分段式動態(tài)無線充電系統(tǒng)研究

張博峰，劉永濤，高聰聰，蔡炳鑫

（1.陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程與通用航空學(xué)院，陜西 西安 710038；2.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

近年來，伴隨著新能源汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，我國電動汽車保有量持續(xù)快速增加，市場銷量逐年增加，但是困擾純電動汽車大規(guī)模普及的問題一直沒有得到有效解決，即“里程焦慮”和“一樁難求”問題。為了解決上述問題，在靜態(tài)無線充電技術(shù)的基礎(chǔ)之上發(fā)展出了動態(tài)無線充電（Dynamic Wireless Charging, DWC）技術(shù)。由于DWC技術(shù)在技術(shù)研究和基礎(chǔ)投入方面相比靜態(tài)無線充電技術(shù)有更多的障礙，所以DWC技術(shù)發(fā)展相對較慢[1]。但是DWC技術(shù)在充電便利性上有巨大優(yōu)勢，一些研究機(jī)構(gòu)仍舊投入巨額研究費用用于DWC技術(shù)的商業(yè)化，如美國能源部下設(shè)的車輛技術(shù)辦公室及其所屬的研究機(jī)構(gòu)（愛達(dá)荷國家實驗室、國家可再生能源實驗室、橡樹嶺國家實驗室等）。關(guān)于DWC技術(shù)，國外研究機(jī)構(gòu)目前主要的研究方向集中在電磁線圈設(shè)計、充電網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償、電力電子拓?fù)浼凹軜?gòu)、控制通信、電網(wǎng)沖擊等領(lǐng)域[2-7]。根據(jù)最新的研究進(jìn)展，在2022年底美國能源部所屬的橡樹嶺國家實驗室聯(lián)合其他組織將完成200 kW DWC系統(tǒng)的實驗室測試，并將建造試驗樣車進(jìn)行測試[8]。國內(nèi)在DWC領(lǐng)域起步較晚，主要研究的方向是線圈的磁路優(yōu)化、磁路耦合、控制調(diào)節(jié)、優(yōu)化設(shè)計等[9-11]。

目前DWC技術(shù)面臨的最大問題是基礎(chǔ)建設(shè)成本過高和電網(wǎng)沖擊等問題。本文是基于發(fā)明問題解決理論（Theory of the Solution of Inventive Problems, TSIP）創(chuàng)新方法對上述問題進(jìn)行分析，提出了分段式DWC技術(shù)，該技術(shù)不僅解決了“里程焦慮”和“一樁難求”問題，同時也極大降低了DWC技術(shù)的建設(shè)投入。

1 系統(tǒng)方案介紹

1.1 存在的問題及問題分析

現(xiàn)有的DWC技術(shù)特征如下：全路段鋪設(shè)、DWC路段布置在道路的最外側(cè)、雙向車道DWC系統(tǒng)設(shè)備獨立、利用市電電網(wǎng)直接供電[7]。

存在問題：（1）全路段鋪設(shè)，初期建設(shè)成本高，商業(yè)化難度大；（2）充電路段布置在道路最外側(cè)，導(dǎo)致雙向車道需要獨立投入充電設(shè)備，設(shè)備投入成本高；（3）直接利用市電電網(wǎng)供電容易造成對電網(wǎng)的沖擊，影響用電安全性[4]。

利用現(xiàn)代TSIP理論對DWC技術(shù)進(jìn)行分析，存在物理矛盾，表1為物理矛盾的分析過程。根據(jù)物理矛盾分析，產(chǎn)生解決方案如：采用分段式建造充電路段，汽車攜帶小型電池。

表1 物理矛盾分析

1.2 分段式DWC系統(tǒng)介紹

根據(jù)現(xiàn)代TSIP理論產(chǎn)生的具體解決方案，本文提出了分段式DWC技術(shù)，取名為“綠洲”DWC技術(shù)。在此方案中，采用分段建造的方案代替全路段建設(shè)方案，沿隔離帶兩側(cè)車道進(jìn)行建設(shè)，從而降低DWC系統(tǒng)的建設(shè)成本。

分段式DWC技術(shù)的特點如下：建設(shè)成本降低、設(shè)備數(shù)量少、有效利用可再生能源、對電網(wǎng)沖擊小。

1.3 分段式DWC系統(tǒng)設(shè)計思路

（1）分段建造，降低建造成本。有效降低充電路段的建設(shè)長度，減少建設(shè)成本，便于商業(yè)化。

（2）利用隔離帶，采用共享方案，減少設(shè)備數(shù)量。利用隔離帶兩側(cè)雙向車道讓充電車道毗鄰，減少供電線路的鋪設(shè)長度，同時可以實現(xiàn)充電設(shè)備的共享，有效減少設(shè)備數(shù)量。

（3）利用可再生能源，減少電網(wǎng)沖擊，降低充電成本。利用公路中央隔離帶的內(nèi)部空間存放充電設(shè)備和儲能電池，有效利用道路空間；利用隔離帶上方的空間布置太陽能發(fā)電裝置為電動車充電、儲能電池、太陽能發(fā)電以及電網(wǎng)的聯(lián)合供電，降低充電對電網(wǎng)的沖擊，保證供電安全。

