電動(dòng)汽車(chē)移動(dòng)負(fù)載動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)

耿直

（河南師范大學(xué) 國(guó)際教育學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007）

近年來(lái)，無(wú)線電能量傳輸技術(shù)的發(fā)展十分迅速，其基本原理主要是利用交變電流經(jīng)過(guò)發(fā)射線圈形成磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)又通過(guò)接受或輸入線圈，使磁能轉(zhuǎn)化為電能，并以此實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳遞。按照無(wú)線電能量的使用狀況，主要可分成靜止無(wú)線充電系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)。靜止無(wú)線充電傳輸是將待充裝置與充電電源保持在相對(duì)靜止的狀態(tài)下進(jìn)行。該方式通常要求選擇正確的發(fā)送線圈和接受線圈，比如手機(jī)無(wú)線充電、計(jì)算機(jī)無(wú)線充電等，而該方式通常只適合于當(dāng)車(chē)輛在某一固定地點(diǎn)停車(chē)時(shí)進(jìn)行的充電作業(yè)。動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸是指待充電設(shè)備與充電電源處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)時(shí)進(jìn)行充電。以電動(dòng)汽車(chē)為例，該方法使其可以在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸，可以顯著地提高電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程，避免了駕駛員相關(guān)焦慮，使充電更加安全、便捷。

本文對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，并根據(jù)實(shí)際使用情況對(duì)傳統(tǒng)插拔式充電系統(tǒng)與該動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究狀況歸納了動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸技術(shù)所面對(duì)的挑戰(zhàn)。

1 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)模型

1.1 靜態(tài)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)模型

無(wú)線電能傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)主要由直流電源、高頻逆變器、耦合機(jī)構(gòu)（包含補(bǔ)償拓?fù)洌⒅绷髡髌?、?fù)載等五個(gè)部分組成。直流電源將直流電輸入高頻逆變器，高頻逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交變電經(jīng)過(guò)補(bǔ)償拓?fù)漭斎腭詈蠙C(jī)構(gòu)，整流器在接收端會(huì)將接收到的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，從而將電能傳遞給負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了電能的傳輸。

圖1 無(wú)線電能傳輸結(jié)構(gòu)圖

1.2 動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)模型

動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)是在靜態(tài)無(wú)線電能的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，即指電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中以空氣作為介質(zhì)，發(fā)射線圈固定在形式道路上，接收側(cè)線圈安裝在電動(dòng)汽車(chē)上，從而進(jìn)行電能的傳輸，提高電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程，減小電動(dòng)汽車(chē)的電池尺寸，給予駕駛者更大的操作空間。

動(dòng)態(tài)電能傳輸模型如圖2所示。紅色線圈為發(fā)射線圈，綠色線圈在電動(dòng)汽車(chē)上為接收線圈。系統(tǒng)的位置關(guān)系可分為長(zhǎng)導(dǎo)軌式、線圈陣列式和分段導(dǎo)軌式。其中分段導(dǎo)軌式建造周期長(zhǎng)成本高，相對(duì)而言，線圈陣列式建造周期短成本低，但其某一處遭到破壞后就會(huì)使整個(gè)的工作處于斷路，穩(wěn)定性差。本文將采用線圈陣列式進(jìn)行分析，陣列式線圈位置框圖如圖3所示。

圖2 動(dòng)態(tài)電能傳輸模型

圖3 陣列式線圈位置框圖

如圖4所示為動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)原理圖，綠色線圈為安裝在電動(dòng)汽車(chē)上的接收線圈，其余示意線圈則為鋪設(shè)在路面上的發(fā)射端線圈。電動(dòng)汽車(chē)按照箭頭所指方向進(jìn)行移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中，利用傳感器測(cè)得電動(dòng)汽車(chē)所在的位置，并由控制單元的繼電器開(kāi)關(guān)控制發(fā)射端線圈的電能通斷。因此，只有當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)與發(fā)射機(jī)線圈對(duì)齊時(shí)，并且當(dāng)接收線圈改變其位置時(shí)，電能才能被傳輸。

圖4 動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)的模型。在模型中，共設(shè)計(jì)了8個(gè)傳輸線圈（固定在道路上）和一個(gè)接收器線圈（安裝在車(chē)輛上）。在紅外傳感器和繼電器的幫助下，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)的接收線圈與發(fā)射機(jī)線圈對(duì)齊時(shí)，線圈被打開(kāi)。線圈尺寸為60毫米（外徑），發(fā)射線圈20圈，接收線圈30圈。電氣系統(tǒng)電池調(diào)諧頻率為24kHz。車(chē)輛無(wú)線傳輸電路圖如圖5所示，控制單元與單片機(jī)控制原理圖如圖6所示。

圖5 車(chē)輛無(wú)線傳輸電路圖

圖6 控制單元與單片機(jī)控制原理圖

進(jìn)一步的工作是研究?jī)蓚€(gè)線圈墊之間氣隙的影響，以及如何提高最低可能頻率范圍內(nèi)被傳輸功率的水平。工作參數(shù)如表1所示。

表1 工作參數(shù)

