電動汽車動態(tài)無線充電技術

姚修宇

（上海海事大學 上海市 200120）

1 引言

在當今社會的發(fā)展過程中，汽車已經是人們生活的必需品，而且其功能也越來越多。但是，基于環(huán)保、綠色等概念的發(fā)展下，當前的汽車行業(yè)面臨著一個巨大的挑戰(zhàn)和機會：傳統(tǒng)模式下，發(fā)展了兩個世紀的汽車產業(yè)將從燃油方式轉變?yōu)殡娔芊绞?。這對于很多汽車生產與制造商來說無疑是一個巨大的難題。如何確保汽車電池的供電充足，如何確保汽車電子的安全性，如何確保汽車電池的充電速度等，均是需要當前快速解決的問題。在此，相關技術人員經過不斷地實踐得出了一個有效的方法：在當今靜態(tài)無線充電技術的不斷革新與發(fā)展過程中，電動汽車動態(tài)無線充電技術也被逐漸提上了日常，且開始對其進行針對性的研究與分析。而且，基于當今的靜態(tài)無線充電技術，動態(tài)無線充電技術也得到了相應的發(fā)展與建設。

汽車的無線充電技術是新能源汽車發(fā)展的重要部分。傳統(tǒng)的有線充電需要人工連接，屬于靜止式充電。汽車無線充電無需電氣連接，用戶體驗好，天氣適應性強，節(jié)省地面空間。

汽車無線充電主要有動態(tài)和靜態(tài)兩種方式，但是從本質上來分析，靜態(tài)無線充電與插電式充電同樣需要占用大量的時間，而且無法對汽車的續(xù)航能力進行有效地提升。比如，在一臺公交車的車載電池中，其續(xù)航能力一般情況下只能維持300 公里。但是由于現(xiàn)實情況，如堵車、啟停等影響，實際續(xù)航能力只有200 公里。也正是在這一背景下，電動汽車動態(tài)無線充電技術被逐漸地關注了起來，以至于人們開始思考如何實現(xiàn)汽車在運動的過程中自我充電。這樣不僅能夠有效提高電動汽車的續(xù)航能力，還能改變當前汽車對人類的服務方式。

2 電動汽車動態(tài)無線充電的關鍵技術問題研究

2.1 磁耦合結構的設計技術

在當今已經被應用于實踐中的無線供電導軌中，主要可以分為以下幾個方面：第一方面是分立形式的連續(xù)單線圈結構；第二方面是矩形長線圈類型和雙磁級的類型。在對其進行研究與設計的過程中，奧克蘭大學電動汽車動態(tài)無線充電技術研究中心相關工作人員提出了應用矩形長線圈供電導軌的方法來對當前的電動汽車動態(tài)無線充電技術中所體現(xiàn)出的問題進行有效地解決。同時，還提出需要在不同的結構和不同的形式下對其進行接收端結構的調整與安排。但是，這一方案在實際應用的過程中也發(fā)現(xiàn)了很多的問題，其中，比較典型的問題有：在這一供電導軌中，側移的能力相對較弱。在雙D 型線圈中增加一個正交線圈，或通過雙D 型和新型雙極接收端可以有效地改善這一問題，且可以優(yōu)化對耦合機構的側移能力提升。另外，還有其他技術人員提出，可以用新型的三相交流激勵能力發(fā)射導軌接收端對其進行設計與開發(fā)，進而可以在實際應用的過程中實現(xiàn)三相交流電的相互抵消，而且還能保證交叉耦合的能量拾取，和不同機構的橫像偏移容忍度提升。但是，在以上兩個方案的后續(xù)設計中又發(fā)現(xiàn)了一個問題：長線圈的應用存在一個特別大的問題就是功率密度較低，而且施工面積非常大，再加上軌道兩側的磁場暴露水平太高。

