基于風光互補電動汽車動態無線充電系統的研究

張振麗

（蘭州博文科技學院電信工程學院，甘肅 蘭州 730101）

近年來，我國在新能源與新型電網方面發展迅猛 ，但還是存在較多的問題。同時，新能源電動汽車的推廣使用有效地踐行了所提倡的低碳綠色出行理念。《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》中明確了2025年電動汽車至少占比20%的目標，作為新型負載的電動汽車正大規模迅速發展，在向大電網提出挑戰的同時，也給新能源發電的消納帶來新的機遇。

自然能源（太陽能、風能）資源豐富，且能源利用具有結構簡單、運維便捷以及集成度高的優勢，可為交通用電提供清潔的電量供給。并且清潔電能的轉換可以借助站、線路等可用空間進行能源化開發，形成以清潔能源為主的陸基供能系統。能源與交通的融合可以在人類社會經濟新模式和新文明的發展過程中發揮不可替代的作用。

1 風光互補發電系統的工作原理

由于環境因素的變化（例如有光照有風、有光照無風、有風無光照以及無光無風等因素），單純風力發電和光伏發電環境的不確定性將造成系統發電與用電負荷的嚴重不平衡，因此需要對其發電系統采取相應的措施與控制才能投入使用。將風力發電與光伏發電相結合并因地制宜，利用兩者在各方面所具有的互補性建立風光互補發電系統。該系統將會在很大程度上擴大新能源的應用范圍，在未來新能源發電的發展與應用中將占據重要地位。

根據環境因素的變化，將風光互補發電系統的工作模式分為以下4種：1） 有光照有風。此時光伏電池板與風力發電機同時工作，將光能和機械能轉換為電能，向負載提供能量，多余的電能儲存在蓄電池及超級電容器中。2） 有光照無風。此時風力發電機不工作，只有光伏電池板工作，光伏電池板將光能轉換為電能，向負載提供能量，多余的電能儲存在蓄電池及超級電容器中。3） 有風無光照。此時光伏電池板不工作，只有風力發電機工作，風葉轉動將機械能轉換為電能，向負載提供能量，多余的電能儲存在蓄電池及超級電容器中。4） 無光無風。此時光伏電池板與風力發電機都不工作，該模式為電池放電模式，即釋放蓄電池及超級電容器中儲存的電能，向負載提供能量。

2 風光互補電動汽車動態無線充電系統

在“雙碳”背景下，加快構建以新能源為主題的新型電力系統并踐行低碳綠色出行理念，在該背景下風光互補發電系統和新能源汽車再度成為熱點話題。采用傳統的發電系統對電動汽車進行無線充電時，需要進行遠距離傳輸，造成電網穩定能力下降和電能損耗增加的問題，當沒有車輛通過時，會造成電能浪費的現象，而且傳統電網發出的電能為工頻交流電，要為電動汽車充電，就需要先整流，將交流電變為直流電，再轉換高頻逆變電路。相比傳統發電系統，風光互補發電系統所發出的電為直流電，省去了整流環節，系統設備較少，維護檢修容易，而且可以提高電能的就地消納能力，有利于構建清潔低碳安全高效的能源體系。因此，該文提出將風光互補與電動汽車動態無線充電結合在一起，以實現清潔發電與綠色用電的目標。

電動汽車無線充電系統不存在裸露的電線和接頭，能夠實現電網與電動汽車的非電氣接觸電能傳輸，逐漸成為研究的重要方向，無線充電分為靜態無線充電和動態無線充電。

靜態無線充電是指在汽車停入集中充電區域后所采取的充電方式，主要適用于停車場、居民小區以及商場等，其存在充電較頻繁、續航里程短、電池用量大、需要完善的充電設施以及成本高等缺點。電動汽車動態無線充電是指在汽車運行過程中所采取的充電方式，其原理為利用鋪設在地面以下的供電導軌以高頻85 kHz的交變磁場的形式將電能傳輸給在地面一定區域內運行的車輛上（接收端）的電能接收設備，進而給汽車電池充電。動態無線充電能夠增加電池續航里程，并延長電池的使用壽命，從而提升用戶體驗度。

