電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展

徐冰　張文

摘 要：本文先是簡要介紹了動(dòng)態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)在體重、功率、水平偏移量以及成本等諸多指標(biāo)上的發(fā)展?fàn)顩r以及電動(dòng)汽車商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展，然后比較了國內(nèi)外幾個(gè)重要研究機(jī)構(gòu)在道路動(dòng)力電動(dòng)汽車系統(tǒng)參數(shù)和特性方面的技術(shù)研究進(jìn)展，以期對(duì)電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)研究有所幫助。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;技術(shù)研究;進(jìn)展

伴隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策壓力和新能源技術(shù)迅速發(fā)展帶來的新機(jī)遇，各大汽車廠商設(shè)計(jì)研發(fā)了各式各樣的電動(dòng)汽車并及時(shí)推向市場，包括純電動(dòng)、混合動(dòng)力、道路動(dòng)力等類型電動(dòng)汽車。電池相關(guān)技術(shù)一直是制約電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用的最大障礙，近幾年出現(xiàn)的極速快充技術(shù)（充電時(shí)間小于5分鐘）由于技術(shù)穩(wěn)定可靠、成本較低可控成為廣受市場青睞的電池技術(shù)。無線電能傳輸技術(shù)采用無線式電能傳輸設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單、安裝及維護(hù)簡便，而且安全性較高，因此無線式道路動(dòng)力電動(dòng)汽車（RPEV）具有很強(qiáng)的發(fā)展前景。

RPEV能夠?qū)崿F(xiàn)汽車行進(jìn)時(shí)直接獲取動(dòng)力能量，無需電池電能存儲(chǔ)。該技術(shù)的原理是據(jù)安倍定則和電磁感應(yīng)定律可以知道，行駛中的汽車能量接收裝置與路面發(fā)射裝置產(chǎn)生電磁感應(yīng)、產(chǎn)生電流用來充電或?yàn)殡姍C(jī)直接供電。該技術(shù)的商業(yè)化難點(diǎn)在于如何將能量安全且高效地從路面?zhèn)魉徒o汽車。

路面軌道能量傳輸技術(shù)起源于美國Lawrence Berkeley實(shí)驗(yàn)室，后續(xù)經(jīng)過新西蘭、德國、韓國、英國、意大利等多個(gè)國家研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)從該項(xiàng)技術(shù)的各個(gè)方面進(jìn)行專注研究，使得該項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步。美國密歇根大學(xué)后來設(shè)計(jì)并制作了基于一次側(cè)多LCC諧振并聯(lián)無功補(bǔ)償技術(shù)的試驗(yàn)樣機(jī)。國內(nèi)要數(shù)重慶大學(xué)最先開展WPT相關(guān)技術(shù)研究，提出了分段控制軌道式技術(shù);天津工業(yè)大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別提出基于磁耦合諧振技術(shù)和多一次側(cè)繞組并聯(lián)技術(shù)。

1 電磁感應(yīng)電動(dòng)汽車技術(shù)研究現(xiàn)狀

直到二十世紀(jì)八十年代無線電能傳輸技術(shù)才收到研究者的關(guān)注，其原理是在電磁感應(yīng)耦合基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，能夠?qū)崿F(xiàn)20厘米范圍內(nèi)進(jìn)行高效率電能傳輸。

1.1 動(dòng)態(tài)在線供電技術(shù)與靜態(tài)無線電能傳輸技術(shù)

動(dòng)態(tài)在線供電技術(shù)以韓國KAIST研究團(tuán)隊(duì)為代表，從2009年提出第一代概念汽車到在首爾大公園進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)僅用了半年時(shí)間，到2012年將OLEV巴士部署到KAIST校園和麗水世博試運(yùn)行，近期已經(jīng)在48公里線路上商業(yè)化。第4代OLEV技術(shù)提出了設(shè)備裝置模塊化概念，到第5代裝置寬度僅有4厘米實(shí)現(xiàn)在20厘米距離內(nèi)傳送22kW電能，水平偏移量可以高達(dá)30厘米。此方案優(yōu)勢(shì)在于安裝方便、無需鋪設(shè)多余電線，但其需要較大激磁電流、漏感以及反電動(dòng)勢(shì)、接收效率等仍然是亟需進(jìn)一步優(yōu)化。

東京工業(yè)大學(xué)采用靜態(tài)WPT等效電路原理部署安裝了在13.5厘米距離內(nèi)，工作頻率85kHz情況下輸出3kW電能，傳輸效率高達(dá)82%。但該方案雖然能應(yīng)用到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，但高速行駛會(huì)產(chǎn)生高能量波動(dòng)以及部署成本高、難度大問題。

1.2 動(dòng)態(tài)電動(dòng)汽車無線供電系統(tǒng)

