郭淑筠，張波

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510641）

在節(jié)能減排的要求以及代步便利性的需求下，電動自行車E-bike（electric bicycle）在生活中的占比越來越高，電動自行車的體積限制了電池容量，造成了續(xù)航時(shí)間短，而充電的頻繁性帶來了巨大的安全問題。無線電能傳輸?shù)闹鞔沃g沒有任何電接觸，使其堅(jiān)固、可靠、無火花，采用無線輸電技術(shù)為電動自行車電池組充電，比傳統(tǒng)的插電式充電系統(tǒng)更方便、更安全。

近年來，已有國內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對電動自行車無線輸電技術(shù)開展了研究，但仍存在許多問題制約了該技術(shù)的推廣。首先是效率問題，無線充電導(dǎo)致充電效率的大幅降低是目前該技術(shù)推廣的一大阻力；其次是體積問題，過于笨重的充電器不適合應(yīng)用于電動自行車，小型輕量化的充電器能推動無線充電的進(jìn)一步向前發(fā)展；此外還需要考慮充電的穩(wěn)定性，線圈的偏移以及負(fù)載的變化都會對無線輸電造成影響，通常要求WPT 系統(tǒng)的輸出具有恒壓或恒流特性；最后是安全問題，需要考慮異物等導(dǎo)致的發(fā)熱消防安全問題，以及電磁輻射的生物安全問題。

本文介紹了電動自行車磁耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；詳細(xì)分析對比了充電的恒壓恒流控制方式，并描述了所用補(bǔ)償電路拓?fù)涞奶匦裕涣硗庠谡麟娐芬约爱愇餀z測等方面進(jìn)行了敘述，為電動自行車無線充電技術(shù)未來的研究提供方向。

1 磁耦合機(jī)構(gòu)

圖1 是電動自行車無線充電系統(tǒng)的基本框架，磁耦合機(jī)構(gòu)是電動自行車無線充電系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分，影響無線充電系統(tǒng)原、副邊能量的耦合與傳輸。電動自行車無線充電系統(tǒng)常見的耦合線圈結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其共同特點(diǎn)是體積小、易發(fā)生偏移。

圖1 電動自行車無線充電系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of wireless charging system for E-bike

圖2 耦合線圈結(jié)構(gòu)Fig.2 Structures of coupling coils

對于圖2（a）所示的圓形線圈來說，各方向抗偏移能力相同，但相比于同尺寸的其他線圈，在氣隙間距和偏移度相同的情況下耦合系數(shù)更??；圖2（b）所示的DD 對稱型線圈擴(kuò)大了磁通耦合范圍，減小了邊緣漏磁，并且對線圈間距離和x 軸方向偏差有更好的容忍度[1]；相比于雙線圈結(jié)構(gòu)，三線圈結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)偏移時(shí)線圈之間的磁場耦合，提高傳輸距離，并獲得更高的能量傳輸效率，同時(shí)降低線圈的電流應(yīng)力[2-3]，圖2（c）所示的三線圈結(jié)構(gòu)將中繼線圈安裝在發(fā)射線圈的內(nèi)側(cè)，增加了空間利用率。

在磁耦合機(jī)構(gòu)中添加鐵氧體可以實(shí)現(xiàn)磁屏蔽并降低磁阻，但會增大充電器的重量。圖2（d）是針對電動自行車提出的高功率磁感應(yīng)耦合器，方型線圈（17 cm×11 cm）背部有多個(gè)小型鐵氧體磁芯呈矩陣排布，線圈和鐵氧體均嵌在尼龍組件內(nèi)側(cè)，該結(jié)構(gòu)可以很好地解決邊緣漏磁問題，且具有較好的散熱能力[4]；對于需要在不同的線圈間切換的無線輸電系統(tǒng)，圖2（e）給出了一種復(fù)合線圈結(jié)構(gòu)，發(fā)射側(cè)將3 種線圈疊加在一起，使得充電器結(jié)構(gòu)更加緊湊，通過拆分和重構(gòu)發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電動自行車充電時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換[5]；不同于傳統(tǒng)的一對一形式的線圈結(jié)構(gòu)，一種三明治形式線圈的結(jié)構(gòu)如圖2（f）所示，接收線圈位于中間，上下均有發(fā)射線圈，從而增加了耦合系數(shù)，隨著鐵氧體墊的寬度的增加，氣隙固定的夾層結(jié)構(gòu)使得二次側(cè)自感保持較小的變化，一次側(cè)自感的變化較大[6]。