紅外傳感器用于感知和檢測(cè)電動(dòng)汽車(chē)在道路上的位置。繼電器通過(guò)一個(gè)編程平臺(tái)連接，該平臺(tái)與傳感器輸出一起工作，允許繼電器進(jìn)行切換，處理繼電器是否應(yīng)該允許電力傳輸。因此，只有當(dāng)一次線圈與固定在電氣化道路上的二次線圈對(duì)齊時(shí)，電能才會(huì)傳輸。此外，繼電器連接到線圈，并且無(wú)線傳輸是我們前面已經(jīng)討論過(guò)的。

3 電磁兼容技術(shù)

動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)是利用高頻率的強(qiáng)電磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行電能的無(wú)線傳輸，由于動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)的工作頻率比較高，且電磁工作環(huán)境比較復(fù)雜，所以，在研究電動(dòng)汽車(chē)移動(dòng)負(fù)載動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)的過(guò)程中，電磁的兼容技術(shù)也是最重要的研究技術(shù)之一。電磁兼容技術(shù)主要包括電磁屏蔽設(shè)計(jì)、頻率配置、接地設(shè)計(jì)、剩磁設(shè)計(jì)、軟件抗干擾設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線電能傳遞系統(tǒng)和電磁干擾控制設(shè)備，大致包括了被動(dòng)屏蔽和主動(dòng)屏蔽這兩類(lèi)。對(duì)于被動(dòng)屏蔽來(lái)說(shuō)，主要是用更多鐵磁性的金屬板材把磁通道建立為一條能夠使用的路徑，又或者是用較小磁導(dǎo)率金屬半導(dǎo)體材料形成一種和漏磁傾向完全相反的磁性。而因?yàn)槭褂昧烁哞F磁性的金屬板材，就可以改善鐵磁耦合線圈的自感與互感系數(shù)，所以這樣可在提高相互耦合特性的同時(shí)，也優(yōu)化對(duì)電磁場(chǎng)技術(shù)中的能量分配和約束，因?yàn)檫@樣也會(huì)有助于減少對(duì)磁路的能量損失。但是，金屬被動(dòng)屏蔽效能始終是很有限的，而金屬屏蔽設(shè)備也被廣泛應(yīng)用于射頻場(chǎng)合中，可以更有效地對(duì)磁場(chǎng)的電磁加以控制和干擾。KAIST和橡樹(shù)嶺國(guó)際實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)人員在對(duì)金屬導(dǎo)線材料的電磁屏蔽技術(shù)進(jìn)行研發(fā)過(guò)程中，會(huì)利用較低磁導(dǎo)率的金屬導(dǎo)線材料對(duì)電磁系統(tǒng)加以干擾，盡管這種方式的確具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是不能同時(shí)對(duì)發(fā)射線圈和接受線圈進(jìn)行屏蔽，而且在地面上的金屬導(dǎo)線材料由于長(zhǎng)時(shí)間暴露在磨損狀態(tài)下而會(huì)形成渦流損耗，也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)特性受到負(fù)面影響。2015年，KAIST研發(fā)人員研究出了一個(gè)全新的被動(dòng)屏蔽方案，形成了一個(gè)全新的被動(dòng)屏蔽架構(gòu)，這對(duì)減少電磁影響起到了一定功效，系統(tǒng)的電磁屏蔽框圖如圖7所示。

圖7 電磁屏蔽框圖

關(guān)于主動(dòng)式屏蔽，主要是在耦合機(jī)構(gòu)周?chē)O(shè)置一個(gè)能夠主動(dòng)屏蔽的金屬線圈，并以此來(lái)產(chǎn)生對(duì)抗電磁效應(yīng)。與傳統(tǒng)金屬屏蔽相比，這些主動(dòng)式屏蔽方案都會(huì)比較節(jié)約其所占據(jù)的空間，并以此來(lái)增強(qiáng)了金屬主動(dòng)式屏蔽的效果。而在這個(gè)研究的基礎(chǔ)上，將主動(dòng)屏蔽的雙線圈置于耦合機(jī)構(gòu)的同一側(cè)，從而利用漏磁所產(chǎn)生感應(yīng)的電流產(chǎn)生抵消的效應(yīng)，以此達(dá)到了電磁屏蔽的功效。但是，由于在進(jìn)行研究的過(guò)程中，會(huì)受到一些限制因素的影響，因此使得其形成與原磁場(chǎng)方向相反而且幅度相等的抵消磁場(chǎng)是相當(dāng)困難的，同時(shí)將屏蔽的線圈進(jìn)行引入時(shí)，也會(huì)使系統(tǒng)整體的效能變低，這也就形成了主動(dòng)屏蔽的短板。表2總結(jié)了上述屏蔽方式及其優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 屏蔽方式及其優(yōu)缺點(diǎn)

4 結(jié)論

本文從多個(gè)角度對(duì)電動(dòng)汽車(chē)移動(dòng)負(fù)載動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中所遇到的一系列問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的研究和分析，針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)解答，并給出了很多解決方案。目前，我國(guó)對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)的研究還處在初步試驗(yàn)的階段，而想要讓其技術(shù)進(jìn)行大量的使用還需要做進(jìn)一步的研究。因此，要想真正將電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)全面推廣，還要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入的研究，并在實(shí)踐中不斷探索和完善，以此讓電動(dòng)汽車(chē)移動(dòng)負(fù)載動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)變得更完善，以推動(dòng)該技術(shù)盡快投入使用。