?【職教畢業(yè)設(shè)計(jì)論文】電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)研究與應(yīng)用探討
摘要：能源危機(jī)和環(huán)境問題越來越受到人們的重視，電動(dòng)汽車以其節(jié)能、環(huán)保、低噪聲、零排放等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞，同時(shí)無線充電技術(shù)具有接觸式充電所不能比擬的優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)電動(dòng)汽車采用無線充電技術(shù)更加符合未來社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)。介紹了三種常用的無線充電技術(shù)，描述了國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的研究現(xiàn)狀。著重總結(jié)了感應(yīng)耦合式和磁耦合諧振式在電動(dòng)汽車無線充電應(yīng)用中存在的問題及相應(yīng)的解決方案。最后對(duì)WPT技術(shù)在電動(dòng)汽車無線充電中的發(fā)展方向進(jìn)行概述。
中文引用格式： 張?chǎng)?，賈二炬，范興明. 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)研究與應(yīng)用探討[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(1)：148-151，155.
英文引用格式： Zhang Xin，Jia Erju，F(xiàn)an Xingming. Discussion of research and application on wireless power transfer technology in electric vehicle wireless charge[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：148-151，155.
汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，在方便人類的同時(shí)也會(huì)對(duì)能源和環(huán)境帶來巨大的壓力。電動(dòng)汽車(Electric vehicle，EV)能有效地緩解能源危機(jī)，減少環(huán)境污染，以其高效、節(jié)能、低噪聲、零排放等優(yōu)點(diǎn)越來越受到各國(guó)政府和企業(yè)的重視，汽車的電氣化是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。另一方面，電動(dòng)汽車的充電方式分為有線充電和無線充電。有線充電在電能傳輸過程中易產(chǎn)生火花，影響用電設(shè)備的壽命和安全，同時(shí)維護(hù)困難、靈活性較差，在雨雪等惡劣環(huán)境下充電困難[1]。而無線充電具有更高的靈活性和穩(wěn)定性，能夠減少對(duì)電網(wǎng)沖擊的影響。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)供電，這恰恰解決了目前電動(dòng)汽車動(dòng)力電池容量有限而導(dǎo)致續(xù)航能力不足這一關(guān)鍵技術(shù)問題[2]。利用無線充電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人性化、智能化，同時(shí)還解決了接觸式充電在安全維護(hù)方面的問題[3]。因此，對(duì)電動(dòng)汽車采用無線充電技術(shù)更加符合未來社會(huì)的發(fā)展方向。
本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)進(jìn)行探討。首先介紹了三種常用的無線電能傳輸技術(shù)(Wireless Power Transfer，WPT)技術(shù)的傳輸機(jī)理。其次描述了三種技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并對(duì)存在的問題及相應(yīng)的解決措施進(jìn)行總結(jié)。最后概述了WPT在電動(dòng)汽車無線充電中的發(fā)展方向。
常見的WPT技術(shù)主要包括：感應(yīng)耦合式、微波輸能式以及耦合諧振式三類[4]。
感應(yīng)耦合能量傳輸(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)技術(shù)是利用松耦合變壓器，在變壓器一次側(cè)通入交變電流，通過電磁感應(yīng)原理在變壓器二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸[5]。
