定的直流电源，供车载电池使用。其中还包括电源控制、通信和电池管理系统（Battery Management System, BMS），以避免健康和安全问题并确保系统稳定运行。在发射器和接收器两侧都采用了磁性平面铁氧体板，以减少任何有害的泄漏磁通，并改善磁通分布。

图1 电动汽车静态无线充电系统的基本框图

自从为电动车引入无线充电系统以来，已经采用了四种类型的无线电动汽车充电系统（Wir- eless Electric Vehicle Charging System, WEVCS）：传统的电感式电力传输（Inductive Power Transfer, IPT）、电容式无线电力传输（Capacitive WirelessPowerTransfer, CWPT）、磁齿式无线电力传输（Magnetic Gear Wireless Power Transfer, MGWPT）、谐振式电感式电力传输（Resonant Inductive Power Transfer, RIPT）。表1列出了用于纯电动汽车的现有无线电力传输技术。

表1 用于电动车的不同WPT方法性能对比

WPT方法效率EMI频率/(kHz)尺寸复杂程度功率等级适用性 IPT中/高中10～50中中中/高高 CWPT低/中中100～160低中中低/中 MGWPT低/中高0.05～0.50高高低/中低/中 RIPT中/高低10～150中中中/高高

注：EMI：电磁干扰（Electro Magnetic Interference）；WPT：无线电力传输（Wireless Power Transfer）。

1.2.1CWPT技术

CWPT技术具有低成本和结构简单的特点，其使用先进的耦合电容的机械结构，有效应用于低功耗场景，如：便携式电子设备、手机充电器和旋转机器。图2是基于串联谐振电路的CPWT的典型原理图。在CWPT中，使用耦合电容器从源头向接收器传输能量，而非线圈或磁铁。主交流电压通过功率因数校正电路施加到H桥转换器。由H桥产生的高频交流电通过接收器一侧的耦合电容器吸收。与IPT不同的是，CWPT在高电压和低电流环境下都能运行。为了减少谐振电路中发射端和接收端之间的阻抗，在耦合电容上串联了额外的电感。这种布置有助于电路中使用柔性切换技术。

同样，利用整流器和滤波电路，将收到的交流电压转换为直流电，用于电池组或负载。对于空气间隙较小的应用场景，CWPT表现了出色的性能，并在电容器的两块板之间形成更好的场约束[6]。到目前为止，由于大气隙和高功率水平的要求，CWPT在电动汽车上的应用受到限制。有研究人员提出使用汽车的保险杠作为接收器，以减少两个耦合板之间的空气间隙。试验表明，在540 kHz的工作频率下，一个大于1 kW的设计原型具有从直流源到电池组的大约83%的效率[7]。

图2 电容式无线电力传输的示意图

1.2.2MGWPT技术

MGWPT与CWPT和IPT都相对不同，如图3所示。在这种方法中，与其他基于同轴电缆的WEVCS相比，两个同步的永久磁铁（Permanent Magnet, PM）被并排放置在一起。作为电流源的主电源被施加到发射器绕组上，在初级永磁体上产生机械扭矩，随后，主永磁体旋转并通过机械相互作用在副永磁体上产生扭矩。在两个同步的永磁体中，初级永磁体作为发电机模式工作，次级永磁体接收电力并通过功率转换器和BMS将其输送到电池。研究人员开发了一个1.6 kW的MGWPT实验模型，能够满足大约150 mm的气隙距离。

然而，这种技术在应用于静态和动态无线充电系统方面仍存在有许多挑战[8]。有研究表明，在150 Hz时，旋转器失去了同步速度，这大大影响了传输功率。需要不断调整速度，通过先进的反馈系统从电池侧到初级侧，以防止超过功率上限[9]。由于两个同步绕组之间的耦合突然减少，功率传输能力与初级和次级PM之间轴到轴的距离成反比。简而言之，它可能适用于静态的WEVCS，但在动态应用场景方面仍有相当大的挑战。

图3 基于磁性齿轮的WPT的示意图

1.2.3IPT技术

IPT技术基本工作原理框图如图4所示。IPT已经在从毫瓦到千瓦的各种领域进行了测试和利用，以将非接触电力从源头传输到接收器。1996年，通用汽车公司推出雪佛兰S10电动车，该车由磁充电IPT（J1773）系统充电，提供2级（6.6 kW）慢速和3级（50 kW）快速充电[10]。将一个由电感耦合器组成的初级线圈插入车辆的充电端口，由次级线圈接收电源并允许对电动汽车充电。在这个通用IPT中，一个10 kVA的同轴绕组变压器展现出诸如可调节的功率范围和灵活的耦合设计等明显的优势。