2.2 能量傳輸的控制技術

在電動汽車動態(tài)無線充電技術的電能傳輸和電能控制技術的研究過程中，主要可以將之區(qū)分為以下幾個研究內容：第一方面是原邊控制；第二方面是副邊控制，第三方面是雙邊控制。在這三種研究與設計方法當中，相關技術人員提出了可以通過調節(jié)逆變器驅動型號的方法來控制原邊諧振電流，同時還需要在此基礎上完成好整個系統(tǒng)的機構與建設。KAIST 在設計過程中應用了原邊恒流的控制技術，而且在逆變器的前部設計了DC/DC 變換器?；谶@一模式，可以在對原邊直流母線進行電壓調節(jié)的時候完成好逆變器的輸出以及逆變器的恒流控制。在此，我們需要明白，原邊的控制其根本目的在于提高電能的功率輸出，進而實現(xiàn)魯棒的控制與管理。另外，通過副邊控制的辦法對其進行研究，可以在整流電路后設計一個BUCK 變換器，然后通過狀態(tài)空間平均法對其進行信號模型的建立。同時需要結合極配置法對其進行比例和積分的設計，已實現(xiàn)后續(xù)的良好控制，完成好恒功率最大效率的轉化效果。在此，還有東京大學相關研究人員提出，可以對其進行可控整流，以及滯后比較器的副邊控制，以此來實現(xiàn)功率的最大化輸出也是一個可以對其實現(xiàn)有效控制的方法。最后是雙邊控制方法，在這一控制技術中，需要結合雙邊的通信控制來完成，而且需要在這一過程中應用閉環(huán)技術對其進行控制系統(tǒng)的優(yōu)化與能量傳輸最大化的調整。

2.3 電磁兼容的技術

電動汽車動態(tài)無線充電技術的電能傳輸需要通過埋在地下的高頻強磁場對其進行電能的傳遞與輸送，覆蓋道路面積廣，所以，其本身的負載較大，且工作的能耗也較高，而且電磁環(huán)境非常復雜。因此，電磁兼容的技術在這一過程中就需要作為一個重點開發(fā)項目來研究。其中，研究的主要內容包含有：磁屏蔽設計的方法；接地設計的方法；頻率配置的方法；軟件抗干擾的方法等等。結合當前國際標準中費電離輻射的內容，要求100kНz 電流密度公眾暴露限制應該是200mA/m2。如果輻射值高于這一標準，那么對于人體的健康，以及神經系統(tǒng)會造成相應的損害，甚至會在長時間的輻射過程中使得人體局部體溫升高，而且還會出現(xiàn)人體內部局部組織過熱的現(xiàn)象。在電動汽車動態(tài)無線充電技術的發(fā)展與應用中，其電磁干擾抑制的研究可以區(qū)分為兩大部分：第一部分為主動屏蔽方法；第二部分為被動屏蔽方法。在被動屏蔽這一環(huán)節(jié)中，其主要是利用鐵磁性材料為輔助原料，然后位置提供一個路徑，使其能夠在低磁導率金屬材料中形成與漏磁相悖的電磁場。由此可見，通過對鐵磁性材料的應用，能夠有效地優(yōu)化磁耦合線圈的互感系數，且能夠大大提高耦合性的約束能力，實現(xiàn)對磁路的保護。但是，被動屏蔽方法相對來說范圍有限，這也是其中的一個問題。主動屏蔽方法為：在耦合機構臨近的位置設計一個主動屏蔽線圈，然后以此來實現(xiàn)對磁場的抵消作用。相對于金屬屏蔽方法，該技術的空間占有量較小。

