基于無線電能傳輸智能駕駛領(lǐng)域的研究

李星燦 張 杰 夏 帥

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

近幾年，隨著以石油為代表的化石燃料逐漸短缺以及人類節(jié)能減排意識(shí)的提高，無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)入了人們的視線。在眾多電子產(chǎn)品中，新能源汽車的無線電能傳輸技術(shù)具有相當(dāng)?shù)拇硇?。新能源汽車是未來的發(fā)展趨勢(shì)，電動(dòng)汽車更是其代表，是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ慕煌üぞ摺1]但是目前電動(dòng)汽車都采用導(dǎo)線進(jìn)行電能傳輸，具有以下弊端:充電電流過大，線損大，高純度導(dǎo)線成本高；充電物理連接端口磨損大，壽命低，有氣隙，容易產(chǎn)生火花；線纜重量大，不利于便攜，絕緣工藝復(fù)雜，受環(huán)境影響大。

從目前技術(shù)發(fā)展上來看電動(dòng)汽車還處于發(fā)展中的狀態(tài)，續(xù)航時(shí)間、儲(chǔ)能方式、充電效率等因素成為制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵。而電磁諧振式電能傳輸技術(shù)能極大限度地改良現(xiàn)狀。只需要將能量發(fā)射裝置事先埋設(shè)于地下，或者臨時(shí)鋪設(shè)于道路上，就能實(shí)現(xiàn)以非物理接觸的形式將電能傳輸?shù)诫妱?dòng)汽車的接收裝置，進(jìn)而對(duì)電池組進(jìn)行充電，無論是效率還是安全性都得到了很大的提升。通過探究影響無線充電充電效率的關(guān)鍵因素，給予相應(yīng)的提高充電效率的思路與方法，設(shè)計(jì)一種基于無線電能傳輸技術(shù)的綠色智能小車。從目前市面上的電動(dòng)汽車來看，絕大多采用的是鉛酸電池進(jìn)行供電，這就導(dǎo)致了大多數(shù)電動(dòng)汽車無法長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的問題，相對(duì)應(yīng)的充電樁、充電站投入成本就會(huì)增加。目前電動(dòng)車充電時(shí)間普遍偏長(zhǎng)，大致在6-10小時(shí)，顯然不能被用戶接受?？焖佟⒏咝食潆娛浅潆娖嚢l(fā)展過程中最為關(guān)鍵的技術(shù)，也是瓶頸之一。其主要原因是目前充電方式限制了能量的高效利用，無線充電技術(shù)能從根本上解決問題。電磁諧振式的無線輸電方式有如下優(yōu)點(diǎn)：傳輸距離適中，在一定距離范圍內(nèi)電能傳輸穩(wěn)定；輸電效率高，能量損耗小，可達(dá)90%左右；原理較為簡(jiǎn)單，價(jià)格可被大多數(shù)人接受，便于推廣與普及[2]。

本文研究的是將高功率因數(shù)、低輸入阻抗和低匹配難度的硬件模塊應(yīng)用于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域；采用雙閉環(huán)控制的AC/DC和雙閉環(huán)控制的DC/DC結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)無線供電和運(yùn)動(dòng)持續(xù)無線供電；加入了功率因數(shù)校正和軟開關(guān)技術(shù)，極大地提升無線充電系統(tǒng)偏移裕度、電路工作穩(wěn)定性和電能傳輸效率。通過搭載電磁傳感器采集道路信息和工業(yè)級(jí)MCU計(jì)算最優(yōu)路線，實(shí)現(xiàn)起步、加速、巡航、自動(dòng)停車、自動(dòng)泊車等動(dòng)作。

一、背景知識(shí)

（一）無線供電與自動(dòng)駕駛

無線供電技術(shù)經(jīng)過上百年的發(fā)展，已經(jīng)成功達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的階段，市面上搭載無線供電技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)遍布各個(gè)領(lǐng)域，小到電動(dòng)牙刷、剃須刀，大到飛行器、潛水艇。這些無線供電產(chǎn)品在推動(dòng)科技發(fā)展的同時(shí)也為人們的生活帶來了極大的便利。無線供電不是指非接觸式供電，而是指超遠(yuǎn)距離高效率的非接觸式供電。近幾年來，無線供電技術(shù)更是得到了飛速發(fā)展，在手機(jī)領(lǐng)域顯得尤為突出。電動(dòng)汽車的問世，又給無線供電技術(shù)提供了極大的發(fā)展空間。無線供電能讓電動(dòng)汽車在沒有加油站、供電站的情況下隨時(shí)隨地充電，不會(huì)使能源問題成為自動(dòng)駕駛發(fā)展路上的絆腳石。未來，遠(yuǎn)距離高效率非接觸式供電將取代傳統(tǒng)充電方式，從真正意義上實(shí)現(xiàn)無線供電。[3]

圖1 無線充電轎車原理示意圖

（二）諧振式無線供電

諧振式無線輸電利用了磁共振原理，首先讓供電線圈處于自諧振狀態(tài)，諧振頻率與接收線圈的諧振頻率一致，接收線圈也處于自諧振狀態(tài)，這樣一來，頻率的一致使整個(gè)線路的能量損耗主要以發(fā)熱的形式存在于發(fā)射線圈處，接收線圈能最大限度地榨取發(fā)射端的能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效率輸電。

（三）磁耦合諧振式無線供電

目前電力無線傳輸技術(shù)主要有三種：電感耦合型、微波型、磁耦合諧振型。

電感耦合型效率高，通過在電極中產(chǎn)生電磁場(chǎng)來供電。微波型技術(shù)主要在于提高電流Q值來保證傳輸效率。磁耦合諧振型相對(duì)于前兩者來說，不僅有傳輸距離上的優(yōu)勢(shì)，也支持水平方向上的錯(cuò)位，在感應(yīng)線圈中存在異物時(shí)也不會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，此外還具有成本低，重量輕等特點(diǎn)，所以成為目前主流的無線供電方式。