針對電動自行車提出的耦合機(jī)構(gòu)大都需要加裝外設(shè)容納耦合線圈，奧克蘭大學(xué)提出利用電動自行車的支撐腳來安裝磁耦合機(jī)構(gòu)，如圖3 所示。圖3（a）將耦合機(jī)構(gòu)安裝在單支撐側(cè)支架，采用雙圓柱螺線管耦合機(jī)構(gòu)，但磁通較多集中在螺線管發(fā)射線圈的兩側(cè)，通過接收線圈的磁通較少，增加鋁屏蔽會導(dǎo)致傳輸功率的降低；圖3（b）中的發(fā)射線圈采用圓形線圈，發(fā)射線圈底部裝有鐵氧體板，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于即使基座后面有金屬物體也不會產(chǎn)生渦流，但鐵氧體板外側(cè)延伸部分的增加對效率的提高作用有限；若將鐵氧體棒代替鐵氧體板，也可以達(dá)到相似的效果，其結(jié)構(gòu)如圖3（c）所示；另外，由于電動自行車的支撐支架與地面的接觸面積更大，可以將螺線管線圈安裝在支架中間的金屬橫杠，其耦合面積比單支撐支架更大，水平放置的螺線管耦合機(jī)構(gòu)如圖3（d）所示，但發(fā)射線圈四周都有磁場，如果磁耦合機(jī)構(gòu)的底部有金屬物體，就會產(chǎn)生渦流造成額外的損失；發(fā)射側(cè)采用雙D 型線圈的結(jié)構(gòu)如圖3（e）所示，通過在底部放置鐵氧體使得磁通更多地流向接收側(cè)[7-8]。

圖3 奧克蘭大學(xué)提出的磁耦合機(jī)構(gòu)Fig.3 Magnetic couplers proposed by the University of Auckland

2 恒流恒壓控制

電動自行車上的鋰電池體積相對較小，安裝位置靈活，目前大多采用的是錳酸鋰電池，這種電池的價(jià)格便宜且低溫性能好，考慮電動自行車的使用情況故需要頻繁充電，為了延長電池的使用壽命，要求按照規(guī)定的充電曲線進(jìn)行充電[9-10]，避免恒流過充以及恒壓欠充。負(fù)載偏移會引起耦合系數(shù)的改變，充電過程中電池等效負(fù)載的變化，以及電源的頻率波動等都會對電動自行車的無線充電造成影響，為了無線充電輸出端的穩(wěn)定[11]，在眾多因素的影響下實(shí)現(xiàn)無線充電的恒壓/恒流（CV/CC）控制十分必要[12]。

2.1 基于雙邊通信的CC/CV 控制

目前的電動自行車無線充電產(chǎn)品中，通常利用雙邊通信的閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)恒壓恒流充電。這種閉環(huán)控制如圖4 所示，可以分為3 大類：頻率跟蹤、阻抗匹配和DC-DC 直流變換[13]。

