電動汽車動態無線充電關鍵技術初探

北汽福田汽車股份有限公司 韓建友

電動汽車動態無線充電關鍵技術初探

北汽福田汽車股份有限公司 韓建友

目前在人們日常的代步工具中電動汽車最普遍，而我國電動汽車充電上主要是接觸式充電，同時無線充電技術也在不斷發展。現今無線充電技術以靜態為主，而其動態的充電方式作為對靜態的一種完善及補充符合未來電動汽車對無線充電的要求，并且有利于電動汽車的推廣，使其充電更加便捷。我國對于動態無線充電技術相關結構一直在不斷地進行研究，但是受多方面因素的影響，此種充電形式在發展中還有許多限制及阻礙，這些瓶頸需要相關人員針對其特點進行解決，從而使動態無線充電技術可以得到良好的發展及高效的應用，進而為電動汽車綠色出行提供發展空間。

電動汽車；動態無線充電技術；現狀；發展

在現代社會中人們出行少不了代步工具的使用，而汽車的使用是造成溫室效應的主要因素之一，因此我國在發展的過程中不斷推廣綠色出行方式，電動汽車就是一種節能環保的交通工具。但是在實際中，受電車電池容量的影響，其充電問題成為電動汽車出行中最主要的一個問題，尤其是現今充電站設置較少且固定，充電基礎設施的限制嚴重地阻礙了電動汽車的普及與發展，成為了需要著重解決的難題之一。

1 電動汽車動態無線充電技術的特點及種類

1.1 無線充電技術在電動汽車充電中應用的特點

無線充電技術主要是利用無線電能傳輸技術來進行無接觸式充電，并且此種技術在應用中可以突破接觸式充電中需要面對的接口限制，并解決傳統充電模式中存在的安全問題，在應用中較傳統的充電方式更加成熟，這種非接觸的電能傳遞方式可以提高充電效率并簡化充電流程。

1.2 無線充電技術的分類

通常在無線充電的分類中會依據其形式分三個種類，為此以下對這三種無線充電技術進行了簡單的分析。

（1）電磁感應式充電。主要是利用送電線圈及接電圈來進行電能的交接變流，促使在線圈之間形成磁束的交替變換，從而保證線圈可以在電磁感應中完成感應電動勢及接收交變電流，從而保證無線充電的完成，目前電動汽車無線充電是一種具有較高開發意義的充電技術。

（2）磁共振充電技術。在應用磁共振上需要具有以下幾個部分，電源、輸出、接收及整流器等，根據其技術特點可以得知此種技術在實際應用中與電磁感應基本相同，也是在充電過程中將電源電流轉換為交變磁束進行傳輸接收，而與電磁感應式充電不同的是其在實際中為了達到共振頻率的可控性會采用可控電路及高頻驅動電源對其進行調整，同時采用兼備線圈及電容器來提高電力傳輸及接收的單元性能。

（3）微波充電。這種充電方式主要是應用電波發生裝置進行電力的輸送，此裝置的頻率為2.45GHz的微波頻率，與磁控管的原理大致相同，在微波傳送中，其應用的主要為交流電源，但是可以在傳輸的過程中應用整流電路來對電流進行轉換，使其轉換為直流電來進行充電，但是在此種無線充電技術的應用中需要注意屏蔽裝置的設置，以免在充電的過程中出現微波泄露的情況，可利用金屬屏蔽裝置來改善這一問題。

2 開發電動汽車動態無線充電技術的重要性

目前技術的發展特點及電動汽車電池的容量使電動汽車在應用中的電力消耗可能無法滿足出行需求，雖然原有的靜態無線充電技術可以有效地解決接觸式充電中存在的不足，但是在實際中，仍然有充電頻率多、續航效果較差及成本高等問題，這些因素的存在限制了無線充電技術的發展。尤其是在現今鼓勵綠色出行的趨勢下，一些電車為了保證出行效率必須要保證電車的續航能力，為此應用動態無線充電技術使電動汽車在行車過程中可以進行動態充電已經成為了無線充電技術在發展中的一項重要內容，也是其重要的發展方向，這樣才能改善人們的交通出行結構，保證動態無線充電技術可以更好地開發及推廣。

3 動態無線充電技術在發展中遇到的問題

3.1 無線充電裝置中耦合的問題

動態無線充電技術的應用對其原有的技術有了更高的要求，其中非常重要的一點就是在裝置的設置上應用雙極供電導軌進行耦合機構的設置，通常此種結構在實際中要優于單極性導軌，雙極導軌在實際的應用中功率要更高，并且在尺寸上可以適應軌道磁場水平，具有施工簡單、效率高、成本低等優點。但是，在實際的應用中還存在著一個不可忽略的問題就是此種技術存在耦合零點的問題，主要是由于在雙極導軌中其磁場分布并不具備規律性，這也導致了在電力傳輸的過程中各個部分磁場形成不均勻，其耦合問題致使電能在傳輸的過程中會出現功率轉換效率不高的問題，整個系統出現電能傳輸不穩定的情況，無法達到快速充電及高效充電的目的，需要對此進行優化設計。

