電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電關(guān)鍵技術(shù)初探

北汽福田汽車股份有限公司 韓建友

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電關(guān)鍵技術(shù)初探

北汽福田汽車股份有限公司 韓建友

目前在人們?nèi)粘５拇焦ぞ咧须妱?dòng)汽車最普遍，而我國電動(dòng)汽車充電上主要是接觸式充電，同時(shí)無線充電技術(shù)也在不斷發(fā)展?，F(xiàn)今無線充電技術(shù)以靜態(tài)為主，而其動(dòng)態(tài)的充電方式作為對靜態(tài)的一種完善及補(bǔ)充符合未來電動(dòng)汽車對無線充電的要求，并且有利于電動(dòng)汽車的推廣，使其充電更加便捷。我國對于動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)相關(guān)結(jié)構(gòu)一直在不斷地進(jìn)行研究，但是受多方面因素的影響，此種充電形式在發(fā)展中還有許多限制及阻礙，這些瓶頸需要相關(guān)人員針對其特點(diǎn)進(jìn)行解決，從而使動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)可以得到良好的發(fā)展及高效的應(yīng)用，進(jìn)而為電動(dòng)汽車綠色出行提供發(fā)展空間。

電動(dòng)汽車；動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)；現(xiàn)狀；發(fā)展

在現(xiàn)代社會中人們出行少不了代步工具的使用，而汽車的使用是造成溫室效應(yīng)的主要因素之一，因此我國在發(fā)展的過程中不斷推廣綠色出行方式，電動(dòng)汽車就是一種節(jié)能環(huán)保的交通工具。但是在實(shí)際中，受電車電池容量的影響，其充電問題成為電動(dòng)汽車出行中最主要的一個(gè)問題，尤其是現(xiàn)今充電站設(shè)置較少且固定，充電基礎(chǔ)設(shè)施的限制嚴(yán)重地阻礙了電動(dòng)汽車的普及與發(fā)展，成為了需要著重解決的難題之一。

1 電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)的特點(diǎn)及種類

1.1 無線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車充電中應(yīng)用的特點(diǎn)

無線充電技術(shù)主要是利用無線電能傳輸技術(shù)來進(jìn)行無接觸式充電，并且此種技術(shù)在應(yīng)用中可以突破接觸式充電中需要面對的接口限制，并解決傳統(tǒng)充電模式中存在的安全問題，在應(yīng)用中較傳統(tǒng)的充電方式更加成熟，這種非接觸的電能傳遞方式可以提高充電效率并簡化充電流程。

1.2 無線充電技術(shù)的分類

通常在無線充電的分類中會依據(jù)其形式分三個(gè)種類，為此以下對這三種無線充電技術(shù)進(jìn)行了簡單的分析。

（1）電磁感應(yīng)式充電。主要是利用送電線圈及接電圈來進(jìn)行電能的交接變流，促使在線圈之間形成磁束的交替變換，從而保證線圈可以在電磁感應(yīng)中完成感應(yīng)電動(dòng)勢及接收交變電流，從而保證無線充電的完成，目前電動(dòng)汽車無線充電是一種具有較高開發(fā)意義的充電技術(shù)。

（2）磁共振充電技術(shù)。在應(yīng)用磁共振上需要具有以下幾個(gè)部分，電源、輸出、接收及整流器等，根據(jù)其技術(shù)特點(diǎn)可以得知此種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中與電磁感應(yīng)基本相同，也是在充電過程中將電源電流轉(zhuǎn)換為交變磁束進(jìn)行傳輸接收，而與電磁感應(yīng)式充電不同的是其在實(shí)際中為了達(dá)到共振頻率的可控性會采用可控電路及高頻驅(qū)動(dòng)電源對其進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)采用兼?zhèn)渚€圈及電容器來提高電力傳輸及接收的單元性能。

（3）微波充電。這種充電方式主要是應(yīng)用電波發(fā)生裝置進(jìn)行電力的輸送，此裝置的頻率為2.45GHz的微波頻率，與磁控管的原理大致相同，在微波傳送中，其應(yīng)用的主要為交流電源，但是可以在傳輸?shù)倪^程中應(yīng)用整流電路來對電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)換為直流電來進(jìn)行充電，但是在此種無線充電技術(shù)的應(yīng)用中需要注意屏蔽裝置的設(shè)置，以免在充電的過程中出現(xiàn)微波泄露的情況，可利用金屬屏蔽裝置來改善這一問題。

