電動(dòng)汽車分段式動(dòng)態(tài)無線供電系統(tǒng)研究

0 引言

動(dòng)態(tài)無線供電方式是通過埋設(shè)在地下的線圈軌道為運(yùn)動(dòng)中的電動(dòng)汽車不間斷的提供電能，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無線充電。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以極大地減輕電池技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車的制約，實(shí)現(xiàn)車輛在行駛中充電，保證車輛能源供給的不間斷，理想情況下可不需要電池的供能，從根本上解決行駛里程短及車輛充電時(shí)間較長(zhǎng)的問題

。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于動(dòng)態(tài)無線電能傳輸?shù)难芯恐饕性隈詈蠙C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、電能變換裝置設(shè)計(jì)、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、系統(tǒng)建模理論研究等方面。奧克蘭大學(xué)自本世紀(jì)初開始一直致力于動(dòng)態(tài)無線供電系統(tǒng)相關(guān)理論的研究，提出了導(dǎo)軌式單匝長(zhǎng)線圈的無線電能傳輸模型。同時(shí)，其還與德國(guó)康穩(wěn)公司共同合作研制出一種輸出功率為 30kW 的動(dòng)態(tài)無線大巴供電系統(tǒng)

。

相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)無線電能傳輸?shù)难芯科鸩捷^晚。2015 年重慶大學(xué)在廣西南寧建成了長(zhǎng)度為50m 的電動(dòng)車不停車動(dòng)態(tài)無線充電示范系統(tǒng)

。2018年重慶大學(xué)與東南大學(xué)合作在江蘇同里，建設(shè)了動(dòng)態(tài)無線傳輸功率為 11kW 的示范系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無線充電、無人駕駛與路面光伏發(fā)電三者的可靠結(jié)合

。

最終將城市化系統(tǒng)分解為人口城市化、空間城市化、經(jīng)濟(jì)城市化和社會(huì)城市化4個(gè)子系統(tǒng)，共有14項(xiàng)指標(biāo)來表征湖南省城市化系統(tǒng)綜合情況。引入PSR模型將生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)分成生態(tài)環(huán)境壓力、生態(tài)環(huán)境狀態(tài)、生態(tài)環(huán)境響應(yīng)3個(gè)子系統(tǒng)；具體有廢污水排放量、人均水資源量等14項(xiàng)指標(biāo)，見表1。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模

本文研究的對(duì)象為基于磁耦合諧振原理的分段式動(dòng)態(tài)無線供電系統(tǒng) (Dynamic Wireless Power Transfer，DWPT)。DWPT 的系統(tǒng)模型如圖 1所示，由圖 1可知，DWPT 系統(tǒng)總體上可分為無線發(fā)射裝置和無線接收裝置。無線發(fā)射裝置即電網(wǎng)電壓進(jìn)行一系列初級(jí)電能變換，并通過發(fā)射導(dǎo)軌產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，進(jìn)而傳遞電能。車載能量拾取線圈接收通過高頻磁場(chǎng)傳來的電能，再經(jīng)過整流模塊及直流調(diào)壓等能量變換模塊處理后對(duì)車載電池和電機(jī)進(jìn)行充電。而其發(fā)射和接收線圈通過各自的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和諧振網(wǎng)絡(luò)使其在相同頻率下發(fā)生諧振，從而使兩線圈共振傳輸能量。

1.1 動(dòng)態(tài)無線充電小車與軌道的設(shè)計(jì)

充電小車主要由法拉電容模組、直流調(diào)壓模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、主控模塊、尋跡模塊、減速電機(jī)、能量接收裝置等部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

無線供電軌道系統(tǒng)由能量發(fā)射裝置、線圈切換裝置、車輛位置檢測(cè)裝置、主控模塊等部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

由于不同類型的車輛有不同的功率需求，為了更有效地傳遞能量，對(duì)于小型車輛設(shè)置 1 個(gè)接收系統(tǒng)，大型車輛設(shè)置 2-3 個(gè)車載能量接收系統(tǒng)，因此無線供電系統(tǒng)的模型將不再是單一的一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)接收系統(tǒng)的供電模式，還可能出現(xiàn)一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)對(duì)應(yīng)多個(gè)接收系統(tǒng)的供電模式，以及兩個(gè)發(fā)射系統(tǒng)對(duì)應(yīng)多個(gè)接收系統(tǒng)的供電模式。本文擬建立一個(gè)發(fā)射線圈與一個(gè)接收線圈相耦合的一對(duì)一供電模型、以及類似的一對(duì)二供電模型等。