表1

3 電動汽車動態(tài)無線充電技術需攻克的問題

3.1 高性能耦合結構的設計

高性能耦合機構在與單極性長線圈型進行導軌比較的時候，我們可以發(fā)現(xiàn)，在雙極供電導軌中，其表現(xiàn)出來的特征為尺寸比較緊湊、功率密度較高，而且具有較大的側移適應性與側移強度，另外還有效規(guī)避了軌道兩側的磁場暴露水平高的問題。另外，其本身還能體現(xiàn)出以下特征：施工的難度大大降低、施工的面積也大大縮減、磁極和磁芯的引用量也得到了一定的縮減。在這一基礎上，便可以有效地保證整體施工的質量提升和效率提升，且能夠對施工的整體成本進行有效的控制與管理。在這一背景下，高性能耦合機構的設計可以應用于一些大規(guī)模和超大規(guī)模的建設工程中。但是，其中的問題我們也需要對其關注。主要有：雙極性導軌的磁場分布時而均勻，時而不均勻，且無規(guī)律可循；在應用過程中，有時會出現(xiàn)耦合的零點問題，進而會導致電能的傳輸受到較大的影響，以至于電能的傳輸中斷，和電能傳輸無法得到連續(xù)的保障。這樣，不但會影響整個汽車動態(tài)充電的效率，而且還會對汽車的系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及人員的安全造成一定的威脅。另外，還有可能會消減傳輸能量的功率和效率。以上問題是我們需要對其進行繼續(xù)優(yōu)化的內容，也是當前電動汽車動態(tài)無線充電技術中主要面對的無線供電平均傳輸與功率傳輸的問題。

3.2 能量傳輸與控制的保障

在雙極型的供電導軌無線電供電系統(tǒng)當中，因為耦合機構的位置會發(fā)生相應的改變，以及耦合機構的位置會隨著其相對的位置進行調整，進而會導致分段導軌的磁場分布出現(xiàn)紊亂的情況。另外，在這一背景下，還會造成路基介質的不同，以及各參數擾動的問題發(fā)生。電動汽車動態(tài)無線充電技術當中，能量的傳輸與控制的保障屬于一個非?？焖俚姆蔷€性變化過程，在這一途徑中，我們需要重點思考應該如何有效地穩(wěn)定系統(tǒng)，以及如何有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。進而使其能夠在后續(xù)的系統(tǒng)響應過程中變得更加迅速與及時。這一方面是當前電動汽車動態(tài)無線充電技術能量傳輸的主要研究目標與方向，也是確保能量傳輸與魯棒控制的關鍵所在。它不僅可以保障能量傳輸的功率以及系統(tǒng)控制的質量，而且還能確保能量傳輸在后續(xù)工作階段中的穩(wěn)定運行與和諧發(fā)展。

3.3 電磁兼容問題的解決

在電動汽車動態(tài)無線充電技術當中，能量傳輸的質量與效率，以及電磁的兼容問題，和系統(tǒng)的電磁干擾問題與人體對于電磁輻射的損害問題等，都是非常重要的研究課題。同時這些問題也是需要對其進行及時解決要點。在對其進行設計與分析的過程中，我們需要始終秉承著一個觀念對相關內容進行看待：首先是需要確保對電磁兼容問題的有效解決，以此來提升整個電動汽車動態(tài)無線充電技術的安全性。這樣可以有效地保證電動汽車在動態(tài)無線充電過程中的穩(wěn)定運行，以及對汽車的能量及時傳輸。另外，基于此還能夠有效的確保整個能量傳輸系統(tǒng)中電磁兼容的正常工作。見表1。

4 結束語

在此次研究中，我們重點分析了電動汽車動態(tài)無線充電技術研究和應用過程中遇到的問題，以及對相關問題解決的方法和策略。并且針對當前國外一些先進的研究內容和研究觀點對其進行了全面的參考與講解。而且對于汽車動態(tài)無線充電的技術要領以及技術難點做出了簡要的分析與論證。另外，研究還重點描述了電動汽車動態(tài)無線充電技術研究過程中所遇到的瓶頸，以及對該瓶頸的突破方法和措施。另外結合當前國外的一些先進研究結果來看，當前我國對于電動汽車動態(tài)無線充電技術的發(fā)展還處于一個不斷創(chuàng)新與完善的階段，而且面對未來的社會需求以及用戶的需求還有很長的路要走。雖然我國在電動汽車動態(tài)無線充電技術領域中取得了較大的成就，但是就當前的實驗結果與實際應用來看，其中依然存在各種各樣的問題。這些問題的解決均需要技術的商業(yè)化與工程化來推動其發(fā)展，且需要對其進行深入的研究，結合國外的先進理論與我國自身的實踐探索方法對其做出有機結合。進而才能夠創(chuàng)造出一個全新的電動汽車動態(tài)無線充電技術應用辦法，才能滿足更多人的需求，帶動社會的整體發(fā)展與綠色環(huán)保工作的建設。