3 系統結構

基于風光互補電動汽車動態無線充電系統結構如圖1所示，系統由風光互補發電、混合儲能、直流母線及電動汽車動態無線充電系統4個部分組成。圖1中，風光互補發電系統、混合儲能以及電動汽車動態無線充電系統都與直流母線相連。風力發電與光伏發電將產生的風能和光能都轉換為電能，并匯集到直流母線上，多余的電能儲存在蓄電池及超級電容器中，直流母線再通過由LC濾波器構成的濾波電路、雙向DC-DC功率變換電路、全橋逆變電路、耦合變壓器以及SS諧振補償電路為電池充電。系統中的混合儲能部分由蓄電池、超級電容器和DC-DC功率變換電路組成。由于風光互補發電系統受外界影響較大，雖然采用MPPT（最大功率點跟蹤）控制方式可以降低其輸出功率波動，但是不能完全消除，因此在系統中加入混合儲能，其目的在于平抑風光互補發電系統的功率波動，保證系統輸出穩定、高效的電能，對電動汽車來說，穩定的充電功率可以最大限度地保護電池，延長其壽命，對電動汽車的推廣使用具有現實意義。

圖1 風光互補電動汽車動態無線充電系統結構圖

4 電路拓撲

根據風光互補電動汽車動態無線充電系統結構圖設計其電路拓撲圖，如圖2所示。系統的直流輸入電壓為，首先，通過4個功率MOSFET管所構成的全橋逆變電路將工頻直流電轉變為頻率為85 kHz的高頻交流電，再通過耦合變壓器T的原邊與副邊的線圈耦合，利用電磁感應原理，將高頻交流電傳送到副邊，在耦合變壓器T的原邊和副邊分別設置串聯電容補償電路，使兩邊系統達到諧振狀態，副邊的電能經過4個二極管所構成的全橋整流電路將高頻交流電轉變為直流電，再經過電容進行濾波，最終向負載提供穩定的電能。

5 仿真分析

根據圖2在MATLAB/Sinulink平臺中搭建其仿真模型,如圖3所示，該仿真模型可以實現傳輸電能的目標。在該模型的基礎上，設置系統仿真參數并進行仿真分析就可以得到原邊與副邊電壓、電流波形。設置的系統仿真參數見表1。

表1 系統仿真參數

圖2 風光互補電動汽車動態無線充電系統電路拓撲圖

圖3 風光互補電動汽車動態無線充電系統仿真模型

將仿真參數導入其仿真模型中，可以得到原邊與副邊電壓、電流波形，如圖4所示。

圖4 原邊與副邊電壓、電流波形

根據仿真分析可以得出，當輸入電壓為380 V、負載電阻為30 Ω時，其副邊電壓大約為370 V，原邊電流為14 A，副邊電流大約為13 A，其原邊電壓與電流的相位相同，副邊電壓與電流的相位相差90°，副邊感應的高頻交流電通過整流二極管轉變為直流電，向電動汽車提供穩定的電能，且效率能夠穩定在90%以上。

6 結論

該文使風光互補與電動汽車動態無線充電系統相結合，以實現其清潔發電與綠色用電的目標。對風光互補發電系統的工作原理進行分析，設計風光互補電動汽車動態無線充電系統電路圖，在MATLAB/Simulink平臺中搭建風光互補電動汽車動態無線充電系統的仿真模型，并對其進行仿真分析。仿真結果表明，通過合理設置系統參數可以使其效率穩定在90%以上，既能為電動汽車和常規負荷提供高質量的電能，又能充分利用光伏、風電可再生能源。對風光互補與電動汽車動態無線充電系統進行研究分析，為今后更深入地研究該系統提供了相關的理論基礎。