图4 传统的感应式电力传输示意图

1.2.4RIPT技术

在设计电力电子和无线变压器线圈方面，RIPT是传统IPT的最知名和最先进的版本。用于电动汽车的RIPT的工作原理如图5所示。与其他WPT一样，主交流电压被转换为高频交流电源，并提供给发射器或初级线圈。接收器或次级线圈通过变化的磁场接收功率。通过额外的电力电子和过滤电路，接收到的电力被转换为直流电，供电动汽车的电池组使用。

图5 谐振式电感功率传输的示意图

如图6所示，在电动汽车静态无线充电系统中，发射端和接收端都加入了串联和并联的补偿电容，以形成RIPT。四种类型的补偿网络拓扑结构，即串联-串联（Series-Series, SS）、串联-并联（Series-Parallel, SP）、并联-串联（PS）和并联-并联（PP）[11]。需要进行源补偿以消除电流和电压之间的相位差，并使源中的无功功率最小化。安装二次补偿网络可以最大限度地提高负载功率传输和效率[12]。

此外，选择网络拓扑结构的选择取决于WPT的具体应用要求。PS和PP补偿的WCS受到保护，故在没有接收线圈的情况下，源线圈不会运行。即使它提供了一个安全的环境，但在源头和接收器之间错位的情况下，该系统也无法传输足够的功率。另外还需要额外的串联电感器来调节谐振电路中流入并联的源电流。电容器的值取决于磁耦合和质量系数。在基于SP的补偿式WCS中，初级补偿电容器的值不依赖于互感，并且可以提供比分级系统更高的功率传输。

然而，它在很大程度上取决于负载的变化。基于SP补偿的拓扑结构是最适合电动车应用的，因为它有两个显著的优点：1）发射端和接收端的电容值与负载条件和互感无关，故发射端和接收端的谐振频率不依赖于互感和负载，而是取决于初级和次级线圈的自感；2）由于来自接收器线圈的反射阻抗不在发射器线圈中增加虚部，因此，这样的系统可通过在谐振频率下汲取有功功率来保持统一的功率因数。这种WCS因其恒定的电压和电流而为电池充电提供更大的选择空间。表2显示了不同补偿网络的额外优势和特点，这些网络正应用于电动汽车的WPT中[13-14]。

图6 补偿网络拓扑结构

表2 补偿网络的优势和特点

特点串联-串联(SS)串联-并联(SP)平行-并联(PS)并联-并联(PP) 电力传输能力高高低低 功率因数对距离的敏感度distance低低中等中等 对位公差高高中低 共振状态阻抗低低高高 频率误差对效率的影响地高低高 电动车应用高高中中

在无线充电系统中，发射器和接收器垫由多个组件层组成，以获得最大的电力传输效率和较低的电磁干扰的成本效益。无线变压器垫有三个主要组成部分：线圈、屏蔽材料（铁氧体和铝板）以及保护和支持层。图7显示了无线变压器垫的各种视图。

图7 无线变压器

1.4.1线圈形状

在电动汽车的WCS中，空气芯无线变压器的概念应用于从源头转移到接收端的电力传输，功率范围从几瓦到几千瓦。各种平面线圈的形状，如：圆形、矩形和混合排列，已经在无线变压器设计中得到应用[15]，以提高性能并解决发射器和接收器焊盘之间的错位问题。无线充电线圈主要分为两个方面：极化焊盘和非极化焊盘。极化焊盘是由多个线圈和形状创建的，以产生通量的垂直和水平成分；而非极化垫是由单一线圈形状构成的，只产生通量的垂直分量[16]。

1.4.2磁性铁氧体形状

无线变压器的另一个重要组成部分是磁性铁氧体结构。在WEVCS中，磁通量是在中到高功率范围内产生的，此时应满足安全标准以避免健康和安全问题。此外，它还会影响两个绕组之间的耦合效率，特别是在没有屏蔽来减少漏磁通的情况下[17-18]。适当的铁氧体磁芯设计不仅可以帮助重定向磁通从初级到次级的路径，还可以改善线圈的互感和自感。铁氧体磁芯的选择取决于多种因素，包括尺寸、形状、磁导率、工作频率和成本。基本的铁氧体形状，如：圆形、方形和矩形（如E-core和U-core所示）已应用于源垫和接收端，以减少电动汽车的WCS中的漏磁通[19]。为了减少重量、降低成本，目前圆形空心和圆形排列的铁氧体棒已经修改，或根据应用场景进行了调整[20]。

