電動(dòng)汽車(chē)高效率無(wú)線充電技術(shù)的研究

李玉琴　謝金媚

摘 要：近些年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定且持續(xù)的增長(zhǎng)，提高了社會(huì)公眾的生活水平，為了更進(jìn)一步鞏固人們的生活質(zhì)量，國(guó)內(nèi)逐漸開(kāi)始研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)高效率無(wú)線充電技術(shù)，并廣泛投入到社會(huì)各階層進(jìn)行使用，造福人民，同時(shí)為生產(chǎn)加工及制造領(lǐng)域提供全新的生產(chǎn)技術(shù)依據(jù)。隨著無(wú)線充電技術(shù)的出現(xiàn)，推動(dòng)了新能源汽車(chē)的進(jìn)一步創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē) 高效率 無(wú)線充電 技術(shù)研究

Research on High-efficiency Wireless Charging Technology for Electric Vehicles

Li Yuqin，Xie Jinmei

Abstract：In recent years， China’s social economy has been growing steadily and continuously， which has improved the public’s living standards. In order to further consolidate people’s quality of life， the country has gradually begun to develop high-efficiency wireless charging technology for electric vehicles， and has been widely invested in all sectors of society. And at the same time the article provides a new production technology basis for production， processing and manufacturing. The emergence of wireless charging technology further promoted the innovations in new energy vehicles.

Key words：electric vehicle， high efficiency， wireless charging， technology research

1 引言

電動(dòng)汽車(chē)高效率無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用造福了社會(huì)公眾的日常生活，進(jìn)一步提升了人們的生活質(zhì)量，為人們提供更優(yōu)質(zhì)的生活條件，電動(dòng)汽車(chē)高效率無(wú)線充電技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用同時(shí)也為人們提供更多的就業(yè)機(jī)會(huì)。

2 簡(jiǎn)述電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)

2.1 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)研發(fā)背景

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展造福人民，提高人們的平均收支水平，但同時(shí)也嚴(yán)重破壞了國(guó)內(nèi)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，不利于我國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。為了更進(jìn)一步的節(jié)約自然資源，降低對(duì)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的污染，國(guó)內(nèi)環(huán)保機(jī)構(gòu)提出“電動(dòng)汽車(chē)”這一概念，并聯(lián)合生產(chǎn)、加工及制造領(lǐng)域共同研發(fā)出高效率無(wú)線充電技術(shù)，減少了出行旅游對(duì)普通汽車(chē)的使用率[1]。

在電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于充電條件的客觀因素限制，因此造成了使用不方便等問(wèn)題。為了促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)在當(dāng)前社會(huì)中的便捷應(yīng)用，必須研發(fā)全新的電氣動(dòng)車(chē)充電技術(shù)，基于此，無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著無(wú)線充電技術(shù)在社會(huì)中的普及應(yīng)用，為電動(dòng)汽車(chē)在國(guó)內(nèi)的廣泛使用提供了良好的環(huán)境，同時(shí)也推動(dòng)了汽車(chē)相關(guān)生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

2.2 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

目前為止，我國(guó)可持續(xù)發(fā)展仍然處于落實(shí)階段，為了更進(jìn)一步推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展理念在當(dāng)前社會(huì)中的深入滲透，電動(dòng)汽車(chē)及其無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用勢(shì)在必行。隨著有關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研究愈發(fā)全面，電動(dòng)汽車(chē)的充電方式呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)階段，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的形式主要包括充電樁、更換電池組以及直流快充等等[2]。

當(dāng)然，任何事情均有兩面性，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)亦是如此。為了能夠全面發(fā)揮出電動(dòng)汽車(chē)有線及無(wú)線充電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，有關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)認(rèn)真且全面的剖析電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用途徑及其與有線及無(wú)線充電技術(shù)的契合度。有線充電技術(shù)包括一次性轉(zhuǎn)換能源、電能損耗小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，而無(wú)線充電技術(shù)則包括方便快捷、安全性高、無(wú)接觸損耗等優(yōu)勢(shì)。

3 國(guó)內(nèi)外有關(guān)電動(dòng)汽車(chē)高效率無(wú)線充電技術(shù)的研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)高效率無(wú)線充電技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞程度越來(lái)越高，人們對(duì)有關(guān)新能源的研發(fā)制造也愈發(fā)關(guān)注，尤其是電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)科研組織相繼開(kāi)展了對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究與應(yīng)用工作。為了表示對(duì)新能源事業(yè)的高度重視，中國(guó)科協(xié)于2017年在沈陽(yáng)舉辦了“中國(guó)國(guó)際電動(dòng)汽車(chē)會(huì)議”的學(xué)術(shù)沙龍[3]。

