電動汽車移動負載動態無線充電技術

耿直

（河南師范大學 國際教育學院，河南 新鄉 453007）

近年來，無線電能量傳輸技術的發展十分迅速，其基本原理主要是利用交變電流經過發射線圈形成磁場，而磁場又通過接受或輸入線圈，使磁能轉化為電能，并以此實現能量的無線傳遞。按照無線電能量的使用狀況，主要可分成靜止無線充電系統和動態無線充電系統。靜止無線充電傳輸是將待充裝置與充電電源保持在相對靜止的狀態下進行。該方式通常要求選擇正確的發送線圈和接受線圈，比如手機無線充電、計算機無線充電等，而該方式通常只適合于當車輛在某一固定地點停車時進行的充電作業。動態無線電能傳輸是指待充電設備與充電電源處于相對運動的狀態時進行充電。以電動汽車為例，該方法使其可以在運動的狀態下實現電能的無線傳輸，可以顯著地提高電動汽車的行駛里程，避免了駕駛員相關焦慮，使充電更加安全、便捷。

本文對動態無線電能傳輸系統進行理論分析，并根據實際使用情況對傳統插拔式充電系統與該動態無線電能傳輸系統進行對比，結合國內外研究狀況歸納了動態無線電能傳輸技術所面對的挑戰。

1 無線電能傳輸系統模型

1.1 靜態無線電能傳輸系統模型

無線電能傳輸結構圖如圖1所示。無線電能傳輸系統主要由直流電源、高頻逆變器、耦合機構（包含補償拓撲）、直流整流器、負載等五個部分組成。直流電源將直流電輸入高頻逆變器，高頻逆變器將直流電轉換為交變電經過補償拓撲輸入耦合機構，整流器在接收端會將接收到的交流電轉換為直流電，從而將電能傳遞給負載，實現了電能的傳輸。

圖1 無線電能傳輸結構圖

1.2 動態無線電能傳輸系統模型

動態無線電能傳輸系統是在靜態無線電能的基礎上發展而來，即指電動汽車在行駛過程中以空氣作為介質，發射線圈固定在形式道路上，接收側線圈安裝在電動汽車上，從而進行電能的傳輸，提高電動汽車的行駛里程，減小電動汽車的電池尺寸，給予駕駛者更大的操作空間。

動態電能傳輸模型如圖2所示。紅色線圈為發射線圈，綠色線圈在電動汽車上為接收線圈。系統的位置關系可分為長導軌式、線圈陣列式和分段導軌式。其中分段導軌式建造周期長成本高，相對而言，線圈陣列式建造周期短成本低，但其某一處遭到破壞后就會使整個的工作處于斷路，穩定性差。本文將采用線圈陣列式進行分析，陣列式線圈位置框圖如圖3所示。

圖2 動態電能傳輸模型

圖3 陣列式線圈位置框圖

如圖4所示為動態無線充電系統原理圖，綠色線圈為安裝在電動汽車上的接收線圈，其余示意線圈則為鋪設在路面上的發射端線圈。電動汽車按照箭頭所指方向進行移動，在移動過程中，利用傳感器測得電動汽車所在的位置，并由控制單元的繼電器開關控制發射端線圈的電能通斷。因此，只有當電動汽車與發射機線圈對齊時，并且當接收線圈改變其位置時，電能才能被傳輸。

圖4 動態無線充電系統原理圖

2 系統的設計

本文設計了一種電動汽車動態無線充電系統的模型。在模型中，共設計了8個傳輸線圈（固定在道路上）和一個接收器線圈（安裝在車輛上）。在紅外傳感器和繼電器的幫助下，當電動汽車的接收線圈與發射機線圈對齊時，線圈被打開。線圈尺寸為60毫米（外徑），發射線圈20圈，接收線圈30圈。電氣系統電池調諧頻率為24kHz。車輛無線傳輸電路圖如圖5所示，控制單元與單片機控制原理圖如圖6所示。

