電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)

姚修宇

（上海海事大學(xué) 上海市 200120）

1 引言

在當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展過(guò)程中，汽車已經(jīng)是人們生活的必需品，而且其功能也越來(lái)越多。但是，基于環(huán)保、綠色等概念的發(fā)展下，當(dāng)前的汽車行業(yè)面臨著一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)：傳統(tǒng)模式下，發(fā)展了兩個(gè)世紀(jì)的汽車產(chǎn)業(yè)將從燃油方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊绞健＿@對(duì)于很多汽車生產(chǎn)與制造商來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)巨大的難題。如何確保汽車電池的供電充足，如何確保汽車電子的安全性，如何確保汽車電池的充電速度等，均是需要當(dāng)前快速解決的問(wèn)題。在此，相關(guān)技術(shù)人員經(jīng)過(guò)不斷地實(shí)踐得出了一個(gè)有效的方法：在當(dāng)今靜態(tài)無(wú)線充電技術(shù)的不斷革新與發(fā)展過(guò)程中，電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)也被逐漸提上了日常，且開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的研究與分析。而且，基于當(dāng)今的靜態(tài)無(wú)線充電技術(shù)，動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展與建設(shè)。

汽車的無(wú)線充電技術(shù)是新能源汽車發(fā)展的重要部分。傳統(tǒng)的有線充電需要人工連接，屬于靜止式充電。汽車無(wú)線充電無(wú)需電氣連接，用戶體驗(yàn)好，天氣適應(yīng)性強(qiáng)，節(jié)省地面空間。

汽車無(wú)線充電主要有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種方式，但是從本質(zhì)上來(lái)分析，靜態(tài)無(wú)線充電與插電式充電同樣需要占用大量的時(shí)間，而且無(wú)法對(duì)汽車的續(xù)航能力進(jìn)行有效地提升。比如，在一臺(tái)公交車的車載電池中，其續(xù)航能力一般情況下只能維持300 公里。但是由于現(xiàn)實(shí)情況，如堵車、啟停等影響，實(shí)際續(xù)航能力只有200 公里。也正是在這一背景下，電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)被逐漸地關(guān)注了起來(lái)，以至于人們開(kāi)始思考如何實(shí)現(xiàn)汽車在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中自我充電。這樣不僅能夠有效提高電動(dòng)汽車的續(xù)航能力，還能改變當(dāng)前汽車對(duì)人類的服務(wù)方式。

2 電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究

2.1 磁耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)

在當(dāng)今已經(jīng)被應(yīng)用于實(shí)踐中的無(wú)線供電導(dǎo)軌中，主要可以分為以下幾個(gè)方面：第一方面是分立形式的連續(xù)單線圈結(jié)構(gòu)；第二方面是矩形長(zhǎng)線圈類型和雙磁級(jí)的類型。在對(duì)其進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)的過(guò)程中，奧克蘭大學(xué)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)研究中心相關(guān)工作人員提出了應(yīng)用矩形長(zhǎng)線圈供電導(dǎo)軌的方法來(lái)對(duì)當(dāng)前的電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)中所體現(xiàn)出的問(wèn)題進(jìn)行有效地解決。同時(shí)，還提出需要在不同的結(jié)構(gòu)和不同的形式下對(duì)其進(jìn)行接收端結(jié)構(gòu)的調(diào)整與安排。但是，這一方案在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了很多的問(wèn)題，其中，比較典型的問(wèn)題有：在這一供電導(dǎo)軌中，側(cè)移的能力相對(duì)較弱。在雙D 型線圈中增加一個(gè)正交線圈，或通過(guò)雙D 型和新型雙極接收端可以有效地改善這一問(wèn)題，且可以優(yōu)化對(duì)耦合機(jī)構(gòu)的側(cè)移能力提升。另外，還有其他技術(shù)人員提出，可以用新型的三相交流激勵(lì)能力發(fā)射導(dǎo)軌接收端對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，進(jìn)而可以在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)三相交流電的相互抵消，而且還能保證交叉耦合的能量拾取，和不同機(jī)構(gòu)的橫像偏移容忍度提升。但是，在以上兩個(gè)方案的后續(xù)設(shè)計(jì)中又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：長(zhǎng)線圈的應(yīng)用存在一個(gè)特別大的問(wèn)題就是功率密度較低，而且施工面積非常大，再加上軌道兩側(cè)的磁場(chǎng)暴露水平太高。

2.2 能量傳輸?shù)目刂萍夹g(shù)