1.4.3保护和支撑结构

在WEVCS中，发射器垫安装在道路的混凝土结构下面，能够承受汽车的重量和车辆的额外振动。为了提高结构的稳定性，充电垫的顶部和底部材料是由PVC塑料板制造的。其长度和宽度取决于充电垫的尺寸和厚度，尺寸为5～20 mm不等。有时还在线圈周围添加透明的亚克力板，以增加支撑并提升充电垫的外观。

根据其应用，无线电动汽车充电系统可以分为以下两个重要的场景，将电力从源头传输到电池组并进入汽车。

WEVCS为消费者提供了一个用户友好的环境，避免了与插电式充电器有关的任何安全问题。静态WEVCS（Static WEVCS, S-WEVCS）可以很轻松地取代插入式充电器，需要驾驶员动手操作的部分更少，并解决了如绊倒的危险和电击等相关的安全风险。图8显示了静态WEVCS的基本结构。

初级线圈安装在道路或地面的下方，有额外的电源转换器和电路。接收线圈或次级线圈通常安装在电动车的前部、后部或中部下方。使用电源转换器将接收的能量从交流转换为直流，并转移到电池组中。为了避免安全问题，电源控制和电池管理系统配备了一个无线通信网络，以接收来自一次侧的任何反馈[21]。

图8 静态无线电动汽车充电系统的基本图

充电时间取决于源功率水平、充电垫尺寸和两个绕组之间的气隙距离。轻型载重汽车之间的平均距离约为150～300 mm。静态WEVCS可以安装在停车区、停车场、家庭、商业建筑、购物中心和停车设施。它们的功率水平符合国际SAE J2954标准中1级（3.3 kW）和2级（7.7 kW）的功率等级，包括频率范围81.9～90 kHz。总之，用于电动汽车的静态WCS的原型或实验室实验已经被开发出来，功率范围为1～20 kW，气隙距离为100～300 mm，效率为71%～95%。

目前，电动汽车主要受到成本和续航这两方面的限制。为了增加续航里程，电动车需要频繁充电或安装更大的电池组（这也导致了额外的问题，如成本和重量）。此外，经常给车辆充电并不经济。动态无线电动车充电系统（Dynamic Wireless Electric Vehicle Charging System, D-WEVCS）是一项很有前景的技术，它可以减少与电动车的范围和成本有关的问题，也是未来电动车的唯一解决方案。它也被称为“道路供电”“在线”或“运动中”WEVCS[8]。如图9所示，初级线圈以一定的距离嵌入到道路混凝土中，并有高压、高频交流源和补偿电路连接到电网中。

图9 不同类型动态无线电动汽车充电系统的基本图

像静态的WEVCS一样，次级线圈安装在车辆的下方。当电动车经过发射器时，它通过接收线圈接收磁场，并通过利用功率转换器和BMS将其转换为直流电，为电池组充电。与目前的电动车相比，电动车的频繁充电设施可减少约20%的整体电池需求。对于动态的WEVCS，发射器垫和电源段需要安装在特定的位置和预先定义的路线上。如图9所示，电源段主要分为集中式和分段式的电源频率方案。在集中式供电方案中，一个大的线圈（大约5～10 m）被安装在路面上，其中利用了多个小型充电垫。与分段式方案相比，集中式方案的损耗较高，效率较低，安装和维护成本高。这项技术的初始基础设施的建设投入巨大，但在未来自动驾驶汽车的帮助下，它将有助于在发射器和接收器线圈之间建立完美的对准，这可以大大改善整体的功率传输效率。

电动汽车的快速扩张导致了对快速和高效的充电和电力传输方法的需求增加。为了弥补额外的电力需求，可再生能源已经被引入到微电网中。车辆到电网（Vehicle to Grid, V2G）的概念可以提供一个解决方案，同时对配电网络的充电和放电进行高级调度。图10显示了电动汽车的双向电力传输应用，有无线和插入模式。在插入式V2G中，带有车载双向充电器的电动汽车允许用户在高峰期连接到电网或家庭。在非高峰期，车辆从墙上的交流插座充电。交流电被转换为直流电，并送入隔离的直流/直流转换器，为用户提供额外的安全。转换后的直流电通过BMS、控制和保护，以及双向DC/DC转换器传输到电池。这个转换器在给电池组充电时进行降压操作（降压模式），而在放电时进行升压操作，以提高功率水平。这种技术的局限性在于，它需要物理接触和手动操作来给电动车充电或放电，这就产生了额外的风险，如电击和绊倒的危险。为了克服这些问题，已经引入了无线式V2G，如图10(a)所示。表3比较了无线式V2G和插入式V2G之间的异同。与插入式V2G不同的是，无线变压器的初级线圈被嵌入道路或停车场表面，并带有双向电源转换器。接收器线圈安装在车辆下方，其余的双向电源转换器安装在车身上。这项技术可以成为动态V2G运行中移动储能的缓冲器或备份。