1.2 基于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的多種耦合供能模型的建模

得到耦合系數(shù)與歸一化功率和效率間的關(guān)系，如圖6 所示。

目前，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)系統(tǒng)的要求通過串并單個(gè)電容或串并電容電感組合而成。最基本的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)通過單個(gè)電容實(shí)現(xiàn)，根據(jù)電容在系統(tǒng)中的不同位置可分為串-串(Series-Series，S-S)補(bǔ)償、串-并(Series-Parallel，S-P)補(bǔ)償、并-串(Parallel-Series，P-S)補(bǔ)償、并-并(Parallel- Parallel，P-P)補(bǔ)償，如圖 4所示。圖 4中的各種標(biāo)號(hào)所表示的含義如表 1所示。

空間趨近化指ODC在物理空間上逐漸侵入IDC的識(shí)解過程，具體分為六種語法詞匯項(xiàng)目：名詞詞組被識(shí)解為IDC元素，名詞詞組被識(shí)解為ODC元素，移位動(dòng)詞詞組和指向動(dòng)詞詞組被識(shí)解為ODC向IDC移動(dòng)的標(biāo)記，行動(dòng)動(dòng)詞詞組被識(shí)解為ODC對(duì)IDC施加影響的標(biāo)記，名詞詞組指示ODC對(duì)IDC影響的預(yù)期，以及名詞詞組指示ODC對(duì)IDC影響的結(jié)果（Cap 2013：105-109）。

(1

1)

=8

π

(1

2)

經(jīng)化簡(jiǎn)計(jì)算可得

文獻(xiàn)[5]根據(jù)基波等效法，在忽略整流逆變器的寄生電阻，即

=0的情況下，

和

可表示為式(1

1)(1

2)的形式。

1.2.2 耦合機(jī)構(gòu)多種供能模型的建模研究

2) 在B、E兩點(diǎn)同時(shí)發(fā)生串?dāng)_時(shí)，CW與CCW的相位差為2lBEΔβ，與主波列的相位差均為lBEΔβ，顯然與主波不相干，產(chǎn)生強(qiáng)度型偏振誤差，引起的陀螺輸出誤差在10-7°/h左右.

對(duì)民事訴訟中法律監(jiān)督的憂慮主要是其可能有損審判機(jī)關(guān)的獨(dú)立審判，至少是有損于“審判權(quán)在法制運(yùn)作方面的優(yōu)越地位。”［1］379這是質(zhì)疑法律監(jiān)督介入民事訴訟、甚至主張?jiān)诿袷略V訟中取消法律監(jiān)督的最基礎(chǔ)的理由。在此理由之上衍生出的種種闡釋，不斷地放大著對(duì)民事訴訟中法律監(jiān)督的憂慮。仿佛只要法律監(jiān)督介入了民事訴訟，審判機(jī)關(guān)在民事訴訟中的獨(dú)立地位便蕩然無存。而審判獨(dú)立原則是法治的起點(diǎn)［1］460，在民事訴訟中引入法律監(jiān)督將使法治“輸在起跑線上”，這無疑會(huì)導(dǎo)致令人驚恐的憂慮。

2 仿真

當(dāng)系統(tǒng)為一對(duì)一供電模型基本模型的簡(jiǎn)化電路模型如圖 5 所示。

法可依，有據(jù)可循。轉(zhuǎn)移支付立法也要跟上，進(jìn)一步科學(xué)界定專項(xiàng)轉(zhuǎn)移支付和一般轉(zhuǎn)移支付的內(nèi)涵，真正發(fā)揮專項(xiàng)轉(zhuǎn)移支付宏觀調(diào)控的作用，同時(shí)發(fā)揮一般性轉(zhuǎn)移支付彌補(bǔ)地方一般性公共支出的作用。推進(jìn)轉(zhuǎn)移支付的立法能夠真正規(guī)范轉(zhuǎn)移支付制度，也能真正在財(cái)政資金轉(zhuǎn)移的過程中，將事權(quán)和支出責(zé)任下沉的渠道關(guān)閉。最后，還應(yīng)及時(shí)探究并推進(jìn)政府破產(chǎn)法，這是中央和地方財(cái)政關(guān)系重要的一環(huán)，地方財(cái)政發(fā)生重大危機(jī)，中央政府究竟怎么選擇？如何把中央不救助原則落到實(shí)處？只有破除地方政府對(duì)中央政府的依賴性，才能夠有效促進(jìn)地方政府發(fā)債的合理性和規(guī)范性。■

當(dāng)耦合機(jī)構(gòu)不同時(shí)，耦合系數(shù)與負(fù)載電阻將會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。

圖中Iin 為耦合機(jī)構(gòu)輸入電流，Ip 為發(fā)射線圈輸入電流，Is 為流過接收線圈電流，Io 為耦合機(jī)構(gòu)的輸出電流。根據(jù)互感理論，可列寫出系統(tǒng)的電路方程式(2.1)：

(2

1)

(2

2)

文獻(xiàn)[6]給出了不考慮線圈寄生電阻時(shí)補(bǔ)償電容 Cp 情況下的計(jì)算公式，并得出在 SP 補(bǔ)償、PS 補(bǔ)償、PP 補(bǔ)償中 Cp 的確定與互感系數(shù) M 和負(fù)載電阻