2 DWC系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 整體方案設(shè)計

表2為DWC系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。

表2 DWC裝置的設(shè)計參數(shù)

表3為目前主流的電動汽車參數(shù)，覆蓋家用型純電動乘用車和純電動重型載貨車。以最大耗能電動汽車設(shè)計DWC系統(tǒng)的上限，設(shè)計的最大耗能電動汽車在“綠洲”中行駛1 km的能耗為2.5 kWh；“綠洲”中車輛通過DWC技術(shù)吸收電能為8.1 kWh；“綠洲”中儲存到車載電池的電能為5.6 kWh；“綠洲”中行駛1 km儲存的能量可行駛里程為3.7 km。

表3 車型參數(shù)對標(biāo)及設(shè)計參數(shù)

2.2 DWC系統(tǒng)道路方案

根據(jù)表3所示的純電動汽車數(shù)據(jù)，確定充電路段與非充電路段的長度分別為1 km和3 km，以滿足車輛的連續(xù)行駛需求。具體方案如圖1所示。

圖2為汽車DWC技術(shù)的原理圖，道路下方的發(fā)射線圈將電能以磁場能量的方式傳遞給接收線圈，接收線圈將磁場能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，電能為電動汽車的動力電池充電。純電動汽車采用DWC技術(shù)后，車輛攜帶的電池只需要行駛沒有鋪設(shè)無線充電道路的里程即可，大幅降低了電動汽車的車載電池容量。車載電池容量降低之后，整車成本、重量、能耗均有所下降。

圖1 道路方案設(shè)計

圖2 DWC技術(shù)原理圖

2.3 太陽能發(fā)電及儲能方案

圖3為太陽能發(fā)電及儲能方案，充電路段上方的太陽能板寬度為4 m，充電路段的太陽能板面積為4 000 m2，每個“綠洲”的太陽能發(fā)電功率約為600 kW，為行駛在充電路段上的純電動汽車提供電能。

圖3 太陽能發(fā)電及儲能方案

2.4 能量調(diào)節(jié)及供給方案

圖4為DWC系統(tǒng)供電方案。太陽能板發(fā)電為儲能電池充電，進(jìn)而可以通過電網(wǎng)進(jìn)入無線充電電網(wǎng)的主線，交流電網(wǎng)通過交流/直流（Alternating Current/Direct Current, AC/DC）將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姙闊o線充電系統(tǒng)供電。從而實現(xiàn)兩路供電，有效利用可再生能源，減少對電網(wǎng)能量的利用，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

圖4 DWC系統(tǒng)供電方案

3 創(chuàng)新點及優(yōu)勢

（1）利用公路中央隔離帶以及與隔離帶相鄰兩車道建設(shè)，最大程度上實現(xiàn)充電設(shè)備的共用，避免了設(shè)備的重復(fù)投入，降低建設(shè)成本；

（2）利用可再生能源用于車輛充電，同時采用儲能電池對能量調(diào)節(jié)，降低DWC系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，降低純電動汽車充電成本；

（3）可滿足城市道路和高速公路的充電需求，解決“里程焦慮”和 “一樁難求”問題。

4 實驗驗證

4.1 電動車和充電道路搭建

為了驗證分段式DWC技術(shù)的可行性，利用小型電動汽車進(jìn)行了DWC技術(shù)改造，同時搭建了搭載DWC裝置的道路模型（目前僅驗證充電方案的可行性，所以未安裝太陽能發(fā)電裝置）。圖5為改裝后的DWC道路模型。電動車用小型電動四驅(qū)車改裝而成，自身攜小型充電電池，供電系統(tǒng)接入無線充電接收線圈，接收線圈固定于車輛的底部。道路模型設(shè)計為環(huán)形，在道路的固定位置埋入無線充電發(fā)射線圈，發(fā)射線圈由穩(wěn)定的固定電源供電，以保證電壓的穩(wěn)定。

圖5 電動車樣機(jī)和道路驗證模型

表4為樣機(jī)和道路模型的設(shè)計數(shù)據(jù)。電動車改造過程中采用的是成熟的手機(jī)無線充電發(fā)射模塊和無線接收模塊。充電道路是按照40:1的尺寸建造，用于可行性驗證。

表4 電動車樣機(jī)和道路模型參數(shù)

4.2 實驗驗證

在測試過程中，車輛在經(jīng)過充電路段時進(jìn)行充電，所充電量能滿足車輛跑完未充電道路，車輛可以在環(huán)形跑道上持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而驗證分段式DWC方案的可行性。圖6為DWC系統(tǒng)在靜態(tài)充電過程中電池的充電曲線。

圖6 靜態(tài)充電過程中電池的充電曲線

5 結(jié)論

為了解決純電動汽車DWC技術(shù)的建設(shè)成本高、電網(wǎng)沖擊大的問題，本文基于TSIP創(chuàng)新方法提出了分段式DWC技術(shù)方案。分段式DWC技術(shù)通過分段建造、設(shè)備共享、太陽能發(fā)電、儲能等技術(shù)，有效解決了DWC技術(shù)目前存在的問題。本文通過樣機(jī)的驗證，分段式無線充電技術(shù)能夠滿足未來DWC技術(shù)的發(fā)展，能有效解決純電動汽車在未來大規(guī)模普及過程中面臨的問題。