圖5 車輛無線傳輸電路圖

圖6 控制單元與單片機控制原理圖

進一步的工作是研究兩個線圈墊之間氣隙的影響，以及如何提高最低可能頻率范圍內被傳輸功率的水平。工作參數如表1所示。

表1 工作參數

紅外傳感器用于感知和檢測電動汽車在道路上的位置。繼電器通過一個編程平臺連接，該平臺與傳感器輸出一起工作，允許繼電器進行切換，處理繼電器是否應該允許電力傳輸。因此，只有當一次線圈與固定在電氣化道路上的二次線圈對齊時，電能才會傳輸。此外，繼電器連接到線圈，并且無線傳輸是我們前面已經討論過的。

3 電磁兼容技術

動態無線充電技術是利用高頻率的強電磁場來進行電能的無線傳輸，由于動態無線充電技術的工作頻率比較高，且電磁工作環境比較復雜，所以，在研究電動汽車移動負載動態無線充電技術的過程中，電磁的兼容技術也是最重要的研究技術之一。電磁兼容技術主要包括電磁屏蔽設計、頻率配置、接地設計、剩磁設計、軟件抗干擾設計等內容。

電動汽車的無線電能傳遞系統和電磁干擾控制設備，大致包括了被動屏蔽和主動屏蔽這兩類。對于被動屏蔽來說，主要是用更多鐵磁性的金屬板材把磁通道建立為一條能夠使用的路徑，又或者是用較小磁導率金屬半導體材料形成一種和漏磁傾向完全相反的磁性。而因為使用了高鐵磁性的金屬板材，就可以改善鐵磁耦合線圈的自感與互感系數，所以這樣可在提高相互耦合特性的同時，也優化對電磁場技術中的能量分配和約束，因為這樣也會有助于減少對磁路的能量損失。但是，金屬被動屏蔽效能始終是很有限的，而金屬屏蔽設備也被廣泛應用于射頻場合中，可以更有效地對磁場的電磁加以控制和干擾。KAIST和橡樹嶺國際實驗室的研發人員在對金屬導線材料的電磁屏蔽技術進行研發過程中，會利用較低磁導率的金屬導線材料對電磁系統加以干擾，盡管這種方式的確具有設計簡單、操作簡便等特點，但其缺點是不能同時對發射線圈和接受線圈進行屏蔽，而且在地面上的金屬導線材料由于長時間暴露在磨損狀態下而會形成渦流損耗，也會導致系統特性受到負面影響。2015年，KAIST研發人員研究出了一個全新的被動屏蔽方案，形成了一個全新的被動屏蔽架構，這對減少電磁影響起到了一定功效，系統的電磁屏蔽框圖如圖7所示。

圖7 電磁屏蔽框圖

關于主動式屏蔽，主要是在耦合機構周圍設置一個能夠主動屏蔽的金屬線圈，并以此來產生對抗電磁效應。與傳統金屬屏蔽相比，這些主動式屏蔽方案都會比較節約其所占據的空間，并以此來增強了金屬主動式屏蔽的效果。而在這個研究的基礎上，將主動屏蔽的雙線圈置于耦合機構的同一側，從而利用漏磁所產生感應的電流產生抵消的效應，以此達到了電磁屏蔽的功效。但是，由于在進行研究的過程中，會受到一些限制因素的影響，因此使得其形成與原磁場方向相反而且幅度相等的抵消磁場是相當困難的，同時將屏蔽的線圈進行引入時，也會使系統整體的效能變低，這也就形成了主動屏蔽的短板。表2總結了上述屏蔽方式及其優缺點。

表2 屏蔽方式及其優缺點

4 結論

本文從多個角度對電動汽車移動負載動態無線充電技術在發展過程中所遇到的一系列問題進行了相應的研究和分析，針對這些問題進行了相應解答，并給出了很多解決方案。目前，我國對于電動汽車的動態無線充電技術的研究還處在初步試驗的階段，而想要讓其技術進行大量的使用還需要做進一步的研究。因此，要想真正將電動汽車動態無線充電技術全面推廣，還要對該技術進行深入的研究，并在實踐中不斷探索和完善，以此讓電動汽車移動負載動態無線充電技術變得更完善，以推動該技術盡快投入使用。