2 開發(fā)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)的重要性

目前技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)及電動(dòng)汽車電池的容量使電動(dòng)汽車在應(yīng)用中的電力消耗可能無法滿足出行需求，雖然原有的靜態(tài)無線充電技術(shù)可以有效地解決接觸式充電中存在的不足，但是在實(shí)際中，仍然有充電頻率多、續(xù)航效果較差及成本高等問題，這些因素的存在限制了無線充電技術(shù)的發(fā)展。尤其是在現(xiàn)今鼓勵(lì)綠色出行的趨勢下，一些電車為了保證出行效率必須要保證電車的續(xù)航能力，為此應(yīng)用動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)使電動(dòng)汽車在行車過程中可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)充電已經(jīng)成為了無線充電技術(shù)在發(fā)展中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是其重要的發(fā)展方向，這樣才能改善人們的交通出行結(jié)構(gòu)，保證動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)可以更好地開發(fā)及推廣。

3 動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)在發(fā)展中遇到的問題

3.1 無線充電裝置中耦合的問題

動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)的應(yīng)用對其原有的技術(shù)有了更高的要求，其中非常重要的一點(diǎn)就是在裝置的設(shè)置上應(yīng)用雙極供電導(dǎo)軌進(jìn)行耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)置，通常此種結(jié)構(gòu)在實(shí)際中要優(yōu)于單極性導(dǎo)軌，雙極導(dǎo)軌在實(shí)際的應(yīng)用中功率要更高，并且在尺寸上可以適應(yīng)軌道磁場水平，具有施工簡單、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，在實(shí)際的應(yīng)用中還存在著一個(gè)不可忽略的問題就是此種技術(shù)存在耦合零點(diǎn)的問題，主要是由于在雙極導(dǎo)軌中其磁場分布并不具備規(guī)律性，這也導(dǎo)致了在電力傳輸?shù)倪^程中各個(gè)部分磁場形成不均勻，其耦合問題致使電能在傳輸?shù)倪^程中會出現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換效率不高的問題，整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)電能傳輸不穩(wěn)定的情況，無法達(dá)到快速充電及高效充電的目的，需要對此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)電磁兼容效果不佳

電磁兼容作為動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)中重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系著無線充電系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的效率，電磁兼容問題影響著電能傳輸，并且在實(shí)際中其兼容效果不佳可能會造成電能系統(tǒng)整體受到干擾，出現(xiàn)電能傳輸不穩(wěn)定的情況，同時(shí)電磁兼容問題也與人們的身體健康有著一定的關(guān)系。為此，在實(shí)際中必須要解決其存有的兼容問題才能使動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)裝置高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，保證在動(dòng)態(tài)無線充電過程中具有較高的可靠性。目前對于其電磁兼容效果不佳的問題主要研究方向?yàn)槿绾瓮ㄟ^有效的技術(shù)手段來使電磁兼容所產(chǎn)生的影響在最小的范圍內(nèi)，進(jìn)而保證系統(tǒng)整體的安全性及可靠性。

3.3 魯棒在動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)中所存在的控制問題

上文提到了動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)主要應(yīng)用雙極性導(dǎo)軌，因此磁場、介質(zhì)、耦合等問題都成為影響其控制的因素。能量傳輸處于快速非線性變化過程，如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度成為動(dòng)態(tài)無線能量傳輸系統(tǒng)控制策略的研究目標(biāo)。

4 電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)

4.1 磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)無線供電導(dǎo)軌大致分為以下幾類：分立形式的連續(xù)單線圈結(jié)構(gòu)、矩形長線圈型與雙磁極型。從2011年到2015年KAIST研究人員提出了具有更大傳輸距離、更窄寬度、更高效率的第四代Ⅰ型結(jié)構(gòu)雙極型磁芯軌道及第五代S型結(jié)構(gòu)雙極型供電導(dǎo)軌。雙磁極型供電導(dǎo)軌將磁通路徑從以往與車輛行進(jìn)方向垂直改變?yōu)檠剀囕v行進(jìn)方向，以其功率密度高、尺寸緊湊、施工難度小、對軌道兩側(cè)磁場暴露水平低、側(cè)移適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，更適合應(yīng)用于電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線供電。通過自解耦原理優(yōu)化兩相線圈的尺寸、位置等參數(shù)消除交叉耦合，使兩相線圈可以在任意位置同時(shí)工作互不影響，實(shí)現(xiàn)高效能量接收。同時(shí)，以上述耦合機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，研究了相適應(yīng)的魯棒控制技術(shù)和電磁兼容技術(shù)，可有效解決耦合系數(shù)零點(diǎn)問題，大幅度提高整體傳輸效率。