圖4 閉環(huán)控制Fig.4 Closed-loop control

由于磁耦合諧振無線輸電系統(tǒng)在“過耦合”區(qū)域存在頻率分裂的現(xiàn)象，頻率跟蹤通過調(diào)整工作頻率來控制輸出電壓，但當(dāng)工作頻率偏離峰值頻率過大時(shí)，變頻控制會導(dǎo)致功率傳遞能力下降，系統(tǒng)不穩(wěn)定。阻抗匹配通過使用繼電器或半導(dǎo)體開關(guān)來控制電容的值，從而改變電壓電流的大?。坏杩蛊ヅ渫ǔ?yīng)用于高頻和低功率條件下，否則會因?yàn)殡娙?電感矩陣龐大而復(fù)雜，從而增加系統(tǒng)的尺寸和控制復(fù)雜度并增大功率損耗，不適合用于電動自行車的無線充電。直流變換通過對DC-DC變換器占空比的調(diào)整來調(diào)節(jié)輸出電壓；但它造成了額外的能量損失，降低了系統(tǒng)整體的效率。

文獻(xiàn)[14]將副邊電流信息通過無線通信傳輸給原邊，產(chǎn)生PWM 信號來控制逆變器的工作頻率，設(shè)計(jì)了一個(gè)功率約為50 W的低功耗的電動自行車無線充電系統(tǒng)；文獻(xiàn)[15]運(yùn)用XBee-Pro S2 進(jìn)行通信，建立了一個(gè)輸出電壓42 V，傳輸功率為80 W，效率為81%的電動自行車電池充電器全尺寸原型。

2.2 基于拓?fù)淝袚Q的CC/CV 控制

由于電動自行車的室外充電環(huán)境通常比較復(fù)雜，基于雙邊通訊的控制方式在無線通信鏈路受到磁場干擾的情況下，可能會導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定或控制失效。為了消除這種弊端[16]，提出一種雙拓?fù)浯鸥袘?yīng)耦合無線充電系統(tǒng)，如圖5（a）所示，該系統(tǒng)通過在S-S 拓?fù)浜蚐-P 拓?fù)渲g切換，分別實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓輸出，但所提出的電路過于復(fù)雜，包含一個(gè)中心抽頭松散變壓器和3 個(gè)開關(guān)器件[17]。圖5（b）給出一種用2 個(gè)雙向開關(guān)切換接收側(cè)補(bǔ)償?shù)耐負(fù)?，?shí)現(xiàn)由CC 模式切換到CV 模式充電。當(dāng)S1閉合時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒流輸出；當(dāng)S2閉合時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓輸出。交流開關(guān)由2 個(gè)反串聯(lián)的MOS 管或2 個(gè)反并聯(lián)的IGBT 組成，2 種模式下都能實(shí)現(xiàn)零相位角ZPA（zero phase angle）條件[18]。一種基于可變線圈結(jié)構(gòu)的電動自行車磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng)如圖5（c）所示，在發(fā)射側(cè)設(shè)置了3層線圈，利用開關(guān)切換不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)S1和S2斷開時(shí)進(jìn)行恒流輸出，S1和S2閉合時(shí)為恒壓輸出[5]。

圖5 拓?fù)淝袚Q控制的IPT 系統(tǒng)拓?fù)銯ig.5 Topology of IPT system based on topology switching control

隨著傳輸距離的增加，含中繼線圈的三線圈WPT 系統(tǒng)效率更高，表現(xiàn)出更好的性能。圖6（a）為電動自行車構(gòu)造了諧振無線輸電系統(tǒng)的復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，S1閉合時(shí)通過S-S-S 拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)恒壓傳輸，S2閉合時(shí)通過S-S-LCC 拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)恒流傳輸[19]。接收端采用拓?fù)淝袚Q的方案，無疑增大了電動自行車側(cè)的充電器復(fù)雜度及體積。若發(fā)射端采用LCL 補(bǔ)償和接收端采用串聯(lián)補(bǔ)償，用解耦的DD 線圈和附加電容構(gòu)成用于電能傳輸?shù)闹欣^諧振電路，通過控制中繼諧振電路系統(tǒng)的2 個(gè)交流開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的CC/CV 切換[20]。如圖6（b）所示，S1和S2閉合時(shí)進(jìn)行恒壓傳輸，S1和S2斷開時(shí)進(jìn)行恒流傳輸，但這種WPT 系統(tǒng)適合應(yīng)用在耦合機(jī)構(gòu)位置相對固定沒有偏移的場合，如給電動自行車充電時(shí)，將電動自行車?yán)喂痰貖A在充電樁中。