在電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)的電能傳輸和電能控制技術(shù)的研究過(guò)程中，主要可以將之區(qū)分為以下幾個(gè)研究?jī)?nèi)容：第一方面是原邊控制；第二方面是副邊控制，第三方面是雙邊控制。在這三種研究與設(shè)計(jì)方法當(dāng)中，相關(guān)技術(shù)人員提出了可以通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器驅(qū)動(dòng)型號(hào)的方法來(lái)控制原邊諧振電流，同時(shí)還需要在此基礎(chǔ)上完成好整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)與建設(shè)。KAIST 在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用了原邊恒流的控制技術(shù)，而且在逆變器的前部設(shè)計(jì)了DC/DC 變換器。基于這一模式，可以在對(duì)原邊直流母線進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的時(shí)候完成好逆變器的輸出以及逆變器的恒流控制。在此，我們需要明白，原邊的控制其根本目的在于提高電能的功率輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)魯棒的控制與管理。另外，通過(guò)副邊控制的辦法對(duì)其進(jìn)行研究，可以在整流電路后設(shè)計(jì)一個(gè)BUCK 變換器，然后通過(guò)狀態(tài)空間平均法對(duì)其進(jìn)行信號(hào)模型的建立。同時(shí)需要結(jié)合極配置法對(duì)其進(jìn)行比例和積分的設(shè)計(jì)，已實(shí)現(xiàn)后續(xù)的良好控制，完成好恒功率最大效率的轉(zhuǎn)化效果。在此，還有東京大學(xué)相關(guān)研究人員提出，可以對(duì)其進(jìn)行可控整流，以及滯后比較器的副邊控制，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的最大化輸出也是一個(gè)可以對(duì)其實(shí)現(xiàn)有效控制的方法。最后是雙邊控制方法，在這一控制技術(shù)中，需要結(jié)合雙邊的通信控制來(lái)完成，而且需要在這一過(guò)程中應(yīng)用閉環(huán)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行控制系統(tǒng)的優(yōu)化與能量傳輸最大化的調(diào)整。

2.3 電磁兼容的技術(shù)

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)的電能傳輸需要通過(guò)埋在地下的高頻強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行電能的傳遞與輸送，覆蓋道路面積廣，所以，其本身的負(fù)載較大，且工作的能耗也較高，而且電磁環(huán)境非常復(fù)雜。因此，電磁兼容的技術(shù)在這一過(guò)程中就需要作為一個(gè)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目來(lái)研究。其中，研究的主要內(nèi)容包含有：磁屏蔽設(shè)計(jì)的方法；接地設(shè)計(jì)的方法；頻率配置的方法；軟件抗干擾的方法等等。結(jié)合當(dāng)前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中費(fèi)電離輻射的內(nèi)容，要求100kНz 電流密度公眾暴露限制應(yīng)該是200mA/m2。如果輻射值高于這一標(biāo)準(zhǔn)，那么對(duì)于人體的健康，以及神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)造成相應(yīng)的損害，甚至?xí)陂L(zhǎng)時(shí)間的輻射過(guò)程中使得人體局部體溫升高，而且還會(huì)出現(xiàn)人體內(nèi)部局部組織過(guò)熱的現(xiàn)象。在電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用中，其電磁干擾抑制的研究可以區(qū)分為兩大部分：第一部分為主動(dòng)屏蔽方法；第二部分為被動(dòng)屏蔽方法。在被動(dòng)屏蔽這一環(huán)節(jié)中，其主要是利用鐵磁性材料為輔助原料，然后位置提供一個(gè)路徑，使其能夠在低磁導(dǎo)率金屬材料中形成與漏磁相悖的電磁場(chǎng)。由此可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)鐵磁性材料的應(yīng)用，能夠有效地優(yōu)化磁耦合線圈的互感系數(shù)，且能夠大大提高耦合性的約束能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁路的保護(hù)。但是，被動(dòng)屏蔽方法相對(duì)來(lái)說(shuō)范圍有限，這也是其中的一個(gè)問(wèn)題。主動(dòng)屏蔽方法為：在耦合機(jī)構(gòu)臨近的位置設(shè)計(jì)一個(gè)主動(dòng)屏蔽線圈，然后以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的抵消作用。相對(duì)于金屬屏蔽方法，該技術(shù)的空間占有量較小。

表1

3 電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)需攻克的問(wèn)題

3.1 高性能耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

高性能耦合機(jī)構(gòu)在與單極性長(zhǎng)線圈型進(jìn)行導(dǎo)軌比較的時(shí)候，我們可以發(fā)現(xiàn)，在雙極供電導(dǎo)軌中，其表現(xiàn)出來(lái)的特征為尺寸比較緊湊、功率密度較高，而且具有較大的側(cè)移適應(yīng)性與側(cè)移強(qiáng)度，另外還有效規(guī)避了軌道兩側(cè)的磁場(chǎng)暴露水平高的問(wèn)題。另外，其本身還能體現(xiàn)出以下特征：施工的難度大大降低、施工的面積也大大縮減、磁極和磁芯的引用量也得到了一定的縮減。在這一基礎(chǔ)上，便可以有效地保證整體施工的質(zhì)量提升和效率提升，且能夠?qū)κ┕さ恼w成本進(jìn)行有效的控制與管理。在這一背景下，高性能耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于一些大規(guī)模和超大規(guī)模的建設(shè)工程中。但是，其中的問(wèn)題我們也需要對(duì)其關(guān)注。主要有：雙極性導(dǎo)軌的磁場(chǎng)分布時(shí)而均勻，時(shí)而不均勻，且無(wú)規(guī)律可循；在應(yīng)用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)耦合的零點(diǎn)問(wèn)題，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致電能的傳輸受到較大的影響，以至于電能的傳輸中斷，和電能傳輸無(wú)法得到連續(xù)的保障。這樣，不但會(huì)影響整個(gè)汽車動(dòng)態(tài)充電的效率，而且還會(huì)對(duì)汽車的系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及人員的安全造成一定的威脅。另外，還有可能會(huì)消減傳輸能量的功率和效率。以上問(wèn)題是我們需要對(duì)其進(jìn)行繼續(xù)優(yōu)化的內(nèi)容，也是當(dāng)前電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)中主要面對(duì)的無(wú)線供電平均傳輸與功率傳輸?shù)膯?wèn)題。

