大功率船用無線充電系統(tǒng)及其關鍵設備設計

唐慧妍 陳亞杰 周晶 馬皓

【摘 要】 為解決有線充電存在的問題，提高運營安全性、減少維護成本，在分析船舶充電作業(yè)的特點、原理和技術需求的基礎上，選擇大功率無線充電系統(tǒng)，并介紹其關鍵設備松散耦合變壓器的優(yōu)化設計過程，并對線圈每層的結構、材料、散熱、線圈繞法等多方面綜合計算。通過計算機仿真計算，模擬線圈發(fā)生平面X軸、Y軸向偏移時耦合系數的變化情況。仿真結果顯示，通過優(yōu)化設計副邊雙繞組與原邊繞組耦合性能互補，極大提高耦合系數。根據仿真結果，給出上海某客渡船無線充電系統(tǒng)船端設備的設計方案，并結合具體應用場景，設計1.2 MW無線充電系統(tǒng)方案。

【關鍵詞】 船舶;電動力船;大功率無線充電;感應耦合;松散耦合變壓器;耦合系數

0 引 言

近年來電池/電容儲能船作為綠色環(huán)保的代表，成為解決沿海和內河港口污染問題的最佳路徑，新能源船因此開始飛速發(fā)展。但目前，船用充電裝置面臨兩大難題：成熟充電產品功率（僅在100～200 kW）等級太低;功率等級的提升和港口海況的不穩(wěn)定，使得充電接口的對接問題（有的大功率插頭僅能工作次）凸顯。

有線充電系統(tǒng)存在以下缺點：接觸口老化容易出現電火花，壽命受到限制;大功率情況下需要多個人工進行操作，效率低;插電頭金屬裸露，存在較大安全隱患。無線充電系統(tǒng)不存在船岸之間線纜連接的需求，能實現更安全、更便捷的連接和斷開，可以很好地解決有線充電存在的問題，在提高運營安全性的同時，減少了維護成本。

在汽車領域，通用、奧迪、沃爾沃、豐田、上汽等汽車企業(yè)都進行了無線充電設施的研發(fā)。在樣車測試中，充電產品的最大功率為200 kW，充電距離在300 mm以內。

與汽車領域不同，船舶因風、浪、吃水和裝卸作業(yè)在碼頭處于自由浮動狀態(tài)，對充電系統(tǒng)的動態(tài)運行條件要求高，即系統(tǒng)對船舶較大位置變化具有容錯能力。船用儲能系統(tǒng)容量大，需要大功率充電系統(tǒng)。

瓦錫蘭與CONVTEC公司共同合作研發(fā)了世界第一套船用無線充電系統(tǒng)（見圖1），其已在挪威水域“MF Folgefonn”號混合動力渡船上應用。這艘渡船長85 m、總噸，其充電功率達到1 MW。該系統(tǒng)基于感應電力傳送，可在500 mm的距離進行無線充電。該系統(tǒng)的陸上發(fā)送側線圈安裝在液壓臂上，允許根據當天的潮汐變化緩慢定位線圈。充電期間，液壓臂保持在固定位置，船舶在自由浮動期間的任何移動都通過功率轉換系統(tǒng)的控制進行補償。

筆者介紹我國自主研發(fā)設計的1.2 MW船用無線充電系統(tǒng)方案，涉及系統(tǒng)工作原理、變壓器結構選型、技術難點、結構組成等內容。

1 系統(tǒng)工作原理

由于風、浪和吃水的聯合作用，以及裝載和卸載引起的傾斜和吃水的變化，?？看霸谘b載作業(yè)期間可以隨著陸上相對固定的設備移動，移動包括上下、左右、橫（縱）傾、橫（縱）搖等。船舶無線充電系統(tǒng)（見圖2）必須經過精心設計，以確保在這種運動狀態(tài)下其傳輸的功率及工作效率和安全性都不會受到影響。船舶無線充電系統(tǒng)有其自身特性，系統(tǒng)應對氣隙距離的未對準和變化具有較高的容忍度，通過對其進行控制以自動補償相對位置變化產生的影響。

解決船舶無線充電系統(tǒng)較大位置變化的容忍度問題有兩種方式：（1）線圈利用機械定位系統(tǒng)，以保持兩個線圈的相對位置固定;（2）相對位置變化的公差應包含在系統(tǒng)的設計和控制中。

根據應用需求，無線充電系統(tǒng)希望達到寬氣隙范圍和高水平錯位耐受量、高效率水平。無線充電系統(tǒng)主要結構原理見圖3。

感應耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的工作原理是變壓器呈松散耦合，原副邊之間通過空間磁場耦合來實現能量的傳輸。系統(tǒng)主要由原邊高頻變流器、諧振補償電路、耦合變壓器線圈、副邊高頻變流器、副邊諧振補償電路組成。在大功率情況下，還應配有用于線圈及系統(tǒng)冷卻的冷卻系統(tǒng)。

