电动汽车动态无线充电关键技术研究进展_朱春波

橡 树 岭 国 家 实 验 室、韩 国 高 等 科 学 技 术 学 院 （ＫＡＩＳＴ）等国 外 研 究 团 队 已 经 对 电 动 汽 车 动 态 无 线供电相关的技术难点以及关键问题展开了一系列 研究，主要 集 中 在 系 统 建 模 方 法、电 能 变 换 拓 扑 结 构 、电 磁 耦 合 机 构 优 化 设 计 和 电 磁 屏 蔽 技 术 等 方 面 。 新西兰奥克兰大学与德国康稳公司合作研制出世界 上 第 一 台 无 线 充 电 大 巴 ，功 率 为３０ｋＷ，同 时 也 研 制 出１００ｋＷ 无线 供 电 列 车 样 机，列 车 轨 道 长４００ ｍ， 如附录 Ａ 图 Ａ１所示，车上未安装电池组 。 ［１］
摘 要 ：电 动 汽 车 动 态 无 线 充 电 技 术 在 静 态 无 线 充 电 技 术 逐 渐 趋 于 成 熟 的 情 况 下 渐 渐 成 为 静 态 无 线 充电技术的重要补充及未来发展方向。文中对国内外学者及研究机构对动态无线充电技术的研究 进展做了详细综述，对其未来发 展 面 临 的 关 键 技 术 问 题 及 瓶 颈 进 行 了 详 细 分 析 ，主 要 包 括 耦 合 机 构 、控 制 策 略 、电 磁 兼 容 等 方 面 ，并 介 绍 了 针 对 动 态 无 线 充 电 技 术 瓶 颈 问 题 的 前 期 研 究 工 作 。
东南大学对动态无线能量传输的原副边线圈尺 寸对传输效率以及 侧 移 的 影 响 进 行 深 入 研 究，并 提 出基于频 率 控 制 的 方 法 达 到 系 统 能 量 传 输 效 率 最 优 。 ［１０－１１］ 天津工业 大 学 基 于 耦 合 模 理 论 基 础 ，分 析 了运动状态下的高速列车无线供电系统发射线圈与 接收线圈固有谐振频率的变化对系统传输效率的影 响，提出了一种可调 节 发 射 端 功 率 因 数 的 频 率 跟 踪 控制技术［１２］，并 于 ２０１３ 年 提 出 将 动 态 无 线 能 量 传 输技术应用于高速 铁 路 列 车 充 电 的 设 想，建 立 了 高 铁充电沙盘模型，受 到 广 泛 关 注。 重 庆 大 学 提 出 了 参数识别理论，以改 善 原 边 控 制 时 副 边 参 数 难 以 调
然 而 ，随 着 研 究 的 深 入 ，许 多 关 键 问 题 与 瓶 颈 需 要解决，这些问题的 解 决 对 于 动 态 无 线 供 电 技 术 的 发展具有指导性作用。本文首先对国内外学者对动
收 稿 日 期 ：２０１６－０９－１９；修 回 日 期 ：２０１６－１１－０３。 上 网 日 期 ：２０１６－１１－２８。 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５１６７７０３２）。
电动 汽 车 动 态 无 线 充 电 技 术 基 本 原 理：通 过 埋 于地面下的供电导轨以高频交变磁场的形式将电能 传输给运行在地面上一定范围内的车辆接收端电能 拾 取 机 构 ，进 而 给 车 载 储 能 设 备 供 电 ，可 使 电 动 汽 车 搭 载 少 量 电 池 组 ，延 长 其 续 航 里 程 ，同 时 电 能 补 给 变 得更加安全、便 捷。 动 态 无 线 供 电 技 术 的 主 要 参 数 指标有电能传输 距 离、功 率、效 率、耦 合 机 构 侧 移 适 应 能 力 、电 磁 兼 容 性 等 。 因 而 ，开 发 大 功 率 、高 效 率 、 强 侧 移 适 应 能 力 、低 电 磁 辐 射 、成 本 适 中 的 动 态 无 线 供电系统，成为国内 外 各 大 研 究 机 构 当 前 的 主 要 研 究热点。