圖6 含中繼線圈的WPT 系統(tǒng)拓?fù)銯ig.6 Topology of WPT system with relay coil

2.3 基于系統(tǒng)參數(shù)改變的CC/CV 控制

電壓增益為輸出電壓與輸入電壓之比，電流-電壓增益為輸出電流與輸入電壓之比。利用基爾霍夫定理推導(dǎo)S-S 型補(bǔ)償?shù)拇鸥袘?yīng)無線輸電系統(tǒng)的電流-電壓增益和電壓增益可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)射側(cè)等效電抗XT=0時(shí)，系統(tǒng)的電流-電壓增益|GUI|=1/（ωM），能夠?qū)崿F(xiàn)恒流輸出（其中ω為系統(tǒng)工作的角頻率，M為線圈間的互感）；當(dāng)發(fā)射側(cè)等效電抗與接收側(cè)等效電抗XR滿足XT=（ωM）2/XR時(shí)，電壓增益|GUU|=XR/（ωM），能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓輸出。一種無線充電系統(tǒng)變電容S-S 型補(bǔ)償拓?fù)淙鐖D7 所示，改變發(fā)射側(cè)補(bǔ)償電容的容值，使XT由0變?yōu)椋é豈）2/XR即可實(shí)現(xiàn)CC 到CV 模式的轉(zhuǎn)換，但在CV 傳輸下無法實(shí)現(xiàn)零相位條件，且電容的變化與互感有關(guān)[21]。

圖7 變電容S-S 型補(bǔ)償拓?fù)銯ig.7 S-S compensation topology based on variable capacitance

LCCL 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)通過一定的參數(shù)設(shè)計(jì)可保持輸出電壓電流維持恒定狀態(tài)，故提出基于LCCLLCCL 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的ICPT 系統(tǒng)，如圖8 所示。

圖8 變電容LCCL-LCCL 補(bǔ)償拓?fù)銯ig.8 LCCL-LCCL compensation topology with variable capacitance

當(dāng)系統(tǒng)工作頻率和固有諧振頻率相同時(shí)，系統(tǒng)的輸出電流保持恒定；當(dāng)系統(tǒng)工作頻率為固有諧振頻率的倍時(shí)，系統(tǒng)的輸出電壓保持恒定。通過改變接收端的電容值，控制系統(tǒng)的工作頻率和網(wǎng)絡(luò)固有諧振頻率的比值，可以實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流的轉(zhuǎn)換，但這種方法需要先判斷負(fù)載是否符合條件，且恒壓狀態(tài)下系統(tǒng)的效率有一定下降[22]。

2.4 基于頻率調(diào)整的CC/CV 控制

圖9 所示為三線圈耦合磁感應(yīng)WPT 系統(tǒng)，Xi（i∈[1，2，3]）為線圈回路i的電抗，Xij=ωMij（i≠j，且i，j∈[1，2，3]）為線圈i，j的耦合感抗。推得該系統(tǒng)的電壓增益和電流-電壓增益為

圖9 三線圈耦合串聯(lián)補(bǔ)償?shù)碾娐吠負(fù)銯ig.9 Circuit topology of three-coil coupled series compensation

A1和A2是關(guān)于各線圈等效感抗的函數(shù)，大小受系統(tǒng)工作頻率的影響。當(dāng)A1=0時(shí)，電壓增益為（X23X13+X12X3）/A2，可實(shí)現(xiàn)與負(fù)載無關(guān)的恒壓傳輸；當(dāng)A2=0時(shí)，電流-電壓增益為（X23X13+X12X3）/A1，可實(shí)現(xiàn)與負(fù)載無關(guān)的恒流傳輸。因此，可以控制系統(tǒng)的工作頻率改變A1和A2，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓輸出模式的切換。該方案不需要使用復(fù)雜的切換拓?fù)浞椒?，無需增加開關(guān)管等附加器件，提高了無線充電系統(tǒng)整體的傳輸效率[2]。