耦合諧振無線能量傳輸(Magenetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT)技術(shù)基于近場(chǎng)強(qiáng)耦合理論，同樣以電磁場(chǎng)為媒介，通過發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合諧振作用，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸[6]。由于該技術(shù)利用近場(chǎng)區(qū)的能量非輻射特性，使能量在具有相同諧振頻率的發(fā)射線圈與接收線圈之間來回傳遞，不同頻率的物體基本不受影響，導(dǎo)致該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效、相對(duì)ICPT技術(shù)較遠(yuǎn)距離的能量傳輸。
微波輸能(Microwave Power Transfer，MPT)技術(shù)是通過微波功率發(fā)生器將直流電能轉(zhuǎn)換成微波能量，并由發(fā)射天線聚焦后向整流天線高效發(fā)射，微波能量經(jīng)自由空間傳播到整流天線，并經(jīng)過整流天線的整流濾波電路轉(zhuǎn)換為直流功率后給負(fù)載供電。該技術(shù)將能量直接從發(fā)射端傳送到接收端，傳輸損耗只有大氣損耗、雨衰和遮擋物損耗等[7]。表1對(duì)三種技術(shù)的特性進(jìn)行概述。
WPT技術(shù)能否用于電動(dòng)汽車的三個(gè)主要因素是：大功率、高效率和遠(yuǎn)距離[8]。由表1可知：MCR-WPT的傳輸距離適中，對(duì)橫向偏移有更大的適應(yīng)度[9]，是目前最被看好的用于電動(dòng)汽車的無線充電的方式。ICPT雖然存在傳輸距離短，橫向偏移容差小的問題，但是由于該技術(shù)研究起步早，相對(duì)成熟，已經(jīng)成功運(yùn)用在了EV無線充電中。而MPT技術(shù)傳輸功率小，效率較低，在應(yīng)用于電動(dòng)汽車無線充電方面還需要進(jìn)一步研究。
電動(dòng)汽車無線充電原理如圖1所示。具體原理是：從電網(wǎng)輸出的電能經(jīng)過控制調(diào)理電路滿足系統(tǒng)的輸入電壓、輸入電流及工作頻率等的需要，而后經(jīng)過發(fā)射線圈，利用WPT技術(shù)，將能量傳遞到接收線圈，在控制調(diào)理電路的處理下，轉(zhuǎn)換成適合給電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電的電壓、電流，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的無線充電。
2.1 ICPT在EV無線充電中的應(yīng)用
新西蘭奧克蘭大學(xué)NAGENDRA G R等人最早將ICPT技術(shù)應(yīng)用于EV中，在傳輸距離為20 cm時(shí)實(shí)現(xiàn)了10 kW的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)，橫向偏移誤差可達(dá)到20 cm[10]。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院SHIN J等人利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了線上電動(dòng)汽車(Online Electric Vehicle，OLEV)的無線充電，傳輸距離為26 cm，輸出功率為100 kW，傳輸效率達(dá)到80%，第一代線上電動(dòng)汽車系統(tǒng)已經(jīng)被商業(yè)化應(yīng)用在首爾大公園[11]。東北電力大學(xué)劉闖等人搭建了一個(gè)5.5 kW的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)，效率可達(dá)到95.73%[12]。雖然該技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，但是仍有問題需要解決。
WPT應(yīng)用在電動(dòng)汽車上的前提條件是傳輸距離最小不能低于20 cm[13]，而ICPT技術(shù)存在的最大問題就是傳輸距離小，一般該技術(shù)的傳輸距離不大于15 cm[14]。為此，韓國(guó)明知大學(xué)LEE J Y等人提出了一個(gè)適用于電動(dòng)汽車的大間隙雙向無線能量傳輸充電器，通過利用PWM控制，保證系統(tǒng)可以在12～20 cm的距離下穩(wěn)定的工作[15]。新西蘭奧克蘭大學(xué)BUDHIA M等人采用將線圈直徑增大到700 mm，實(shí)現(xiàn)了20 cm的無線能量傳輸[16]。其次，該技術(shù)橫向偏移容差?。寒?dāng)發(fā)射線圈和中心線圈不能完全對(duì)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率會(huì)迅速下降。針對(duì)該問題，劉闖等人通過合理設(shè)計(jì)雙LCL補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，可將橫向偏移增加到12 cm[12]。韓國(guó)先進(jìn)科技學(xué)院CHOI S Y等人提出采用不對(duì)稱的線圈結(jié)構(gòu)將橫向位移增加到40 cm，可以滿足電動(dòng)汽車無線充電需求[17]。西班牙薩拉戈薩大學(xué)VILLA J L結(jié)合串聯(lián)拓?fù)浜筒⒙?lián)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，提出一種發(fā)射端串并補(bǔ)償，拾取端串聯(lián)補(bǔ)償?shù)耐匮a(bǔ)結(jié)構(gòu)，將錯(cuò)位容差的范圍增大25%[18]。
