香港城市大学江朝强教授团队在《自然·通讯》发表超薄20kW纳米晶无线充电系统，助力自动驾驶自主补能

　　（来源：电能革新）

　　《自然·通讯》首次发表大功率纳米晶无线充电系统领域的研究成果，王一博为论文第一作者，香港城市大学为第一完成单位，联合中国科学院东莞材料科学与技术研究所、剑桥大学、奥克兰大学、香港理工大学以及香港大学合作完成。

　　近日，国际权威学术期刊《Nature Communications》在线发表了由香港城市大学江朝强教授团队领衔，联合中国科学院东莞材料科学与技术研究所、剑桥大学、中国科学院物理研究所等单位合作完成的最新研究成果，王一博博士为论文第一作者。

　　研究团队基于前期开发的排架式高架桥磁芯结构及充电板设计，结合高性能Fe基纳米晶合金材料及后处理工艺基础，运用应力退火精准调控单轴磁各向异性，进行磁导率及损耗优化，成功研制出20kW级高性能电动汽车无线充电系统，AC-AC效率可达98.51%，无源器件体积功率密度达9.55 kW/L，为自动驾驶时代的自动化充电提供了全新的解决方案。

　　《自然·通讯》官网论文页面

　　成果展示现场

图1 基于纳米晶合金的电动汽车全自动无线充电系统整体架构

　　随着电动汽车向高阶智能化和完全自动驾驶方向加速演进，车辆正从单纯的交通工具转变为能够自主决策与服务的移动智能空间。大规模商用部署自动驾驶汽车的关键前提之一，是实现完全自动化的充电解决方案，即车辆能够自主完成停车、对准、充电的全过程，无需人工干预。感应式无线充电（Inductive Power Transfer, IPT）被认为是实现自动化充电的理想技术路线。

　　然而，当前主流的铁氧体磁芯方案面临着效率、功率密度和热稳定性的"不可能三角"：铁氧体磁芯饱和磁密低，为保安全必须做得厚重，功率密度受限；高频高磁密下损耗大、热稳定性差，长时间高功率运行易过热降额。如何兼顾高效率、高功率密度和高热稳定性，成为无线充电大规模应用的核心瓶颈。

　　研究团队通过系统的电磁仿真与实验验证发现，过高的磁导率反而会导致磁通分布不均、局部磁通密度过高，不仅无法提升整体磁耦合效率，还会增加损耗和漏磁风险。

　　研究团队通过磁路优化，设计出排架式高架桥磁芯结构，并且通过在退火过程中沿纳米晶薄带方向施加可控的拉伸应力，通过应力-热双场耦合作用诱导产生单轴磁各向异性将磁导率调控至合适区间。在85 kHz、0.2 T条件下，优化后的纳米晶合金磁芯损耗远优于传统铁氧体材料。

　　磁畴观测进一步揭示了损耗降低的微观机制：适度应力诱导的磁各向异性使磁畴结构更加均匀有序，减少了磁畴壁的钉扎和畴壁分叉现象，从而显著降低了磁滞损耗和涡流损耗。更重要的是，该材料展现出优异的热稳定性：在25°C至100°C宽温范围内，损耗密度变化率低于20%，完全满足车载无线充电的长期高温运行需求。

图2 排架式高架桥磁路架构降低额外漏磁损耗及有效平衡磁力线走向

图3 应力退火工艺与纳米晶合金微观结构表征

　　通过磁路的调控优化设计，磁芯器件的后加工工艺以及纳米晶初始带材张力区间优化，最终制成的磁芯条尺寸为440 mm × 330 mm × 4 mm，厚度仅为传统铁氧体方案的一半，却能承载更高的功率密度。

　　基于优化后的应力退火纳米晶材料，联合团队研制了完整的20kW无线充电系统，包含PFC功率因数校正电路、SiC逆变器、无线耦合器和整流器升降压变换器全链路。

　　实测结果表明：在约20 kW输出功率下，系统AC-AC效率达到98.51%，且在整个功率范围内（1~20 kW）耦合器效率曲线保持几乎完全水平，展现出优异的宽负载适应性。

　　与已报道的同类研究相比，该系统在仅4 mm厚的磁芯层上实现了20 kW功率传输，体积功率密度达9.55 kW/L（含线圈、磁芯及补偿网络），同时保持98.51%的高效率，综合性能处于国际领先水平。

　　损耗分析表明，纳米晶磁芯的磁损耗仅为156.53 W，相比传统铁氧体方案降低了63%，为系统的高功率密度和高热稳定性奠定了材料基础。该研究提出的"材料-系统协同设计"理念，突破了传统无线充电系统中材料与电气设计相互脱节的瓶颈。

　　基于高性能纳米晶合金的超薄、高效、高可靠无线充电系统，不仅可应用于自动驾驶电动汽车的全自动泊车充电，还可拓展至轨道交通、工业AGV机器人、低空飞行器等多个领域，为电动化与智能化融合发展提供关键材料支撑。香港城市大学及合作伙伴单位中国科学院东莞材料所非晶材料研究部和剑桥大学将持续推进该技术的产业化落地，推动高性能软磁材料在新能源领域的规模化应用。

　　性能一览 · DATA

性能指标	实测数值	说明
AC-AC 效率	98.51%	约 20 kW 输出功率下
体积功率密度	9.55 kW/L	含线圈、磁芯及补偿网络
磁芯条尺寸	440 mm × 330 mm × 4 mm	厚度为传统铁氧体方案的一半
纳米晶磁芯磁损耗	156.53 W	相比传统铁氧体方案降低 63%

　　相关成果以“Inductive Charging Systems Empowered by Stress-annealed Nanocrystalline Alloys with High Induced Magnetic Anisotropy”为题发表于《Nature Communications》。王一博（香港城市大学博士，洛桑联邦理工大学博士后）、李雪松（中国科学院东莞材料所副研究员）、周靖（中国科学院东莞材料副研究员）为论文共同第一作者，江朝强（香港城市大学副教授）、白海洋（中国科学院物理研究所研究员）、龙腾（剑桥大学教授）为共同通讯作者。

　　该工作由香港城市大学领衔，联合中国科学院东莞材料科学与技术研究所、剑桥大学、奥克兰大学、香港理工大学以及香港大学合作完成，并得到国家重点研发计划、香港研究资助局项目和国家自然科学基金重大项目的项目支持。