電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)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(jiǎn)要介紹了動(dòng)態(tài)無(wú)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(guó)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(lái)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(chǎng)，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(chǎng)青睞的電池技術(shù)。無(wú)線電能傳輸技術(shù)采用無(wú)線式電能傳輸設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝及維護(hù)簡(jiǎn)便，而且安全性較高，因此無(wú)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(wú)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(lái)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(guó)Lawrence Berkeley實(shí)驗(yàn)室，后續(xù)經(jīng)過(guò)新西蘭、德國(guó)、韓國(guó)、英國(guó)、意大利等多個(gè)國(guó)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(guó)密歇根大學(xué)后來(lái)設(shè)計(jì)并制作了基于一次側(cè)多LCC諧振并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的試驗(yàn)樣機(jī)。國(guó)內(nèi)要數(shù)重慶大學(xué)最先開(kāi)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(wú)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(lái)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(wú)線電能傳輸技術(shù)

動(dòng)態(tài)在線供電技術(shù)以韓國(guó)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(wú)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(wèn)題。

1.2 動(dòng)態(tài)電動(dòng)汽車無(wú)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(wèn)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(wèn)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(chǎng)作為無(wú)線電能傳輸沒(méi)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(wèn)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(chǎng)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(jiǎn)WPT裝置，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)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(guò)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(zhǎng)距離鋪設(shè)問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。與此類似美國(guó)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(wú)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(wèn)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(chǎng)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(chǎng)上對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)線供電設(shè)備的需求仍然表現(xiàn)在長(zhǎng)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(wú)線電能傳輸技術(shù)研究進(jìn)展，介紹了國(guó)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(wú)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(yáng)能衛(wèi)星電站、無(wú)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(jiǎn)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)。