在轨 道 列 车 的 无 线 供 电 技 术 方 面，韩 国 铁 道 研 究院（ＫＲＲＩ）对整个 轨 道 列 车 无 线 供 电 系 统 进 行 了 设计研究，并做出了功率１ ＭＷ、轨道长１２８ｍ 的实 验装置，如附录 Ａ 图 Ａ５ 所 示。 耦 合 机 构 采 用 发 射 端长直导轨，通 过 两 个 小 Ｕ 型 磁 芯 增 强 耦 合 性 能， 由于轨道较长，电 感 较 大，为 减 小 电 容 电 压 应 力，将 电容分散在发射线圈中 。 ［６－８］
第 ４１ 卷 第 ２ 期 ２０１７ 年 １ 月 ２５ 日 ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１６０９１９０１３
Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．２Ｊａｎ．２５，２０１７
电动汽车动态无线充电关键技术研究进展
朱 春 波 ，姜 金 海 ，宋 凯 ，张 千 帆
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江省哈尔滨市 １５０００１）
国内几所较早开展与动态无线电能传输技术相 关 研 究 的 高 校 主 要 包 括 东 南 大 学 、天 津 工 业 大 学 、重 庆大学、中科院电 工 所、西 南 交 通 大 学、哈 尔 滨 工 业 大学等。这些高校前期研究主要集中在大功率电力 电 子 电 能 变 换 与 拓 扑 设 计 、磁 耦 合 机 构 优 化 设 计 、系 统建模优化与控制、系 统 复 杂 动 力 学 行 为 分 析 与 控 制、能量和信息同 步 传 输、负 载 识 别 与 异 物 检 测、电 磁 兼 容 与 电 磁 屏 蔽 等 技 术 方 面 ，相 关 理 论 、技 术 难 点 以及关键问题的研 究 已 经 取 得 一 定 成 果，并 且 已 经 研制出原理样机。
此外 德 国 庞 巴 迪 在 电 动 汽 车、有 轨 电 车 无 线 供 电 领 域 也 处 于 较 为 领 先 的 水 平 ，由 于 商 业 化 的 原 因 ， 其相应的技术资料较少 。 ［９］ １．２ 国 内 动 态 无 线 充 电 技 术 发 展 动 态
国内 各 高 校、研 究 所 也 相 继 开 展 了 无 线 电 能 传 输 技 术 及 应 用 的 研 究 工 作 ，并 于 ２０１１ 年 １０ 月 ，由 中 国科协资助在天津 工 业 大 学 举 办 了 “无 线 电 能 传 输 关 键 技 术 问 题 与 应 用 前 景 ”学 术 沙 龙 ，这 是 国 内 在 无 线 电 能 传 输 领 域 的 第 一 次 学 术 会 议 ，随 后 ２０１２ 年 在 重庆举办了“无线电能传输技术 研 讨 会”、２０１３ 年 在 贵阳举办了“无线 电 能 传 输 关 键 技 术 与 应 用 学 术 研 讨会”、２０１４年在南京举办了“无线 电 能 传 输 技 术 与 应用国际学术会议”、２０１５年在武汉 举 办 了“无 线 电 能 传 输 技 术 及 应 用 学 术 会 议 ”，展 示 了 国 内 无 线 电 能 传输技术良好的发展态势和前景。
２ 电 动 汽 车 动 态 无 线 充 电 技 术 关 键 问 题
２．１ 磁 耦 合 机 构 设 计 与 优 化 现有的动态无线供电导轨大致分为以下几类：