3.2 能量傳輸與控制的保障

在雙極型的供電導(dǎo)軌無(wú)線電供電系統(tǒng)當(dāng)中，因?yàn)轳詈蠙C(jī)構(gòu)的位置會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，以及耦合機(jī)構(gòu)的位置會(huì)隨著其相對(duì)的位置進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致分段導(dǎo)軌的磁場(chǎng)分布出現(xiàn)紊亂的情況。另外，在這一背景下，還會(huì)造成路基介質(zhì)的不同，以及各參數(shù)擾動(dòng)的問(wèn)題發(fā)生。電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)當(dāng)中，能量的傳輸與控制的保障屬于一個(gè)非常快速的非線性變化過(guò)程，在這一途徑中，我們需要重點(diǎn)思考應(yīng)該如何有效地穩(wěn)定系統(tǒng)，以及如何有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。進(jìn)而使其能夠在后續(xù)的系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程中變得更加迅速與及時(shí)。這一方面是當(dāng)前電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)能量傳輸?shù)闹饕芯磕繕?biāo)與方向，也是確保能量傳輸與魯棒控制的關(guān)鍵所在。它不僅可以保障能量傳輸?shù)墓β室约跋到y(tǒng)控制的質(zhì)量，而且還能確保能量傳輸在后續(xù)工作階段中的穩(wěn)定運(yùn)行與和諧發(fā)展。

3.3 電磁兼容問(wèn)題的解決

在電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)當(dāng)中，能量傳輸?shù)馁|(zhì)量與效率，以及電磁的兼容問(wèn)題，和系統(tǒng)的電磁干擾問(wèn)題與人體對(duì)于電磁輻射的損害問(wèn)題等，都是非常重要的研究課題。同時(shí)這些問(wèn)題也是需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)解決要點(diǎn)。在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析的過(guò)程中，我們需要始終秉承著一個(gè)觀念對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行看待：首先是需要確保對(duì)電磁兼容問(wèn)題的有效解決，以此來(lái)提升整個(gè)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)的安全性。這樣可以有效地保證電動(dòng)汽車在動(dòng)態(tài)無(wú)線充電過(guò)程中的穩(wěn)定運(yùn)行，以及對(duì)汽車的能量及時(shí)傳輸。另外，基于此還能夠有效的確保整個(gè)能量傳輸系統(tǒng)中電磁兼容的正常工作。見(jiàn)表1。

4 結(jié)束語(yǔ)

在此次研究中，我們重點(diǎn)分析了電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)研究和應(yīng)用過(guò)程中遇到的問(wèn)題，以及對(duì)相關(guān)問(wèn)題解決的方法和策略。并且針對(duì)當(dāng)前國(guó)外一些先進(jìn)的研究?jī)?nèi)容和研究觀點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了全面的參考與講解。而且對(duì)于汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電的技術(shù)要領(lǐng)以及技術(shù)難點(diǎn)做出了簡(jiǎn)要的分析與論證。另外，研究還重點(diǎn)描述了電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)研究過(guò)程中所遇到的瓶頸，以及對(duì)該瓶頸的突破方法和措施。另外結(jié)合當(dāng)前國(guó)外的一些先進(jìn)研究結(jié)果來(lái)看，當(dāng)前我國(guó)對(duì)于電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展還處于一個(gè)不斷創(chuàng)新與完善的階段，而且面對(duì)未來(lái)的社會(huì)需求以及用戶的需求還有很長(zhǎng)的路要走。雖然我國(guó)在電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)領(lǐng)域中取得了較大的成就，但是就當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，其中依然存在各種各樣的問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決均需要技術(shù)的商業(yè)化與工程化來(lái)推動(dòng)其發(fā)展，且需要對(duì)其進(jìn)行深入的研究，結(jié)合國(guó)外的先進(jìn)理論與我國(guó)自身的實(shí)踐探索方法對(duì)其做出有機(jī)結(jié)合。進(jìn)而才能夠創(chuàng)造出一個(gè)全新的電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用辦法，才能滿足更多人的需求，帶動(dòng)社會(huì)的整體發(fā)展與綠色環(huán)保工作的建設(shè)。