電動汽車分段式動態無線供電系統研究

0 引言

動態無線供電方式是通過埋設在地下的線圈軌道為運動中的電動汽車不間斷的提供電能，從而實現動態無線充電。該技術的實現可以極大地減輕電池技術對電動汽車的制約，實現車輛在行駛中充電，保證車輛能源供給的不間斷，理想情況下可不需要電池的供能，從根本上解決行駛里程短及車輛充電時間較長的問題

。目前國內外關于動態無線電能傳輸的研究主要集中在耦合機構設計、電能變換裝置設計、補償網絡優化、系統建模理論研究等方面。奧克蘭大學自本世紀初開始一直致力于動態無線供電系統相關理論的研究，提出了導軌式單匝長線圈的無線電能傳輸模型。同時，其還與德國康穩公司共同合作研制出一種輸出功率為 30kW 的動態無線大巴供電系統

。

相較于國外，國內對無線電能傳輸的研究起步較晚。2015 年重慶大學在廣西南寧建成了長度為50m 的電動車不停車動態無線充電示范系統

。2018年重慶大學與東南大學合作在江蘇同里，建設了動態無線傳輸功率為 11kW 的示范系統，該系統實現動態無線充電、無人駕駛與路面光伏發電三者的可靠結合

。

最終將城市化系統分解為人口城市化、空間城市化、經濟城市化和社會城市化4個子系統，共有14項指標來表征湖南省城市化系統綜合情況。引入PSR模型將生態環境系統分成生態環境壓力、生態環境狀態、生態環境響應3個子系統；具體有廢污水排放量、人均水資源量等14項指標，見表1。

1 系統設計與建模

本文研究的對象為基于磁耦合諧振原理的分段式動態無線供電系統 (Dynamic Wireless Power Transfer，DWPT)。DWPT 的系統模型如圖 1所示，由圖 1可知，DWPT 系統總體上可分為無線發射裝置和無線接收裝置。無線發射裝置即電網電壓進行一系列初級電能變換，并通過發射導軌產生高頻磁場，進而傳遞電能。車載能量拾取線圈接收通過高頻磁場傳來的電能，再經過整流模塊及直流調壓等能量變換模塊處理后對車載電池和電機進行充電。而其發射和接收線圈通過各自的補償網絡和諧振網絡使其在相同頻率下發生諧振，從而使兩線圈共振傳輸能量。

1.1 動態無線充電小車與軌道的設計

充電小車主要由法拉電容模組、直流調壓模塊、電機驅動模塊、主控模塊、尋跡模塊、減速電機、能量接收裝置等部分組成，其系統結構如圖 2 所示。

無線供電軌道系統由能量發射裝置、線圈切換裝置、車輛位置檢測裝置、主控模塊等部分組成，其系統結構如圖 3所示。

由于不同類型的車輛有不同的功率需求，為了更有效地傳遞能量，對于小型車輛設置 1 個接收系統，大型車輛設置 2-3 個車載能量接收系統，因此無線供電系統的模型將不再是單一的一個發射系統對應一個接收系統的供電模式，還可能出現一個發射系統對應多個接收系統的供電模式，以及兩個發射系統對應多個接收系統的供電模式。本文擬建立一個發射線圈與一個接收線圈相耦合的一對一供電模型、以及類似的一對二供電模型等。

1.2 基于補償網絡的多種耦合供能模型的建模

得到耦合系數與歸一化功率和效率間的關系，如圖6 所示。

目前，補償網絡可根據系統的要求通過串并單個電容或串并電容電感組合而成。最基本的補償網絡通過單個電容實現，根據電容在系統中的不同位置可分為串-串(Series-Series，S-S)補償、串-并(Series-Parallel，S-P)補償、并-串(Parallel-Series，P-S)補償、并-并(Parallel- Parallel，P-P)補償，如圖 4所示。圖 4中的各種標號所表示的含義如表 1所示。

空間趨近化指ODC在物理空間上逐漸侵入IDC的識解過程，具體分為六種語法詞匯項目：名詞詞組被識解為IDC元素，名詞詞組被識解為ODC元素，移位動詞詞組和指向動詞詞組被識解為ODC向IDC移動的標記，行動動詞詞組被識解為ODC對IDC施加影響的標記，名詞詞組指示ODC對IDC影響的預期，以及名詞詞組指示ODC對IDC影響的結果（Cap 2013：105-109）。

(1

1)

=8

π

(1

2)

經化簡計算可得

文獻[5]根據基波等效法，在忽略整流逆變器的寄生電阻，即

=0的情況下，

和

可表示為式(1

1)(1

2)的形式。

1.2.2 耦合機構多種供能模型的建模研究

2) 在B、E兩點同時發生串擾時，CW與CCW的相位差為2lBEΔβ，與主波列的相位差均為lBEΔβ，顯然與主波不相干，產生強度型偏振誤差，引起的陀螺輸出誤差在10-7°/h左右.