3.2 動態無線充電技術電磁兼容效果不佳

電磁兼容作為動態無線充電技術中重要的環節，關系著無線充電系統在實際應用中的效率，電磁兼容問題影響著電能傳輸，并且在實際中其兼容效果不佳可能會造成電能系統整體受到干擾，出現電能傳輸不穩定的情況，同時電磁兼容問題也與人們的身體健康有著一定的關系。為此，在實際中必須要解決其存有的兼容問題才能使動態無線充電系統裝置高效、穩定地運行，保證在動態無線充電過程中具有較高的可靠性。目前對于其電磁兼容效果不佳的問題主要研究方向為如何通過有效的技術手段來使電磁兼容所產生的影響在最小的范圍內，進而保證系統整體的安全性及可靠性。

3.3 魯棒在動態無線充電系統中所存在的控制問題

上文提到了動態無線充電系統主要應用雙極性導軌，因此磁場、介質、耦合等問題都成為影響其控制的因素。能量傳輸處于快速非線性變化過程，如何提高系統穩定性，提升系統響應速度成為動態無線能量傳輸系統控制策略的研究目標。

4 電動汽車動態無線充電技術

4.1 磁耦合機構設計與優化

現有的動態無線供電導軌大致分為以下幾類：分立形式的連續單線圈結構、矩形長線圈型與雙磁極型。從2011年到2015年KAIST研究人員提出了具有更大傳輸距離、更窄寬度、更高效率的第四代Ⅰ型結構雙極型磁芯軌道及第五代S型結構雙極型供電導軌。雙磁極型供電導軌將磁通路徑從以往與車輛行進方向垂直改變為沿車輛行進方向，以其功率密度高、尺寸緊湊、施工難度小、對軌道兩側磁場暴露水平低、側移適應性強等特點，更適合應用于電動汽車動態無線供電。通過自解耦原理優化兩相線圈的尺寸、位置等參數消除交叉耦合，使兩相線圈可以在任意位置同時工作互不影響，實現高效能量接收。同時，以上述耦合機構為基礎，研究了相適應的魯棒控制技術和電磁兼容技術，可有效解決耦合系數零點問題，大幅度提高整體傳輸效率。

4.2 能量傳輸魯棒控制技術

在動態無線電能傳輸控制技術方面，主要分為原邊控制、副邊控制和雙邊控制三種方式。奧克蘭大學提出通過調節逆變器驅動信號占空比來控制原邊諧振電流的方式，簡化了系統的結構。原邊控制供電導軌恒流，產生恒定交變磁場，無需計算反映阻抗無法實現最大效率控制。

4.3 電磁兼容技術動態

無線電能傳輸利用高頻強磁場實現電能的無線傳輸，自身工作頻率較高，電磁環境復雜，因此電磁兼容設計是一項重要內容，具體包括磁屏蔽設計、頻率配置、接地設計、剩磁設計、軟件抗干擾設計等。利用鐵磁性材料可改善磁耦合線圈的自感和互感系數，在增強耦合性能的基礎上進一步優化磁場空間分布約束，磁路損耗較小，但屏蔽效果有限。金屬屏蔽廣泛應用于射頻場合中，可抑制高頻磁場電磁干擾。

5 在交通中可以應用的動態無線充電方式

5.1 行車過程中進行充電

其主要是將無線充電發送裝置鋪設在固定的路段上，電動汽車在此路段行駛的過程中可以通過充電系統的發送裝置進行電力的輸送，在短時間內快速的進行充電活動，使汽車在行駛的過程中也可以補充電能，體現出隨時進行充電的動態系統功能。

5.2 公交車停站時進行充電

此種方法主要是在公交站臺設置相應的無線充電系統，公交車在站臺停站的同時由充電系統進行電力傳送，使公交車可以及時地補充電能，此種方法可以使公交車不需要攜帶大型的電池，減小電池容量及體積的同時還可以節約充電時間，避免續航能力差等問題發生，進而降低公交車運行成本，此種方式也被歸為動態無線充電技術的一種。

5.3 利用智能電網進行無線充電控制

其主要是將電動汽車的無線充電也歸為智能電網控制管理所需要負責的部分，由智能電網對無線充電裝置進行控制。此種方法可以協調區域內的用電情況，在智能電網管控中通過對電動汽車行駛區域的電力使用情況及電力負荷情況來進行智能的充電及電力的控制，從而保證電網運行效果良好，電力使用情況在電網負荷的范圍內。

6 結語

以上從多角度對動態無線充電技術在實際發展中可能遇到的問題進行了分析，并對此做出了針對性的深入解讀，提出了可以在實際中采用的解決方案，使動態無線充電技術可以更好地發展。但是這些理論內容還需通過實踐來進一步的探索，不斷地在實踐中總結經驗，目前我國相關技術的研究還處于實驗階段，在動態無線充電技術投入使用上還需對其技術進一步的完善。對于動態無線充電在交通行業中的商業化、產業化、工程化，技術只是其中的一個部分，要想真正達到全面推廣使用的目標，還有較長的路需要走，在此過程中仍然需要探索及發現技術中存在的不足，使動態無線充電技術可以引領先進的技術理念。

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