在磁芯線圈參數(shù)設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)傳輸性能和空間尺寸、系統(tǒng)成本等因素相互制約。所以如何實(shí)現(xiàn)大功率高效率及小型化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直是該技術(shù)研究的難點(diǎn)。西南交通大學(xué)馬林森等人綜合E型磁芯和U型磁芯的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新型磁芯結(jié)構(gòu)，能夠提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性[19]。美國(guó)橡樹林實(shí)驗(yàn)室，日本埼玉大學(xué)分別采用方形圓角線圈結(jié)構(gòu)，H型磁芯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)別的無線能量傳輸[20-21]。
2.2 MCR-WPT在EV無線充電中的應(yīng)用
MCR-WPT技術(shù)一經(jīng)問世，就受到各國(guó)研究人員的廣泛關(guān)注。美國(guó)威斯康辛大學(xué)Sesung-Hwan Lee等人在工作頻率為3.7 MHz，傳輸距離為30 cm的條件下，實(shí)現(xiàn)了3 kW的無線能量傳輸，效率達(dá)到了95%[22]。馬來西亞多媒體大學(xué)UDDIN M K等人在工作頻率大于400 kHz，傳輸距離為20～30 cm的條件下，實(shí)現(xiàn)了大于3 kW的能量傳輸[23]。中國(guó)科學(xué)院電工研究所廖成林等人基于該技術(shù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)3.3 kW的無線能量傳輸，傳輸距離為超過22 cm，與底盤高度相當(dāng)[24]。東南大學(xué)黃學(xué)良教授課題組設(shè)計(jì)了約為3.5 kW的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)，傳輸距離約為25 cm[25]。
MCR-WPT雖然優(yōu)點(diǎn)很突出，但缺點(diǎn)也很明顯。在頻率方面主要存在著失諧[26]和頻率分裂[27]兩個(gè)問題。華南理工大學(xué)傅文珍等人指出受到電磁場(chǎng)環(huán)境、溫度的影響，以及工作過程中系統(tǒng)的傳輸距離和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，發(fā)射端的等效電感會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而造成失諧[26]。為此，文中提出了采用鎖相環(huán)PLL控制方法。通過檢測(cè)系統(tǒng)輸入端電壓和電流，比較兩者間的相位進(jìn)而產(chǎn)生誤差電壓，由該誤差電壓控制調(diào)節(jié)壓控振蕩器，使其輸出新的工作頻率來使系統(tǒng)重新達(dá)到諧振狀態(tài)。韓國(guó)三星高級(jí)技術(shù)研究所KIM N Y等人提出采用擾動(dòng)分析法，選擇初始的工作頻率，然后以一定的步長(zhǎng)迭代，搜尋能夠滿足一定傳輸效率的工作頻率，然后將搜索到的頻率設(shè)為系統(tǒng)新的工作頻率[28]。針對(duì)頻率分裂問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)呂玥瓏等人通過合理設(shè)計(jì)參數(shù)不同的線圈，能夠使系統(tǒng)無法滿足頻率分裂的條件，從而有效地解決頻率分裂問題[29]。日本東京大學(xué)BEH T C等人提出采用自動(dòng)阻抗匹配方法，利用Γ型匹配電路，選用繼電器結(jié)合二進(jìn)制電容的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制方法，將分裂的偶模式下的工作頻率調(diào)整到ISM頻段的13.56 MHz，提高系統(tǒng)在該頻率下的傳輸性能[30]。
MCR-WPT的兩線圈間傳輸效率高，但是受到驅(qū)動(dòng)源損耗、開關(guān)損耗、渦流損耗、工作負(fù)載、阻抗匹配程度等多方面的影響，導(dǎo)致其整體效率并不高。中國(guó)科學(xué)院電工研究所陳德清等人通過研究系統(tǒng)的損耗模型，得出了當(dāng)磁體結(jié)構(gòu)成發(fā)射狀時(shí)系統(tǒng)的總損耗最小[31]。上海交通大學(xué)傅旻帆等人指出采用DC-DC變換，跟蹤靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下最優(yōu)負(fù)載值，進(jìn)而提高系統(tǒng)的輸出功率或傳輸效率[32]。另外韓國(guó)電氣研究院Kim Jung-Ho等人指出采用多線圈結(jié)構(gòu)，能夠提高系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度，進(jìn)而提高傳輸效率[33]。