4.2 能量傳輸魯棒控制技術(shù)

在動(dòng)態(tài)無線電能傳輸控制技術(shù)方面，主要分為原邊控制、副邊控制和雙邊控制三種方式。奧克蘭大學(xué)提出通過調(diào)節(jié)逆變器驅(qū)動(dòng)信號占空比來控制原邊諧振電流的方式，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。原邊控制供電導(dǎo)軌恒流，產(chǎn)生恒定交變磁場，無需計(jì)算反映阻抗無法實(shí)現(xiàn)最大效率控制。

4.3 電磁兼容技術(shù)動(dòng)態(tài)

無線電能傳輸利用高頻強(qiáng)磁場實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，自身工作頻率較高，電磁環(huán)境復(fù)雜，因此電磁兼容設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要內(nèi)容，具體包括磁屏蔽設(shè)計(jì)、頻率配置、接地設(shè)計(jì)、剩磁設(shè)計(jì)、軟件抗干擾設(shè)計(jì)等。利用鐵磁性材料可改善磁耦合線圈的自感和互感系數(shù)，在增強(qiáng)耦合性能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化磁場空間分布約束，磁路損耗較小，但屏蔽效果有限。金屬屏蔽廣泛應(yīng)用于射頻場合中，可抑制高頻磁場電磁干擾。

5 在交通中可以應(yīng)用的動(dòng)態(tài)無線充電方式

5.1 行車過程中進(jìn)行充電

其主要是將無線充電發(fā)送裝置鋪設(shè)在固定的路段上，電動(dòng)汽車在此路段行駛的過程中可以通過充電系統(tǒng)的發(fā)送裝置進(jìn)行電力的輸送，在短時(shí)間內(nèi)快速的進(jìn)行充電活動(dòng)，使汽車在行駛的過程中也可以補(bǔ)充電能，體現(xiàn)出隨時(shí)進(jìn)行充電的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)功能。

5.2 公交車停站時(shí)進(jìn)行充電

此種方法主要是在公交站臺設(shè)置相應(yīng)的無線充電系統(tǒng)，公交車在站臺停站的同時(shí)由充電系統(tǒng)進(jìn)行電力傳送，使公交車可以及時(shí)地補(bǔ)充電能，此種方法可以使公交車不需要攜帶大型的電池，減小電池容量及體積的同時(shí)還可以節(jié)約充電時(shí)間，避免續(xù)航能力差等問題發(fā)生，進(jìn)而降低公交車運(yùn)行成本，此種方式也被歸為動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)的一種。

5.3 利用智能電網(wǎng)進(jìn)行無線充電控制

其主要是將電動(dòng)汽車的無線充電也歸為智能電網(wǎng)控制管理所需要負(fù)責(zé)的部分，由智能電網(wǎng)對無線充電裝置進(jìn)行控制。此種方法可以協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)的用電情況，在智能電網(wǎng)管控中通過對電動(dòng)汽車行駛區(qū)域的電力使用情況及電力負(fù)荷情況來進(jìn)行智能的充電及電力的控制，從而保證電網(wǎng)運(yùn)行效果良好，電力使用情況在電網(wǎng)負(fù)荷的范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

以上從多角度對動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)在實(shí)際發(fā)展中可能遇到的問題進(jìn)行了分析，并對此做出了針對性的深入解讀，提出了可以在實(shí)際中采用的解決方案，使動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)可以更好地發(fā)展。但是這些理論內(nèi)容還需通過實(shí)踐來進(jìn)一步的探索，不斷地在實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，目前我國相關(guān)技術(shù)的研究還處于實(shí)驗(yàn)階段，在動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)投入使用上還需對其技術(shù)進(jìn)一步的完善。對于動(dòng)態(tài)無線充電在交通行業(yè)中的商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化、工程化，技術(shù)只是其中的一個(gè)部分，要想真正達(dá)到全面推廣使用的目標(biāo)，還有較長的路需要走，在此過程中仍然需要探索及發(fā)現(xiàn)技術(shù)中存在的不足，使動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)可以引領(lǐng)先進(jìn)的技術(shù)理念。

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