縱觀中國(guó)科學(xué)史，這是國(guó)內(nèi)第一次舉辦有關(guān)無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域的學(xué)術(shù)會(huì)議，在接下來(lái)的幾年里，國(guó)內(nèi)又相繼在重慶、貴陽(yáng)、南京、武漢等一線城市舉辦了有關(guān)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的學(xué)術(shù)會(huì)議，旨在深入且全面的研究關(guān)于無(wú)線電能傳輸?shù)募夹g(shù)要點(diǎn)，不僅針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)而言，同時(shí)也為其他生產(chǎn)制造領(lǐng)域提供堅(jiān)實(shí)可靠、實(shí)用性強(qiáng)的全新加工工藝。

3.2 國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)高效率無(wú)線充電技術(shù)研究現(xiàn)狀

部分先進(jìn)的西方國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)早已落實(shí)研發(fā)，例如美國(guó)、德國(guó)、日本等等，現(xiàn)如今，部分西方國(guó)家已經(jīng)掌握了相對(duì)成熟的無(wú)線電能傳輸技術(shù)，并對(duì)其技術(shù)核心實(shí)施嚴(yán)格的保密工作，這也充分證實(shí)了無(wú)線電能傳輸技術(shù)對(duì)國(guó)家整體發(fā)展的重要意義。早在20世紀(jì)初期，新西蘭、日本、美國(guó)以及韓國(guó)等國(guó)家就對(duì)電動(dòng)汽車(chē)高效率無(wú)線充電技術(shù)難點(diǎn)展開(kāi)研究。

首先是美國(guó)的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，早期對(duì)高效率無(wú)線充電技術(shù)的耦合機(jī)構(gòu)、傳輸特征、介質(zhì)損耗以及電磁輻射等展開(kāi)較為深入的研究，并將研究結(jié)果嘗試應(yīng)用在實(shí)際發(fā)展當(dāng)中。其次是日本東京大學(xué)，日本在20世紀(jì)初期就提出了基于直流/直流變換器的副邊最大效率控制方法，這可能是目前為止國(guó)際范圍內(nèi)最高效的電流轉(zhuǎn)換控制方式。

4 電動(dòng)汽車(chē)高效率無(wú)線充電技術(shù)研究中的重點(diǎn)項(xiàng)目

4.1 磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

目前為止，國(guó)內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出分立式連續(xù)單線圈結(jié)構(gòu)、矩形長(zhǎng)線圈型以及雙磁極型無(wú)線供電導(dǎo)軌技術(shù)，為無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域的研發(fā)工作提供堅(jiān)實(shí)有力的技術(shù)依據(jù)，同時(shí)也保障了研究所得數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性，這也足以證明磁耦合機(jī)構(gòu)的重要性。受到新技術(shù)與新理念的支撐，國(guó)內(nèi)最近新研發(fā)出一種三相交流激勵(lì)能量發(fā)射導(dǎo)軌以及Quadrature-type接收端這種磁耦合機(jī)構(gòu)可有效消除三項(xiàng)交流電之間的交叉耦合，同時(shí)大幅提高能量拾取機(jī)構(gòu)橫向偏移的可容忍程度。

基于新時(shí)代的發(fā)展需求，除了長(zhǎng)線圈型供電導(dǎo)軌之外，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)又自主研發(fā)了雙磁極型供電導(dǎo)軌模式，擴(kuò)充了電動(dòng)汽車(chē)高效率無(wú)線充電技術(shù)的研究?jī)?nèi)容，從實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的無(wú)線充電技術(shù)。外界因素對(duì)雙磁極型供電導(dǎo)軌的影響不大，但是其本身的磁場(chǎng)分布不均勻，存在耦合系數(shù)零點(diǎn)，且成制造成本相對(duì)較高。雖然如此，但是雙磁極供電導(dǎo)軌的優(yōu)勢(shì)也很多，例如功率密度高、尺寸緊湊、不受場(chǎng)地影響、側(cè)移適應(yīng)性強(qiáng)、施工難度小以及暴露水平地等等。

4.2 能量傳輸魯棒控制技術(shù)

能量傳輸魯棒控制技術(shù)是無(wú)線充電技術(shù)中的要點(diǎn)之一，也是有關(guān)無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域中的關(guān)鍵研究項(xiàng)目，因此應(yīng)充分重視能量傳輸魯棒控制技術(shù)的研發(fā)工作，盡可能為其提供全面且足夠的數(shù)據(jù)資料，支撐其實(shí)現(xiàn)多元化、高效化發(fā)展。東京大學(xué)采用副邊控制策略，在整流電路后加入Buck變換器，利用狀態(tài)空間平均法建立小信號(hào)模型，基于極配置法設(shè)計(jì)比例-積分（PI）控制器，實(shí)現(xiàn)恒功率或最大功率的穩(wěn)定控制。