諧振補償電路采用串聯-串聯（SS）補償。SS拓撲允許基于用于驅動功率傳輸的標準H橋電壓源轉換器拓撲設計系統(tǒng)。SS拓撲還具有諧振頻率不受負載條件的影響、對兩個線圈之間耦合條件的變化不敏感等優(yōu)點。

松散耦合變壓器形成的是一個發(fā)散式的磁場，線圈的結構決定了磁通路徑方向，通過合理的線圈設計可以在原有磁芯基礎上有效提高原邊與副邊的耦合程度和變壓器的水平錯位耐受量。

2 系統(tǒng)設計

2.1 松散耦合變壓器結構設計

汽車與火車領域已開展了非接觸電能傳輸系統(tǒng)的研究和應用示范，分別有長導軌結構耦合變壓器、圓盤結構耦合變壓器、“DD”結構耦合變壓器、電場和磁場雙耦合通道電能傳輸等多種模式。圓盤狀、方形、“DD”和“DDQ”及Bipolar、螺線管等各種耦合變壓器性能對比見表1。

以上變壓器型式各有優(yōu)缺點。作為無線充電系統(tǒng)的核心部分，松散耦合變壓器設計的好壞決定了原邊與副邊的耦合程度、原邊與副邊線圈的水平錯位耐受量，直接影響系統(tǒng)空間傳輸范圍的大小。[1-2]松散耦合變壓器形成發(fā)散式的磁場，線圈結構決定了磁通路徑方向，優(yōu)化設計變壓器線圈結構，可以對磁場中的磁通進行導向作用，從而提高空間傳輸范圍。

船舶大功率充電系統(tǒng)在滿足偏移容錯能力高的要求的同時也需控制體積成本和復雜度;因此，變壓器的設計，一方面考慮到船端接收側線圈面積大于岸側，需采用延長線圈;另一方面原邊與副邊采用不同的繞組結構，可以達到在偏移條件下，副邊與原邊繞組耦合性能互補，始終保持較高的耦合度。以上兩個方面可以在不增加過多成本和保持變壓器小尺寸的情況下，提高系統(tǒng)偏移容錯能力。

由松散耦合變壓器結構（圖4）可以看出，此松散耦合變壓器的原邊采用螺線管結構，副邊采用雙解耦繞組結構，工作時副邊雙繞組分別接收磁場能量。利用Maxwell仿真軟件模擬線圈發(fā)生平面X軸、Y軸方向偏移的情況，耦合系數隨偏移量的變化情況見圖5、圖6。仿真結果顯示，副邊雙繞組與原邊繞組耦合性能互補，極大地提高了耦合系數。

大功率松散耦合變壓器冷卻散熱方式為：線圈繞組內部中空使用液體冷卻，采用可微管道換流的銅管;磁芯的材料采用納米晶或非晶材質，通過導熱膠進行固定安裝，散出熱量。國外第一套無線充電設備充電10 min需要散熱20 min;采用以上兩種冷卻散熱方式，可以充電10 min散熱10 min，大大縮短了散熱時間。

線圈背后的區(qū)域可以通過磁性背板和導電屏蔽完全屏蔽磁場。采用鋁板進行屏蔽，鋁板厚度對屏蔽效能影響較大，鋁板越厚，屏蔽效果越好，船上乘客不會因為金屬外殼外部的感應充電器的工作而暴露在任何磁場中。在岸側，則根據安裝在船舶外殼外部和充電器周圍的陸上區(qū)域的屏蔽量，在發(fā)送側線圈周圍施加一定的安全距離，以確保符合規(guī)定。

2.2 功率補償設計

由于發(fā)射線圈與接收線圈之間有相當大的氣隙距離，相較于在線圈之間傳輸的有功功率，感應功率傳輸會浪費大量的無功功率。在充電系統(tǒng)的兩側使用具有電容補償的諧振網絡來提供線圈的無功功率，可實現高效率和合理的功率電子轉換器額定值。采用SS補償通常是大功率應用的首選。

由于感應耦合式電能傳輸在不同工作狀態(tài)（電池充電狀態(tài)變化等）下會呈現不同的負載特性，且船舶?？繒r與無線充電設備的空間偏移會造成耦合系數等不確定因素的改變，從而引起系統(tǒng)工作狀態(tài)大幅改變，使系統(tǒng)對自身的參數適應性提出了較大的要求。為實現系統(tǒng)高效率工作，采用原邊諧振補償技術并控制電源輸出電壓電流零相角諧振頻率，避免出現頻率分叉等穩(wěn)定性問題，可以有效提高系統(tǒng)傳輸性能并降低系統(tǒng)的維護成本。

采用連續(xù)自適應諧振補償常用拓撲結構（見圖7），在變壓器原邊、副邊均接入串聯的諧振電感和諧振電容，使得反向工作狀態(tài)與正向工作狀態(tài)一致。該方案在實船應用中是簡單可行的。