图10 双向电力传输应用

表3 无线与插电式V2G之间的比较

无线V2G插电式V2G 方法无线电力传输传统电力传输 工作频率/kHz81～9016～100 功率传输效率/%>90>90 气隙敏感度中到高 位置敏感度中到高 操作自动手动 健康与安全隔离无线变压器车载变压器 电击危险低到中中到高 EMI中到高低 电力传输能力高高 便利性高中 接口兼容性无插入形状与尺寸因标准而定

静态WEVCS已经存在一些挑战，如EMC问题、有限的功率传输、笨重的结构和较高的效率。此外，功率传输效率取决于线圈的排列和发射器和接收器之间的气隙距离。小型乘用车的平均气隙距离为150～300 mm不等，而对于大型车辆，它可能会增加。对准问题可以通过利用传感技术或停车辅助来解决；动态WEVCS技术面临空气间隙和线圈错位两个主要障碍。由于有大量的源线圈，错位问题可以在一定程度上得到解决。为了解决空气间隙问题，轮内WCS（In Wheel, IW- WCS）已经开发出来。它对于任何标准化的接收线圈形状和位置的依赖度较小。静态和动态IW- WCS是未来的技术，可用于在电动汽车静止或行驶时进行充电。由于较小的气隙和发射器与接收器之间较高的耦合效率，IW-WCS比现有的准动态或动态WCS具有明显的优势。

像其他WEVCS一样，多个主线圈或源线圈通常安装在路面下。图11展示了用于静态和动态应用的IW-WCS的基本原理图。主电网源被转换为高频交流源，通过补偿电路连接到初级绕组。与其他WEVCS不同，在IW-WCS中，次级线圈被安装在轮胎结构中。与目前的静态或动态WEVCS相比，IW-WCS中的源线圈和接收线圈之间的气隙更小。IW-WCS的三个主要结构部件是无线变压器线圈、电源和轮胎的内部结构，为了实现高效的静态和动态IWCS，需要仔细设计。图12展示了接收线圈的详细内部位置。多个接收线圈以平行组合方式放置在轮胎内。这种安排的优点是只有与发射器接触的特定接收线圈被激活。在某些情况下，当发生水平错位时，多个接收线圈可以被激活。这些线圈将电力传输到电池组或负载。每个接收线圈包含一个谐振电容、整流器和滤波电路。建议接收线圈阵列的位置是在钢带和车身层之间。表4显示了IW-WCS中使用的发射器和接收器线圈的规格。

图11 轮内WCS的工作原理示意图

图12 轮内WCS

表4 发射器和接收器线圈的规格

初级次级 匝数/N2543 直径/mm内部4830 外部130105 线径/mm21.500.64 电感/μH计算值60122 模拟值59124 测量值59123 质量系数Q185107

本文主要阐述了电动汽车使用的无线充电系统的基本工作原理，讲解了无线变压器的结构组成，包括电力传输线圈的形状及特点、磁性铁氧体的形状及特点；列举了静态和动态两种无线电动汽车充电系统的应用场景，对各自的工作原理和应用情况作了详细的对比分析；对无线电动汽车充电系统的未来提出两种发展应用场景。得出以下结论：

1）四种无线电力传输技术中CWPT结构简单，应用在低功耗场景中效果显著，但空气间隙是限制其应用在电动汽车上的主要障碍；MGWPT由于其自身特点不适合于动态无线充电系统中；RIPT作为IPT的改良版本，通过配置额外的补偿网络，应用于电动汽车上效果更好。

2）四种类型的补偿网络中，基于SP补偿的拓扑结构最适合电动车应用。

3）无线变压器的结构组成中不同形状的传输线圈和磁性铁氧体各具特点。

4）无线充电系统的应用中，静态WCS的功率范围可达到1～20 kW，气隙距离为100～ 300 mm，效率为71%～95%。动态WCS有集中式和分段式两种类型，与分段式方案相比，集中式方案的损耗较高，效率较低，安装和维护成本高。

5）WEVCS除了为充电提供便利之外，还能通过W-V2G的方式帮助缓解不断攀升的电网压力。另外除文中提到的集中基本无线充电方式外，无线电力传输线圈还可以安装在车轮内，即IW- WCS，这样就可以有效减少由于传输线圈空气间隙而导致的能量损失。