在研究高效無(wú)線電能傳輸技術(shù)的過(guò)程當(dāng)中，魯棒控制是關(guān)鍵點(diǎn)，而在落實(shí)魯棒控制研究工作時(shí)，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)所采用的驗(yàn)算方式“各有千秋”。通過(guò)觀察，多數(shù)的國(guó)外研究機(jī)構(gòu)通常采用PI控制算法，且控制參數(shù)一般通過(guò)極點(diǎn)配置法進(jìn)行自主選取，該方法的優(yōu)勢(shì)是相對(duì)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，演算結(jié)果的準(zhǔn)確性與可信程度也相對(duì)較高。

4.3 電磁兼容技術(shù)

目前的無(wú)線電能傳輸均是通過(guò)高頻的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)傳輸功能，由于電磁環(huán)境的復(fù)雜程度較高，且需要實(shí)現(xiàn)較高的傳輸頻率，因此電磁兼容設(shè)計(jì)成為無(wú)線電能傳輸?shù)闹攸c(diǎn)研究項(xiàng)目。首先，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)需要做的就是持續(xù)優(yōu)化電磁兼容的設(shè)計(jì)思路，提高無(wú)線電能傳輸?shù)男剩浯尉褪谴_保無(wú)線電能傳輸?shù)陌踩|(zhì)量，減少無(wú)線電能傳輸過(guò)程中的人員接觸。

當(dāng)前的電磁兼容設(shè)計(jì)主要包括磁屏蔽設(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)等等，而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工作人員同時(shí)需要注意無(wú)線電能傳輸?shù)碾姶鸥蓴_因素，這些干擾因素大致可分為兩種，一種是主動(dòng)屏蔽，另一種則是被動(dòng)屏蔽，顧名思義兩者的屏蔽主體恰好相反，因此設(shè)計(jì)人言在優(yōu)化思路時(shí)應(yīng)注意區(qū)分兩種電磁干擾的因素類(lèi)別。

4.4 多導(dǎo)軌充電技術(shù)

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)高效率無(wú)線充電技術(shù)的研究愈發(fā)深入，且對(duì)其中多導(dǎo)軌充電概念也展開(kāi)了全面研究。截至目前，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線供電系統(tǒng)的導(dǎo)軌模式主要包括單級(jí)導(dǎo)軌模式以及多級(jí)導(dǎo)軌模式。對(duì)于單級(jí)導(dǎo)軌模式而言，初級(jí)回路是基礎(chǔ)，同時(shí)只有相應(yīng)的一條導(dǎo)軌和一套初級(jí)電能變換裝置;對(duì)于多級(jí)導(dǎo)軌模式而言，初級(jí)回路中就增加了多段導(dǎo)軌。

多級(jí)導(dǎo)軌供電同時(shí)存在兩種電能傳輸形式，一種是單層多級(jí)導(dǎo)軌供電模式，而另一種則是復(fù)雜程度相對(duì)較高的雙層多級(jí)導(dǎo)軌供電模式。在前者運(yùn)作的過(guò)程中，系統(tǒng)供電導(dǎo)軌基本上被切分為N段導(dǎo)軌，每段導(dǎo)軌均會(huì)配備獨(dú)立的變換裝置、諧振補(bǔ)償裝置等等;而在后者的運(yùn)作過(guò)程中，以單層多級(jí)導(dǎo)軌供電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將N段導(dǎo)軌進(jìn)行完善，形成N個(gè)導(dǎo)軌組。

較之單層多級(jí)導(dǎo)軌供電系統(tǒng)，雙層多級(jí)導(dǎo)軌供電系統(tǒng)的運(yùn)作效率高，穩(wěn)定性更強(qiáng)，安全質(zhì)量更高，有效減少了各段導(dǎo)軌之間的不良接觸，避免發(fā)生電流紊亂等問(wèn)題的發(fā)生。雙層多級(jí)導(dǎo)軌供電模式具備分時(shí)分段供電、降低系統(tǒng)電能損耗、提高電能傳輸效率、易于維護(hù)控制、減少電能轉(zhuǎn)換裝置、降低電子器件要求以及降低參數(shù)變化敏感度等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)不僅造福于民，同時(shí)也對(duì)自然生態(tài)造成損壞，因此應(yīng)在兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，故而對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的減量勢(shì)在必行，而全新的電動(dòng)汽車(chē)將成為國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造業(yè)的全新發(fā)展趨勢(shì)。

項(xiàng)目名稱(chēng)：電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)可行性研究;項(xiàng)目來(lái)源：2020年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目;項(xiàng)目編號(hào)：2020KY66010。

參考文獻(xiàn)：

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