有關(guān)，在 DWPT 系統(tǒng)中互感系數(shù)會(huì)隨著車輛的運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)波動(dòng)，這就要求在使用這三種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)補(bǔ)償電容 Cp 必須要實(shí)時(shí)的變動(dòng)以滿足系統(tǒng)諧振的要求，這對(duì)系統(tǒng)的控制提出了更高的要求，增大了系統(tǒng)復(fù)雜性。而 SS 補(bǔ)償只與系統(tǒng)諧振頻率及發(fā)射線圈自感有關(guān)，在確定了系統(tǒng)參數(shù)后，Cp 的值即可被確定且在系統(tǒng)運(yùn)行中不會(huì)發(fā)生變動(dòng)，對(duì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)有一定的幫助。故本文選擇 S-S 補(bǔ)償作為諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

(2

3)

2.1 系統(tǒng)特性與耦合系數(shù)的關(guān)系

1.2.1 基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

后記：在本講義編寫中，賀少鵬提交了第一節(jié)的文稿并提供同濟(jì)大學(xué)的“QSAR模型內(nèi)部和外部驗(yàn)證方法綜述”等3篇資料。筆者2017年已欣然為賀少鵬寫推薦信，現(xiàn)其正在此領(lǐng)域選題攻讀在職博士。

對(duì)于多種耦合機(jī)構(gòu)的模型，利用相同的仿真原理，經(jīng)對(duì)一對(duì)一、一對(duì)二等四種模型的仿真分析，得到當(dāng)耦合系數(shù)k1(或耦合系數(shù) k2)為 0 時(shí)，功率、效率與耦合系數(shù)間的關(guān)系同一對(duì)一模型中的曲線相似，當(dāng)k1+k2 的和在 0.08 附近時(shí)可以保持系統(tǒng)的總功率維持在最大值，且系統(tǒng)效率在 40%-50%左右，但當(dāng)k1+k2 的值偏離最優(yōu)值時(shí)功率會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，所以想要保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，可以通過維持 k1+k2 基本不變來實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)特性與負(fù)載電阻的關(guān)系

對(duì)于負(fù)載電阻對(duì)系統(tǒng)傳輸特性的影響，同樣取系統(tǒng)參數(shù)。使用 Matlab 軟件繪制出系統(tǒng)功率和效率與負(fù)載電阻的變化關(guān)系如圖 7 所示。

同樣對(duì)一對(duì)二，二對(duì)一，二對(duì)二模型的仿真分析得到功率和效率都隨負(fù)載先增大后減小，且在功率最大值點(diǎn)附近負(fù)載變化對(duì)功率的影響較小。當(dāng)耦合系數(shù)設(shè)置為 0.1 時(shí)，效率的最大值只有 80%左右，且效率最大時(shí)功率較小，負(fù)載變化會(huì)引起效率出現(xiàn)較大波動(dòng)。與圖 7 所表現(xiàn)出的現(xiàn)象一樣，功率和效率無法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，實(shí)際應(yīng)用中只能選著某一指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)化控制。

于是立刻我們就加倍的努力，正在吹笛子的把笛子吹得特別響，把笛膜振抖得似乎就要爆裂了似的滋滋地叫著。十歲的弟弟在吹口琴，他搖著頭，好像要把那口琴吞下去似的，至于他吹的是什么調(diào)子，已經(jīng)是沒有人留意了。在大家忽然來了勇氣的時(shí)候，似乎只需要這種胡鬧。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過以上分析，研制出了動(dòng)態(tài)無線供電系統(tǒng)，其整體實(shí)物如圖 8 所示。

在聯(lián)合測(cè)試下，測(cè)試效果如圖 9 所示。小車駛過壓力傳感器時(shí)，傳感器觸發(fā)0，軌道下埋設(shè)的發(fā)射線圈得電，接收線圈接收到傳輸來的電能，對(duì)小車進(jìn)行充電。當(dāng)車輛行進(jìn)間觸發(fā)圖 9 中的第三個(gè)傳感器時(shí)，對(duì)應(yīng)的傳感器觸發(fā)指示燈亮，同時(shí)無線接收模塊工作指示燈亮，表明車輛正在行進(jìn)間充電工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明小車可以正常尋跡，可以正常觸發(fā)傳感器實(shí)現(xiàn)發(fā)射裝置的切換，驗(yàn)證了系統(tǒng)的切換策略的可行性有效性。

4 結(jié)論

動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)的研究與推廣具有十分重要的意義，本文針對(duì)發(fā)射、接收線圈在不同耦合位置時(shí)耦合系數(shù)及負(fù)載電阻對(duì)系統(tǒng)功率和效率的影響以及發(fā)射裝置的切換問題，通過模型分析、實(shí)物驗(yàn)證的方式，檢驗(yàn)了系統(tǒng)的可靠性和可行性。

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