2.5 基于充電狀態(tài)變化的CC/CV 控制

已知S-S 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的諧振無線電能傳輸系統(tǒng)具有恒流輸出功能；S-LCL 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的諧振無線電能傳輸系統(tǒng)具有恒壓輸出功能。由于鋰電池的等效阻抗在充電過程中會發(fā)生變化，因此可以根據(jù)輸出電壓的變化進(jìn)行拓?fù)淝袚Q。如圖10 所示，S-S和S-LCL 兩個(gè)不同拓?fù)渫ㄟ^兩個(gè)互相解耦的線圈連接，并利用不可控整流橋的鉗位作用，根據(jù)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥x擇。當(dāng)?shù)刃ё杩馆^小時(shí)導(dǎo)通S-S 補(bǔ)償拓?fù)?，進(jìn)行恒流充電；而當(dāng)?shù)刃ё杩乖龃蟮侥骋慌R界值后S-LCL 補(bǔ)償拓?fù)浔粚?dǎo)通，進(jìn)行恒壓充電。該系統(tǒng)利用不可控整流橋而不是開關(guān)實(shí)現(xiàn)拓?fù)淝袚Q，減少了系統(tǒng)的控制難度，且可實(shí)現(xiàn)恒流充電到恒壓充電的自動轉(zhuǎn)換，但該方案使接收端電路的復(fù)雜度大大增加，且二次側(cè)LCL 支路有可能存在斷續(xù)的情況，另外接收端兩個(gè)線圈之間需要解耦，否則會影響系統(tǒng)的輸出性能[23]。

圖10 非開關(guān)的拓?fù)渥詣忧袚Q控制Fig.10 Automatic switching control of non-switch topology

表1 對電動自行車無線充電系統(tǒng)上述控制方式進(jìn)行了歸納對比。

表1 恒流恒壓控制Tab.1 Constant current and constant voltage control

3 整流電路

整流電路作為與負(fù)載直接聯(lián)系的一部分，其功率損耗、諧波含量等都對電動自行車高效穩(wěn)定充電有一定影響[24]，為了減小電動自行車充電器的體積，需要避免龐大復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖11 所示的橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是簡單高效，被大量運(yùn)用于電動自行車的無線充電技術(shù)。橋式整流可以利用交流電的正負(fù)半周期，其效率高于半波整流且輸出紋波更小，同時(shí)克服了全波整流電路要求變壓器次級有中心抽頭和二極管承受反壓大的缺點(diǎn)。

圖11 橋式整流Fig.11 Bridge rectifier

在仿真分析中可以發(fā)現(xiàn)，大部分的耗散功率是由無源整流器和電阻調(diào)制引起的，為了降低這部分的損耗進(jìn)而提高電動自行車無線充電的效率，提出接收側(cè)電路去除電阻調(diào)制網(wǎng)絡(luò)，整流器采用有源MOS 開關(guān)來提高傳輸效率，上橋臂交叉耦合，將接收的交流信號用作開關(guān)管的驅(qū)動信號；而接收的交流信號通過比較器和非邏輯門后，再作為下橋臂的驅(qū)動信號[25-27]。在100 kHz的工作頻率下，以開關(guān)損耗為主，如圖12 所示的有源MOS 整流器拓?fù)?，更適合用作電動自行車的無線充電，整流效率提高到了98.6%[28]。