3 實船應用

某全電動車客渡船，用于上海長江兩島之間車輛和人員運輸擺渡工作。該船設置有620 kWh的超級電容，每天需要充電達20次以上。如采用MW級以上的有線充電方式，需要通過電纜絞車將直流電纜接口連接至渡船上的插座箱，需使用4個400 A、 V直流插座，其中2個插座用于接直流正極、2個插座用于接直流負極。直流插座插拔壽命為次，相當于使用大約7個月就要更換直流接插件。同時需要配置2名工作人員，在渡船靠岸時進行充電接口插拔工作。

面對人員操作疲勞、全天候露天作業(yè)安全隱患、充電線纜操作不便等多方面的不足問題，項目組提出采用1.2 MW無線充電系統(tǒng)方案，以增強充電系統(tǒng)和設備的安全性，延長使用壽命。方案中采用機械臂追蹤船舶?？繒r的位置偏移。

該無線充電系統(tǒng)輸入輸出電力配置為岸側（輸入）950 V DC母線（？%）、船側（輸出）950 V DC母線（+10%～8%）。船側最大傳輸功率 kW，輸入側到輸出側額定工作傳輸效率大于90%。在船側浮動較小時，無線充電系統(tǒng)輸出全部功率;船側浮動較大時，無線充電系統(tǒng)限制功率輸出。

該無線充電系統(tǒng)在設計時考慮到改變氣隙距離，即使與耦合條件范圍相對應的位置發(fā)生任何變化，系統(tǒng)都具有全功率傳輸的能力。系統(tǒng)可容忍的偏移具體范圍見表2。

系統(tǒng)主要包括線圈、岸側送電柜、船側受電柜、機械臂傳感器系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。原邊將直流母線電壓變換為交流電給原邊線圈供電，副邊線圈接收能量后經整流為直流電。系統(tǒng)方案見圖8。

線圈是無線充電系統(tǒng)的功率傳輸部分，其利用電磁耦合通過岸側發(fā)送線圈將能量傳輸至船側接收線圈。線圈由繞組、磁芯、屏蔽及防護殼組成，其中繞組部分內部中空使用液體冷卻，并采用鋁板進行屏蔽處理，防護等級在IP56。散熱結構的設計采用電磁場―溫度場―流體場耦合仿真;通過對線圈線距進行優(yōu)化，不宜采用均勻線距方式實現偏移容差。

原邊送電柜是無線充電系統(tǒng)的配電核心部分，將直流母線電壓變換為交流電給原邊線圈供電，在船體波動過程中實現輸出穩(wěn)壓和功率傳輸緊急情況下的相關保護。柜內包含直流斷路器、輸入端支撐電容、濾波電容、DC/AC逆變器、諧振電容及冷卻裝置等。

船側受電柜在副邊線圈接收能量后將其整流電路為直流電，并實現輸出穩(wěn)壓控制、偏移兼容性控制及功率傳輸緊急情況下的相關保護功能。

原邊線圈安裝在X、Y、Z3個軸桁架機械臂上，機械臂進行柔性跟隨運動，防止原邊和副邊線圈進行功率傳輸時由于船身隨水波運動產生偏離而導致傳輸效率降低。機械臂通過傳感器檢測X、Y、Z3個方向的偏移，測算出機械臂3個軸需要補償的距離和速度，由控制器發(fā)出控制信號控制桁架機械臂實現自動追蹤，使得兩個線圈的偏移保持在較小范圍內。

控制系統(tǒng)根據負載的功率需求，實現電能傳輸過程中的穩(wěn)壓及功率控制。控制系統(tǒng)能夠在原編和副邊線圈發(fā)生一定偏移時，實現一定范圍內的功率傳輸，并且在整體系統(tǒng)發(fā)生故障時，進行故障報警和保護處理。控制系統(tǒng)為整體系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和可靠性提供保障。原邊主控制器和副邊控制器采用無線通信傳輸控制信息。

4 結 語

新能源船舶的電池容量在100～ kWh，充電系統(tǒng)常面臨著高溫、高濕、高腐蝕性、大負荷沖擊等惡劣使用環(huán)境。這就要求充電系統(tǒng)具有快速充電能力，充電功率通常在100～ kW。目前快充充電樁最大支持功率僅為250 kW，功率太小，無法滿足船用需求。大功率無線充電系統(tǒng)，能彌補有線大功率充電系統(tǒng)的剛性連接、接插件磨損和腐蝕及大功率插頭接口操作性不便等缺陷，提高了運營安全性，減少了維護成本。

通過Maxwell軟件模擬仿真，核心設備松散耦合變壓器的設計滿足大功率（1 MW以上）下結構緊湊、散熱快、耦合系數高、安全可靠的設計要求。

作為一種非接觸式、連接快速便捷的充電方式必將是未來船用充電的發(fā)展趨勢，且會有廣闊的市場應用前景。

參考文獻：

[1] 馬皓，孫軒. 原副邊串聯補償的電壓型耦合電能傳輸系統(tǒng)設計[J]. 中國電機工程學報，2010（15）：48-52.

[2] 周雯琪，馬皓，何湘寧. ?感應耦合電能傳輸系統(tǒng)不同補償拓撲的研究[J]. 電工技術學報，2009（1）：133-139.