（四）自動(dòng)駕駛

汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)利用多種傳感器采集路況信息，其中包括攝像頭、激光雷達(dá)、超聲波測(cè)距器等。在此基礎(chǔ)上，通過與事先采集的地圖做比對(duì)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出目前實(shí)時(shí)道路情況，對(duì)突發(fā)事件做出反應(yīng)。在控制系統(tǒng)上也分為駕駛輔助系統(tǒng)、部分自動(dòng)化系統(tǒng)、高度自動(dòng)化系統(tǒng)、完全自動(dòng)化系統(tǒng)。

（五）電磁循跡

電磁循跡是根據(jù)特定道路發(fā)出的高頻電磁場(chǎng)來判斷道路情況的一種檢測(cè)方案，通常應(yīng)用于汽車模型測(cè)試、智能車制作等領(lǐng)域。對(duì)于電磁循跡智能車，電磁傳感器無疑是智能車的“眼睛”，其分布方式更是影響檢測(cè)精度和準(zhǔn)確性。常見的有一字型電感排布、一字與垂直輔助排布、內(nèi)八型分布排布、雙排及多排分布排布。

二、設(shè)計(jì)與制作

（一）無線供電硬件

在對(duì)無線供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作中，電能發(fā)射端與接收端皆采用串聯(lián)諧振電路進(jìn)行能量傳輸。電能發(fā)射端采用單相半橋逆變電路進(jìn)行搭建，半橋選用大功率MOS管80NF70以保證電能正常輸出，將輸入的直流電逆變?yōu)殡妷?00V、頻率640kHz的高頻交流信號(hào)。接收端首先繞制大小合適的電感，并估測(cè)出大致感值。當(dāng)頻率、電感值一定時(shí)，根據(jù)頻率、感值、容值之間的關(guān)系，可以計(jì)算出所應(yīng)匹配的容值大小，然后接整流二極管將感應(yīng)到的高頻交流電整流為直流電，再通過Buck電路輸出電壓可調(diào)的直流電送給電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能部件中。其中，諧振回路電容選取高頻耐壓的NPO電容，整流二極管選取耐壓較高的SK1010進(jìn)行搭建。[4]

（二）車模設(shè)計(jì)

為了說明無線輸電是如何應(yīng)用于電動(dòng)車領(lǐng)域，我們制作了縮小比例的智能車模型進(jìn)行研究。一開始為了更真實(shí)模擬，我們選取了碳纖維骨架作為車的主體。但通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，因碳纖維材質(zhì)的導(dǎo)電性能與高頻諧振產(chǎn)生反應(yīng)，影響接收線圈諧振點(diǎn)，并且在高頻振蕩環(huán)境下自身產(chǎn)生渦流，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)熱，所以碳纖維材料不適用于無線輸電領(lǐng)域。我們嘗試了校正諧振點(diǎn)和加隔磁片等方案，但效果并不明顯。最后我們還是采用了亞克力以及ABS樹脂材質(zhì)，通過激光切割、3D打印等工藝制作了車模。[5]

（三）電磁循跡自適應(yīng)研究

圖2 無線充電原理示意圖

根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，電磁傳感器能對(duì)這種交變磁場(chǎng)做出感應(yīng)，產(chǎn)生參數(shù)交變信號(hào)，通過放大濾波、AD轉(zhuǎn)換處理成數(shù)字信號(hào)以便MCU進(jìn)行計(jì)算。在采集電磁信號(hào)的過程中，會(huì)因?yàn)殡娐?、磁?chǎng)、天氣等多種因素產(chǎn)生干擾，使采集到的數(shù)據(jù)發(fā)生波動(dòng)，從而產(chǎn)生誤差。因此在硬件濾波后再進(jìn)行軟件濾波處理，去除或者減小噪點(diǎn)對(duì)正確數(shù)據(jù)的影響。選用滑動(dòng)平均值濾波，有兩種濾波算法，一種是滑動(dòng)算術(shù)平均值濾波，一種是滑動(dòng)加權(quán)平均值濾波。為了讓電感能更敏感地對(duì)交變磁場(chǎng)做出反映，我們采用了前瞻預(yù)處理方案。利用ADS114S06處理芯片，讓采集到的模擬量更好地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理是一種不基于量綱的處理手段，因?yàn)椴煌闹笜?biāo)具有不同的量綱單位，這會(huì)使數(shù)據(jù)分析在不同理論下產(chǎn)生多種結(jié)果，所以我們需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸一化處理，消除數(shù)據(jù)間的量綱影響。原始的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，各指標(biāo)處于同一數(shù)量級(jí)，適合進(jìn)行綜合對(duì)比處理。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)高功率因數(shù)、低輸入阻抗和低匹配難度的無線輸電硬件應(yīng)用與電動(dòng)車領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和研究，消除了傳統(tǒng)以導(dǎo)線為載體的電力傳導(dǎo)模式的弊端。因缺乏經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)文獻(xiàn)，導(dǎo)致花費(fèi)了大量時(shí)間在數(shù)據(jù)樣本采集上，最終順利找到了最佳匹配參數(shù)，通過不斷調(diào)校，傳輸套件能以極快速度對(duì)超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)充放電，并且能在車模正常運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)持續(xù)動(dòng)態(tài)供電。當(dāng)前遺留的問題是不能有效減少傳輸套件工作情況下的發(fā)熱以及發(fā)射端對(duì)其他磁導(dǎo)性介質(zhì)產(chǎn)生的損耗。