圖12 有源整流器Fig.12 Active rectifier

當(dāng)整流橋交流等效電阻等于最優(yōu)負(fù)載阻值時(shí)稱為阻抗匹配，此時(shí)IPT 系統(tǒng)效率達(dá)到最大。欲使系統(tǒng)在不同負(fù)載下均能實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，需要在系統(tǒng)中增加額外的控制電路。加入DC-DC 電路能調(diào)整等效電阻，但增大了電動自行車接收電路體積以及功率損耗，而采用可控開關(guān)管替代二極管，實(shí)現(xiàn)了類似的功能卻不增加額外功率損耗，單相全控整流電路如圖13（a）所示，若只控制全橋整流電路的下橋臂則可減小接收側(cè)電路的復(fù)雜度，得到的單相半控整流電路如圖13（b）所示?？梢杂脭_動觀測算法找到最小的系統(tǒng)直流輸入電流來調(diào)節(jié)整流導(dǎo)通角β，從而實(shí)現(xiàn)恒流充電和最大效率跟蹤[29-30]。另外從平衡原副邊電流的角度，控制逆變器與半控整流橋，使原副邊電流比為定值，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的優(yōu)化[31]。

圖13 可控整流電路Fig.13 Controlled rectifier circuit

半控整流電路的開關(guān)頻率由系統(tǒng)諧振頻率決定，這樣會導(dǎo)致開關(guān)損耗大且控制復(fù)雜，考慮VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，使整流電路工作在短路或是全橋整流下，并加入了可控BOOST 電路調(diào)節(jié)輸出電壓，如圖14 所示，通過測量半控直流電路的輸出電壓和接收線圈的電流來得到等效電阻，推得最大效率時(shí)的半控整流電路以及BOOST 電路占空比，調(diào)整占空比以實(shí)現(xiàn)最大效率傳輸，這種方法大大降低了開關(guān)頻率且簡化了控制，但使整流電路變得復(fù)雜[32]。

圖14 改進(jìn)的整流器Fig.14 Improved rectifier

4 異物檢測

電動自行車在行駛的過程中不可避免地會濺起灰塵、泥土等雜物，這些異物中的金屬物體出現(xiàn)在無線充電線圈之間時(shí)，磁場變化會出現(xiàn)系統(tǒng)工作點(diǎn)偏離、導(dǎo)體異物發(fā)熱等問題，且電動自行車在充電過程中，電池本身的化學(xué)反應(yīng)也會產(chǎn)生熱量。這些熱量的產(chǎn)生具有極大的火災(zāi)安全隱患。為了盡可能消除隱患，減少熱量的產(chǎn)生，異物檢測模塊對于電動自行車的無線充電系統(tǒng)是十分必要的[33]。

目前的電動自行車無線充電標(biāo)準(zhǔn)都對異物檢測作出了相關(guān)規(guī)定，表2 對幾種異物檢測方式進(jìn)行了總結(jié)。

表2 異物檢測方式對比Tab.2 Comparison among foreign object detection methods

輔助線圈檢測法通常需要使用多個(gè)足夠小的線圈組成陣列式檢測線圈進(jìn)行檢測，但在檢測小線圈之間易存在空隙，這些空隙就是檢測盲區(qū)，可以采取多層非重疊線圈、雙層對稱線圈、非重疊對稱線圈或改變輔助線圈形狀等方式減小檢測盲區(qū)[34-35]。為了使檢測線圈能在無線輸電系統(tǒng)未工作時(shí)獨(dú)立運(yùn)行，可以采用基于輔助線圈自感變化的含有獨(dú)立源的檢測系統(tǒng)[36]，并且能夠通過不同輔助線圈的信號大致判斷異物位置，這種檢測方法會增加充電器的體積但成本低，較適用于電動自行車的無線充電系統(tǒng)。

系統(tǒng)參數(shù)檢測法是考慮到當(dāng)線圈之間出現(xiàn)異物時(shí)，可以等效為出現(xiàn)了附加感應(yīng)電路，金屬異物等效電路與傳輸電路耦合后，造成原副邊線圈等效電阻增加、等效電感減小，因此引起系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)及其他參數(shù)發(fā)生改變[37]，通過對相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測從而判斷異物是否存在，但這種方法在線圈錯(cuò)位的情況下容易造成誤判，適用于電動自行車無線充電器穩(wěn)固不移位的情況，如定位上鎖或磁吸充電。

