電動車在線供電系統高效配電方案

摘要： 針對電動車在線供電系統存在嚴重的傳輸損耗問題，設計了一種高壓傳輸低壓激勵的高效配電方案.該配電方案采用高壓導軌傳送電能，以減小輸送過程中的能量損耗；采用低壓激勵方式，以增強導軌的功率發射能力.給出了配電方案的基本框架，闡述了其工作原理；分析了傳輸損耗的機理，導出了傳輸損耗的計算表達式，并探討了分段連續切換供電方法.最后，通過仿真分析和實驗對該配電方案和分段連續切換供電方法的可行性和有效性進行了驗證.分析結果表明，當傳輸距離約大于70 m時，該配電方案的傳輸效率具有明顯優勢，可以提高系統的遠距離能量傳輸效率.

關鍵詞：電動車；感應電能傳輸；傳輸損耗；高壓傳輸低壓激勵

中圖分類號： TM92文獻標志碼： AHighEfficiency Power Distribution Scheme for

在環境污染和能源危機日益嚴重的歷史背景下，電動車作為一種環境親和力好、可控性強的新能源汽車，具有較好的發展前景.然而受電池成本高和續航里程短等方面的影響，電動車目前主要應用于公交車、出租車、工程車和公務車等專用領域.基于感應電能傳輸技術的在線供電[13]（也稱作動態供電或不停車供電）是延伸電動車續航里程、使電動車少搭載甚至無需搭載電池組、減少整車成本的一項新興技術.

感應電能傳輸[47]（inductive power transfer， IPT）是一種基于電磁感應原理的小尺度空間范圍內的電能無線傳輸技術，實現用電設備以非接觸方式接入電網，目前已經逐漸應用于醫療儀器[8]、家用電器[9]、消費電子[10]、水下設備[11]、軌道交通[12]、電動汽車[1314]等領域.在感應電能傳輸系統中，為了提高傳輸效率，工作頻率通常在1～200 kHz范圍內.另外，為了減小集膚效應和鄰近效應產生的交流損耗，通常采用李茲線來制作能量發射和拾取機構，但是李茲線本身的直流電阻仍然與單芯導線相當，甚至略微大一些.電動車在線供電系統中，導軌可能鋪設數千米或數十千米，電流通常為數十千赫茲、數十甚至上百安培的高頻交流.為了減少導軌上的能量耗散，可以采用分段導軌模式.在這種導軌模式中，如果采用就地變換的方式，則每段導軌都需要配備一套變換裝置，這樣不僅會增加系統的一次性建設成本，而且會增加后期的維護工作量.如果采用多段導軌共用一套變換裝置的方式，又會帶來高頻大電流在遠距離輸送過程中的能量損耗問題.

基于以上分析，本文提出一種用于電動車在線感應供電系統的高效配電方案.首先，基于典型的原邊串聯副邊并聯（SP）拓撲結構等效電路模型，分析次級系統的輸出特性；其次，闡述高效配電方案的基本組成和原理，分析產生傳輸損耗的機理，推導出系統傳輸損耗與傳輸距離及傳輸電流等參數的關系式，并解決分段連續切換供電問題；最后通過仿真和實驗驗證了該方案的可行性和有效性.1在線供電原理及輸出特性1.1電動車在線感應供電原理圖1給出了電動車在線感應供電系統的結構框圖.

西南交通大學學報第48卷第2期孫躍等：電動車在線供電系統高效配電方案從圖中可以看出，系統主要分為供電端和受電端兩部分，供電端將電網電源變換為高頻交流后注入到發射導軌中，并產生高頻交變磁場；受電端的拾取線圈捕獲到部分交變磁場，并在其中形成感應電能，再經過相關的變換與控制之后為電動車提供實時的電能補給.整個能量補給的過程中，供電部分和受電部分不需要任何物理連接，且電動車不需要駐停，既保證了電能補給的安全性和靈活性，又節約了時間.

1.2輸出特性分析典型SP拓撲結構的等效電路模型如圖2所示.其中，Rp、Rs、Zr和Zt分別表示導軌線圈內阻、拾取線圈內阻、副邊到原邊的反射阻抗以及原邊等效阻抗；jωMIp表示導軌電流在接收線圈中產生的感應電壓.在忽略Rs的情況下，反射阻抗Zr可由式（1）計算：

對比圖12和圖13可知，傳輸電阻的加入對系統影響很小，發射導軌的電流變化不明顯，輸出電壓也基本能保持原來的值.

從圖10～13的實驗結果可以看出，實驗結果和仿真結果所反映的規律一致，只是實驗系統的輸出電壓低于仿真結果，這是因為仿真中忽略了因器件內阻引起的壓降.5結束語本文闡述了電動車在線感應供電技術的基本原理，通過對原邊串拓撲結構輸出特性的分析發現，副邊串聯拓撲具有跟蹤原邊輸入電源性質的特性，而副邊并聯的結構則具有相反的特性.為提高原邊導軌系統的效率，設計了一種高壓傳輸低壓激勵的高效配電方案，給出了方案的框架結構，對比分析了該系統與普通系統的傳輸損耗，對分段連續切換供電問題進行了研究.仿真結果表明，該方案可以明顯提高系統效率，且能夠平穩地實現分段連續切換供電.原理性實驗結果進一步表明了該方案的高效性，且高頻變壓器的引入并不影響原有系統的諧振特性，即不增加系統的參數設計難度.

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（中文編輯：唐晴英文編輯：付國彬）