為了解決在線供電系統(tǒng)電能使用效率低的情況，重慶大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研制了基于高壓傳輸、低壓激勵(lì)的電能發(fā)射線圈輸電方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)70米遠(yuǎn)距離傳輸電能，但其中的電磁干擾輻射影響問題仍需繼續(xù)優(yōu)化，而且也存在組合線圈鋪設(shè)成本高、電能傳輸功率不穩(wěn)定等問題。

2 磁耦合諧振式電動(dòng)汽車研究現(xiàn)狀

利用磁耦合諧振原理將電磁場作為無線電能傳輸沒接具有非輻射和高效率的優(yōu)勢(shì)、傳輸距離也能大幅提高。雖然該技術(shù)剛起步，且存在較多關(guān)鍵技術(shù)問題未解決，但因遠(yuǎn)距離傳輸和磁輻射安全等優(yōu)勢(shì)在生物醫(yī)學(xué)、智慧交通以及電子消費(fèi)市場前景一片大好。

2.1 一次側(cè)多發(fā)射線圈電容串聯(lián)結(jié)構(gòu)

為了精簡WPT裝置，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）采用一側(cè)多發(fā)射線圈電容串聯(lián)裝置，在20kHz頻率情況下實(shí)現(xiàn)了2.2kW能量，傳輸效率達(dá)到了74%，實(shí)驗(yàn)期間還通過加鋁將電磁輻射降到ICRIP標(biāo)準(zhǔn)以下。該方案具有廣泛適用性但轉(zhuǎn)化靈敏度、能量分配以及長距離鋪設(shè)問題仍需進(jìn)一步研究。與此類似美國密歇根大學(xué)提出了一次側(cè)多LCC諧振結(jié)構(gòu)并聯(lián)無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案給EV動(dòng)態(tài)供電，但該方案忽視了耦合多變以及電池問題，而且由于LLC拓?fù)淠Ｊ狡ヅ潆y度大導(dǎo)致成本增高。

2.2 多級(jí)繞組并聯(lián)無線電能傳輸技術(shù)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于一次側(cè)多繞組并聯(lián)分段供電方案研發(fā)了多級(jí)繞組并聯(lián)無線電能傳輸技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)在20厘米范圍內(nèi)58kHz頻率下實(shí)現(xiàn)1.6kW功率，傳輸效率達(dá)到60%左右，但仍需要繼續(xù)優(yōu)化裝置耦合設(shè)備、提高功率和傳輸效率。

2.3 分組周期串聯(lián)螺旋耦合技術(shù)

分組周期串聯(lián)螺旋耦合技術(shù)是一種新型WPT技術(shù)，采用分離式結(jié)構(gòu)，由天津工業(yè)大學(xué)提出并進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)。該方案雖然電能傳輸穩(wěn)定、效率較同類技術(shù)高，但整體效率仍然較低，磁屏蔽措施仍需進(jìn)一步細(xì)化研究。

3 無線電能傳輸技術(shù)對(duì)比研究

本文主要研究了比較主流的5種無線電能傳輸技術(shù)，對(duì)比了傳輸性能、安全以及成本等方面參數(shù)，可以得出工作頻率提高會(huì)影響功率及器件性能高低。耦合線圈組合、磁場感應(yīng)以及導(dǎo)軌設(shè)置都會(huì)影響電能高效傳輸和分配。市場上對(duì)動(dòng)態(tài)無線供電設(shè)備的需求仍然表現(xiàn)在長遠(yuǎn)距離、高效功率傳輸，電磁輻射安全以及小體積、低成本方面。

本文主要講述了動(dòng)態(tài)無線電能傳輸技術(shù)研究進(jìn)展，介紹了國內(nèi)外幾個(gè)重要研究團(tuán)隊(duì)對(duì)RPEV輸電技術(shù)的研究成果以及優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)。當(dāng)前商業(yè)方面對(duì)無人駕駛、輔助駕駛等技術(shù)需求較大，正是WPT模式電動(dòng)汽車發(fā)展的機(jī)遇期，而動(dòng)態(tài)WPT技術(shù)不但設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，而且試驗(yàn)要求也更為嚴(yán)格。世界范圍內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)積極響應(yīng)商業(yè)需求，紛紛提出了RPEV技術(shù)解決方案并持續(xù)進(jìn)行深入研發(fā)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，大大促進(jìn)了WPT技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步。RPEV技術(shù)在進(jìn)一步結(jié)合太陽能衛(wèi)星電站、無人駕駛等新興技術(shù)必將深刻地改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

作者簡介：徐冰（1988-），男，安徽人，碩士，工程師，研究方向：輪式車輛總體及驅(qū)動(dòng)技術(shù)。