傳感器檢測法可以利用雷達(dá)、超聲波的反射來判斷異物位置，也可利用熱成像或機(jī)器視覺學(xué)習(xí)技術(shù)來獲得異物分布狀況，還能用電容傳感器、溫度傳感器和光學(xué)傳感器等對生物體異物進(jìn)行檢測。這種檢測方法精準(zhǔn)度高，但相對地大大提升了充電器成本，且不利于維護(hù)，不適用于電動自行車。

5 亟待解決的問題及研究方向

目前，國內(nèi)外高校和科研機(jī)構(gòu)對于電動自行車無線充電系統(tǒng)均有一定的研究，但由于傳輸效率低，對耦合系數(shù)變化敏感等問題，導(dǎo)致真正產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的產(chǎn)品很少，仍有不少問題尚待解決。

（1）優(yōu)化磁耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)?？紤]電動自行車的體積特點(diǎn)，不宜安裝過于龐大的接收裝置，設(shè)計(jì)怎樣的線圈形狀、線圈的集成方式以及接收裝置的安裝位置等，進(jìn)而獲取最大的耦合效率對電動自行車無線充電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)十分重要?，F(xiàn)已有無線充電帶出現(xiàn)，若能進(jìn)一步對線圈進(jìn)行陣列式敷設(shè)，則能擴(kuò)大傳輸范圍，降低車輛嚴(yán)苛的擺放要求。

（2）提高能量傳輸效率。電動自行車的巨大需求導(dǎo)致了對充電的高要求，無線電能傳輸技術(shù)采用空間磁場或電場的耦合進(jìn)行能量傳輸，不可避免地造成了能量的流失，為了提高無線充電的傳輸效率進(jìn)而發(fā)揮更大的優(yōu)勢，可以從耦合機(jī)構(gòu)和功率變換器的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究，減少由于功率變換和空間耦合造成的功率損失。此外，不同品牌電動自行車的電池充電電壓不同，若考慮在整流環(huán)節(jié)對電壓進(jìn)行調(diào)整，從而能適應(yīng)不同電池負(fù)載的電壓要求，在一定程度上能減少額外功率調(diào)節(jié)電路的使用，提高系統(tǒng)整體效率。

（3）保障系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定。目前無線充電技術(shù)對于耦合系數(shù)及負(fù)載的變化依舊比較敏感，線圈的偏移會造成充電效率的降低以及輸出的不穩(wěn)定，如何獲取耦合系數(shù)和負(fù)載信息從而進(jìn)行閉環(huán)控制，是穩(wěn)定輸出的重要一步。通信握手是進(jìn)行充電的一個(gè)非常關(guān)鍵的部分，但隨著無線能量傳輸功率以及系統(tǒng)工作頻率的提高，采用射頻通信會導(dǎo)致誤碼率升高，若在能量傳輸?shù)倪^程中將該信息進(jìn)行同步傳輸則能很好地解決這個(gè)問題。

6 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)安全便捷、高效可靠的充電是如今龐大的電動自行車持有量下急需解決的關(guān)鍵問題之一，電動自行車的無線充電技術(shù)因此具有廣泛的應(yīng)用前景。本文從磁耦合機(jī)構(gòu)、恒壓恒流控制、整流器以及異物檢測等方面對電動自行車無線充電的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié)，并指出了目前亟待解決的問題以及未來可能的研究方向。可以看到，電動自行車無線充電技術(shù)已得到廣泛的研究，并取得了一定的進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)普遍的應(yīng)用仍有許多問題需要解決。相信在各大高校及研究機(jī)構(gòu)的努力下，進(jìn)一步應(yīng)用現(xiàn)有理論完成突破，可真正實(shí)現(xiàn)電動自行車的高效便捷無線充電。