基于電氣化公路的移動無線供電技術

潘露揚 門曉飛 劉仲豪

移動無線供電技術，是指在公路上鋪設利用互感耦合原理的無線供電發射裝置，同時將接收線圈置于電動汽車底部，實現完全或高度依賴外部能源驅動行駛的新型運輸方式。移動無線供電技術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，并實現零排放。本文從互感耦合理論出發，建立電動方程及電路模型，模擬應用實際場景。

隨著人類社會的不斷發展，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，環境污染問題也同樣嚴峻。環境污染問題關系到國計民生，是阻礙經濟健康發展的攔路虎。交通運輸行業是能源消耗大戶，同時也是污染物排放大戶，可以說若想解決能源和環境兩大問題，對交通運輸行業的改造將不可回避。電動汽車作為節能環保的新興產品將成為未來汽車發展的必然趨勢，目前充電問題是制約電動汽車發展的關鍵技術難題。目前市場中普遍應用的是有線充電，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，還導致了電動汽車必須攜帶大質量的電池。無線供電技術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備，電動汽車在道路上行駛完全使用無線供電設備提供的外部能源。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，續航里程接近于無限，完全依靠電力運行，實現零排放。因為道路運輸和鐵路運輸有著本質的差別，所以電氣化公路區別于電氣化鐵路的關鍵技術就是移動無線供電技術。

一、國內外發展現狀

移動無線供電技術的不斷積累相關專利也不斷出現，對移動無線供電技術專利數量進行統計，就能展示出應用情況和未來研發方向。從歷年來國內外專利的申請數量和變化規律能夠有效的認識國內外技術發展狀況，把握技術環境變化規律就可以很好的了解技術的動態，了解技術的競爭優劣勢。在移動無線供電技術領域專利申請方面，國內要比國外落后近十年。這說明國內該領域研究開展較晚。從申請量方面來看，在2010年前后，國內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，并出現略微下滑的態勢。國內的研究起步時間雖然要比國外晚了十年，但近年來國內的研究勢頭已超越國外。從技術成熟度來看，國外的已經達到了很高的水平，他們更傾向于技術向實際應用的過度，已經不局限于通過大量的申請專利來扼制潛在對手。

我國極大的內部市場和巨大的發展潛力都需要更加完備的交通基礎設施建設來配合。進三十年來發達國家進入創新經濟，大量制造業進行外包，這就是我國成為世界工廠的歷史契機。現在以我國為中心的東亞制造業經濟中心已經形成，這對交通運輸行業又提出新的更高的需求。此消彼長，需求決定創新方式，未來電氣化公路的發展方向很可能由中國主導，現在積累技術人才，為未來做準備。

二、移動無線供電系統的建模

移動無線供電技術的理論基礎是互感耦合理論，利用這種方式可以在一米范圍內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無線供電發射裝置，同時將接收線圈置于汽車底部的要求。

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

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

互感耦合原理方程。根據系統狀態可得：

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

三、結語

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