對民事訴訟中法律監督的憂慮主要是其可能有損審判機關的獨立審判，至少是有損于“審判權在法制運作方面的優越地位。”［1］379這是質疑法律監督介入民事訴訟、甚至主張在民事訴訟中取消法律監督的最基礎的理由。在此理由之上衍生出的種種闡釋，不斷地放大著對民事訴訟中法律監督的憂慮。仿佛只要法律監督介入了民事訴訟，審判機關在民事訴訟中的獨立地位便蕩然無存。而審判獨立原則是法治的起點［1］460，在民事訴訟中引入法律監督將使法治“輸在起跑線上”，這無疑會導致令人驚恐的憂慮。

2 仿真

當系統為一對一供電模型基本模型的簡化電路模型如圖 5 所示。

法可依，有據可循。轉移支付立法也要跟上，進一步科學界定專項轉移支付和一般轉移支付的內涵，真正發揮專項轉移支付宏觀調控的作用，同時發揮一般性轉移支付彌補地方一般性公共支出的作用。推進轉移支付的立法能夠真正規范轉移支付制度，也能真正在財政資金轉移的過程中，將事權和支出責任下沉的渠道關閉。最后，還應及時探究并推進政府破產法，這是中央和地方財政關系重要的一環，地方財政發生重大危機，中央政府究竟怎么選擇？如何把中央不救助原則落到實處？只有破除地方政府對中央政府的依賴性，才能夠有效促進地方政府發債的合理性和規范性。■

當耦合機構不同時，耦合系數與負載電阻將會對系統性能產生影響。

圖中Iin 為耦合機構輸入電流，Ip 為發射線圈輸入電流，Is 為流過接收線圈電流，Io 為耦合機構的輸出電流。根據互感理論，可列寫出系統的電路方程式(2.1)：

(2

1)

(2

2)

文獻[6]給出了不考慮線圈寄生電阻時補償電容 Cp 情況下的計算公式，并得出在 SP 補償、PS 補償、PP 補償中 Cp 的確定與互感系數 M 和負載電阻

有關，在 DWPT 系統中互感系數會隨著車輛的運動而出現波動，這就要求在使用這三種補償網絡時補償電容 Cp 必須要實時的變動以滿足系統諧振的要求，這對系統的控制提出了更高的要求，增大了系統復雜性。而 SS 補償只與系統諧振頻率及發射線圈自感有關，在確定了系統參數后，Cp 的值即可被確定且在系統運行中不會發生變動，對簡化系統有一定的幫助。故本文選擇 S-S 補償作為諧振補償網絡。

(2

3)

2.1 系統特性與耦合系數的關系

1.2.1 基本補償網絡的設計

后記：在本講義編寫中，賀少鵬提交了第一節的文稿并提供同濟大學的“QSAR模型內部和外部驗證方法綜述”等3篇資料。筆者2017年已欣然為賀少鵬寫推薦信，現其正在此領域選題攻讀在職博士。

對于多種耦合機構的模型，利用相同的仿真原理，經對一對一、一對二等四種模型的仿真分析，得到當耦合系數k1(或耦合系數 k2)為 0 時，功率、效率與耦合系數間的關系同一對一模型中的曲線相似，當k1+k2 的和在 0.08 附近時可以保持系統的總功率維持在最大值，且系統效率在 40%-50%左右，但當k1+k2 的值偏離最優值時功率會發生較大波動，所以想要保持系統的穩定，可以通過維持 k1+k2 基本不變來實現。

2.2 系統特性與負載電阻的關系

對于負載電阻對系統傳輸特性的影響，同樣取系統參數。使用 Matlab 軟件繪制出系統功率和效率與負載電阻的變化關系如圖 7 所示。

同樣對一對二，二對一，二對二模型的仿真分析得到功率和效率都隨負載先增大后減小，且在功率最大值點附近負載變化對功率的影響較小。當耦合系數設置為 0.1 時，效率的最大值只有 80%左右，且效率最大時功率較小，負載變化會引起效率出現較大波動。與圖 7 所表現出的現象一樣，功率和效率無法同時達到最優，實際應用中只能選著某一指標進行最優化控制。

于是立刻我們就加倍的努力，正在吹笛子的把笛子吹得特別響，把笛膜振抖得似乎就要爆裂了似的滋滋地叫著。十歲的弟弟在吹口琴，他搖著頭，好像要把那口琴吞下去似的，至于他吹的是什么調子，已經是沒有人留意了。在大家忽然來了勇氣的時候，似乎只需要這種胡鬧。

3 實驗驗證

通過以上分析，研制出了動態無線供電系統，其整體實物如圖 8 所示。

在聯合測試下，測試效果如圖 9 所示。小車駛過壓力傳感器時，傳感器觸發0，軌道下埋設的發射線圈得電，接收線圈接收到傳輸來的電能，對小車進行充電。當車輛行進間觸發圖 9 中的第三個傳感器時，對應的傳感器觸發指示燈亮，同時無線接收模塊工作指示燈亮，表明車輛正在行進間充電工作。實驗結果表明小車可以正常尋跡，可以正常觸發傳感器實現發射裝置的切換，驗證了系統的切換策略的可行性有效性。

4 結論

動態無線充電系統的研究與推廣具有十分重要的意義，本文針對發射、接收線圈在不同耦合位置時耦合系數及負載電阻對系統功率和效率的影響以及發射裝置的切換問題，通過模型分析、實物驗證的方式，檢驗了系統的可靠性和可行性。

[1]Vilathgamuwa D M , Sampath J. Wireless Power Transfer (WPT) for Electric Vehicles (EVs)—Present and Future Trends[J]. Springer Singapore,2015:33-60.

[2]白嘯東. 電動汽車動態無線充電系統的設計與實現[D]. 天津工業大學, 2018.

[3]電動車無線充 / 供電系統 - 重慶大學 無線電能傳輸技術研究所 [EB/OL].http://www.wptchina.com.cn/ReadNews.asp?rid=1367.

[4]我所研發的電動車動態無線充電示范系統在蘇州亮相-重慶大學無線電能傳輸技術 研究所[EB/OL].http://www.wptchina.com.cn/ReadNews.asp?rid=1797.

[5]Steigerwald R L. A comparison of half-bridge resonant converter topologies[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1988, 3(2):P.174-182.

[6]Shevchenko V , Husev O , Strzelecki R , et al. Compensation Topologies in IPT Systems: Standards, Requirements, Classification, Analysis, Comparison and Application[J]. IEEE Access, 2019:559 - 580.