基于電氣化公路的移動無線供電技術(shù)

潘露揚 門曉飛 劉仲豪

移動無線供電技術(shù)，是指在公路上鋪設(shè)利用互感耦合原理的無線供電發(fā)射裝置，同時將接收線圈置于電動汽車底部，實現(xiàn)完全或高度依賴外部能源驅(qū)動行駛的新型運輸方式。移動無線供電技術(shù)可以有效的解決固定式充電方式在時間和空間的束縛問題，同時減少了車載電池重量甚至可以完全移除車載電池，并實現(xiàn)零排放。本文從互感耦合理論出發(fā)，建立電動方程及電路模型，模擬應(yīng)用實際場景。

隨著人類社會的不斷發(fā)展，對能源的需求日益旺盛。化石燃料作為不可再生資源，儲量的減少給未來能源供應(yīng)埋下危機。我們所面臨的問題中不僅僅只有能源問題需要我們特別的注意，環(huán)境污染問題也同樣嚴峻。環(huán)境污染問題關(guān)系到國計民生，是阻礙經(jīng)濟健康發(fā)展的攔路虎。交通運輸行業(yè)是能源消耗大戶，同時也是污染物排放大戶，可以說若想解決能源和環(huán)境兩大問題，對交通運輸行業(yè)的改造將不可回避。電動汽車作為節(jié)能環(huán)保的新興產(chǎn)品將成為未來汽車發(fā)展的必然趨勢，目前充電問題是制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題。目前市場中普遍應(yīng)用的是有線充電，即充電樁式充電。但這種充電方式費時費力，限制了電動汽車的行駛里程，還導(dǎo)致了電動汽車必須攜帶大質(zhì)量的電池。無線供電技術(shù)可以很好地解決有線充電帶來的諸多不便，在道路上加裝無線供電設(shè)備，電動汽車在道路上行駛完全使用無線供電設(shè)備提供的外部能源。這種運行模式類似于電氣化鐵路的運行模式，汽車本身不攜帶能源，續(xù)航里程接近于無限，完全依靠電力運行，實現(xiàn)零排放。因為道路運輸和鐵路運輸有著本質(zhì)的差別，所以電氣化公路區(qū)別于電氣化鐵路的關(guān)鍵技術(shù)就是移動無線供電技術(shù)。

一、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

移動無線供電技術(shù)的不斷積累相關(guān)專利也不斷出現(xiàn)，對移動無線供電技術(shù)專利數(shù)量進行統(tǒng)計，就能展示出應(yīng)用情況和未來研發(fā)方向。從歷年來國內(nèi)外專利的申請數(shù)量和變化規(guī)律能夠有效的認識國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，把握技術(shù)環(huán)境變化規(guī)律就可以很好的了解技術(shù)的動態(tài)，了解技術(shù)的競爭優(yōu)劣勢。在移動無線供電技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埛矫妫瑖鴥?nèi)要比國外落后近十年。這說明國內(nèi)該領(lǐng)域研究開展較晚。從申請量方面來看，在2010年前后，國內(nèi)的申請量和國外持平并超越，而且申請量成增長趨勢。國外從2012年開始申請量趨于平穩(wěn)，并出現(xiàn)略微下滑的態(tài)勢。國內(nèi)的研究起步時間雖然要比國外晚了十年，但近年來國內(nèi)的研究勢頭已超越國外。從技術(shù)成熟度來看，國外的已經(jīng)達到了很高的水平，他們更傾向于技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用的過度，已經(jīng)不局限于通過大量的申請專利來扼制潛在對手。

我國極大的內(nèi)部市場和巨大的發(fā)展?jié)摿Χ夹枰油陚涞慕煌ɑA(chǔ)設(shè)施建設(shè)來配合。進三十年來發(fā)達國家進入創(chuàng)新經(jīng)濟，大量制造業(yè)進行外包，這就是我國成為世界工廠的歷史契機。現(xiàn)在以我國為中心的東亞制造業(yè)經(jīng)濟中心已經(jīng)形成，這對交通運輸行業(yè)又提出新的更高的需求。此消彼長，需求決定創(chuàng)新方式，未來電氣化公路的發(fā)展方向很可能由中國主導(dǎo)，現(xiàn)在積累技術(shù)人才，為未來做準(zhǔn)備。

二、移動無線供電系統(tǒng)的建模

移動無線供電技術(shù)的理論基礎(chǔ)是互感耦合理論，利用這種方式可以在一米范圍內(nèi)進行高效的無線電力輸送。這個距離完全可以滿足在路面上鋪設(shè)無線供電發(fā)射裝置，同時將接收線圈置于汽車底部的要求。

利用互感耦合原理，分析接收端和發(fā)射端反映出的阻抗特征，并且進一步推導(dǎo)出發(fā)射功率與接收功率的關(guān)系，得到動態(tài)變化方程。從中比較就能得到傳輸效率和輸出線圈組功率比。

圖為無線供電設(shè)備及電動汽車電能接收設(shè)備等效電路圖，其中，u為高頻變壓設(shè)備輸入電源端，11、12和1分別為無線供電設(shè)備發(fā)射端線供電設(shè)備發(fā)射端兩發(fā)射器電流值，L1、L2、L、C1、C2、和C分別為無線供電設(shè)備發(fā)射端、電動汽車電能接收設(shè)備電感值和補償電容器電容值，M1、M2和M分別為無線供電設(shè)備發(fā)射端與電動汽車電能接收設(shè)備之間的互感。

互感耦合原理方程。根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可得：

式中Z1、Z2和Z分別為無線供電設(shè)備發(fā)射端與電動汽車電能接收設(shè)備阻抗，分別表示為：

三、結(jié)語

電氣化公路無疑是一種面向未來的交通運輸方式，在緩解環(huán)境壓力，節(jié)約能源等方面都十分優(yōu)于現(xiàn)有方式。我國正處在由交通大國向交通強國邁進的路上，將來我們將引領(lǐng)新的發(fā)展潮流，貯備新技術(shù)是必須做的準(zhǔn)備。移動無線供電技術(shù)作為電氣化公路的核心技術(shù)，是下一個階段的發(fā)展和研究重點。目前來看，短時間內(nèi)還不會出現(xiàn)大規(guī)模的電氣化公路的實際應(yīng)用，即便移動無線供電技術(shù)能夠解決實際問題，但現(xiàn)在的能源結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)設(shè)施配套以及電動汽車的普及率都遠遠沒要達到商業(yè)化應(yīng)用程度。歷史經(jīng)驗來看，每一次重大技術(shù)的變革都是被強大實際需求推動產(chǎn)生的，有朝一日電氣化公路的大規(guī)模應(yīng)用的根本原因也將是從實際需求中產(chǎn)生的。如今的技術(shù)儲備就是為需求爆發(fā)的時刻做準(zhǔn)備，在技術(shù)迭代越來越快的今天，先發(fā)優(yōu)勢將在將來產(chǎn)生決定性優(yōu)勢，我們應(yīng)做的就是未雨綢繆，為明天籌劃。