由于ICPT和MCR-WPT均是以電磁場(chǎng)為媒介，因此涉及到電磁安全問題。必須采取相應(yīng)的措施來減弱或消除這些危害。東南大學(xué)陳琛等人指出在引入汽車金屬底盤后，能夠?qū)Υ艌?chǎng)產(chǎn)生屏蔽作用，可很好地對(duì)人體進(jìn)行保護(hù)[25]。韓國(guó)先進(jìn)科技學(xué)院KIM S通過引入一個(gè)串聯(lián)連接了補(bǔ)償電容的諧振線圈來實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)屏蔽[34]。中國(guó)科學(xué)院電工研究所朱慶偉等人提出在發(fā)射裝置外沿加裝水平屏蔽帶的屏蔽方式，實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性[35]。
2.3 MPT在EV無線充電中的應(yīng)用
MPT有很強(qiáng)的穿透效率，但是要求能量定向精確，能量利用效率低，且易受氣候條件影響。MPT多用于太陽能衛(wèi)星、臨近空間飛行器等遠(yuǎn)距離輸能，目前在低功率應(yīng)用領(lǐng)域得到關(guān)注。為了將該技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車無線充電中，人們進(jìn)行了以下探索：
三菱重工開發(fā)了基于微波 WPT 的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，系統(tǒng)能量變換效率僅有38%。從2003年到2008年，日本京都大學(xué)與尼桑汽車公司合作，在工作頻率為2.45 GHz的條件下，開發(fā)了基于MPT技術(shù)的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)，傳輸距離約為10 cm[36]。該校的OIDA A等人設(shè)計(jì)了越野車輛模型并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)的傳輸效率不到1%。為了改善性能，由原來的喇叭型天線改為拋物線型，效率雖然提高到了5%，但還是不能滿足實(shí)際工作需求[37]。由此可見，該技術(shù)在現(xiàn)階段存在的主要問題是傳輸效率太低。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車無線充電的商業(yè)化，需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步研究：
(1)智能取電，能量加密。當(dāng)多輛電動(dòng)汽車同時(shí)進(jìn)行無線充電時(shí)，需要將能量加密，對(duì)負(fù)載識(shí)別，考慮該給哪輛汽車充電，充多少電量的問題。只有經(jīng)過識(shí)別認(rèn)證的車輛，才能允許充電。
(2)有序充電。在無序充電的情況下，大量電動(dòng)汽車的充電會(huì)加劇電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，使電網(wǎng)能量損耗和經(jīng)濟(jì)效益惡化，因此，采取合理的有序充電控制策略能有效地提高電網(wǎng)對(duì)大規(guī)模充電負(fù)荷的容納能力。
(3)智能導(dǎo)航系統(tǒng)。研發(fā)智能導(dǎo)航系統(tǒng)，引導(dǎo)電動(dòng)汽車停泊或行駛在與發(fā)射裝置對(duì)準(zhǔn)性較高的位置，既能經(jīng)濟(jì)有效地利用電能，又能降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和要求。
(4)新材料的應(yīng)用。通過新材料的應(yīng)用，減小系統(tǒng)的損耗，提高系統(tǒng)的輸出功率、傳輸效率，以及增大傳輸距離、降低錯(cuò)位容差和方向性的要求，增強(qiáng)系統(tǒng)的適用度。
對(duì)電動(dòng)汽車采用無線充電更加符合未來社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)。本文主要介紹了三種WPT技術(shù)的工作原理及其在電動(dòng)汽車無線充電中的應(yīng)用并對(duì)在應(yīng)用中存在的問題以及解決方法進(jìn)行總結(jié)。希望通過本文的總結(jié)分析能為WPT技術(shù)在電動(dòng)汽車無線充電中的研究與應(yīng)用提供有益的參考。
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文獻(xiàn)28-37略
作者信息
張 鑫，賈二炬，范興明
桂林電子科技大學(xué) 電氣工程及其自動(dòng)化系，廣西 桂林541004
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