分立形式的连续单 线 圈 结 构、矩 形 长 线 圈 型 与 双 磁 极型。奥克兰大学提出矩形长线圈供电导轨解决方 案［１７］，并提出了 不 同 形 式 的 接 收 端 结 构 ，如 附 录 Ａ 图 Ａ６ 所 示 为 Ｅ－ｔｙｐｅ 与 Ｃｏａｘｉａｌ－ｔｙｐｅ 接 收 端 。 ［１８］ 但 是 所 提 出 方 案 的 侧 移 能 力 弱 ，因 此 ，文 献 ［１９］提 出 双 Ｄ形式与新型双极型接收端用来改善耦合机构 的侧移能力，如附录 Ａ 图 Ａ７所示。
此 外 ，文 献 ［２０－２１］提 出 一 种 新 型 三 相 交 流 激 励 能量发射导轨（见附录 Ａ 图 Ａ８）及 Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ－ｔｙｐｅ 接收端（见附 录 Ａ 图 Ａ９），消 除 了 三 相 交 流 电 源 之 间的交叉耦合并增加了能量拾取机构横向偏移容忍 度。但是长线圈方 案 普 遍 存 在 路 面 施 工 面 积 大、功 率 密 度 低 、轨 道 两 侧 磁 场 暴 露 水 平 高 等 不 足 。
关 键 词 ：动 态 无 线 充 电 ；电 动 汽 车 ；无 线 充 电 关 键 技 术
０ 引 言
为 了 节 约 能 源 ，减 少 环 境 污 染 ，电 动 汽 车 受 到 了 世界各国的大力 推 广。 目 前，由 于 电 池 容 量 及 充 电 基础设施等条件的 限 制，充 电 问 题 成 为 电 动 汽 车 发 展过程中面临的最主要的瓶颈问题。由于无线充电 技术可以解决传统 传 导 式 充 电 面 临 的 接 口 限 制、安 全问题等 而 逐 渐 发 展 成 为 电 动 汽 车 充 电 的 主 要 方 式。然而，静态无线 充 电 与 有 线 充 电 同 样 存 在 着 充 电频繁、续 航 里 程 短、电 池 用 量 大 且 成 本 高 昂 等 问 题。特别是对于电 动 巴 士 一 类 的 公 交 车 辆，其 连 续 续航能力格外重 要。 在 这 样 的 背 景 下，电 动 汽 车 动 态无线充电技术应 运 而 生，它 以 非 接 触 的 方 式 为 行 驶中的电动汽车实时地提供能量供给。
虽然世界各国研究机构仍在不断深入研究电动 汽车动态无线供电 技 术，并 且 不 断 推 进 相 关 理 论 和 技术研究的发展，但 是 其 中 依 旧 存 在 一 定 的 关 键 技 术 需 要 研 究 ，其 中 包 括 磁 耦 合 机 构 设 计 与 优 化 、系 统 鲁 棒 控 制 技 术 、电 磁 兼 容 技 术 研 究 ，以 便 最 大 限 度 提 升 系 统 工 作 性 能 ，保 证 系 统 的 安 全 、可 靠 、稳 定 、高 效 运行。
整的问 题，在 此 基 础 上 建 立 了 系 统 的 能 量 流 动 模 型 。 ［１３］ 文献［１４］提 出 了 一 种 基 于 能 量 传 输 通 道 的 非法负载检测方法，通 过 对 负 载 以 给 定 的 频 率 进 行 通断调制和原边解调判断其负载的合法性。此外文 献 ［１５］提 出 了 针 对 分 段 式 供 电 导 轨 系 统 的 非 线 性 规 划数学模型，对分段 导 轨 长 度 及 导 轨 快 速 切 换 等 问 题进行分析，得 到 较 优 的 规 划 与 控 制 结 果。 中 科 院 电工所通过电路和有限元仿真分析了电动汽车无线 充电系统在车体内及充电装置周围产生的电磁场， 提出在发 射 装 置 外 沿 加 装 水 平 屏 蔽 带 的 磁 屏 蔽 方 法 。 ［１６］ 西南交 通 大 学 提 出 了 一 种 基 于 多 逆 变 器 并 联的无线电能传输 系 统，利 用 改 变 逆 变 器 输 出 电 压 脉宽与移相角控制 方 法 对 逆 变 器 进 行 控 制，有 效 地 消除初级线圈电流的３次谐波 。 ［１７］
态无线充电技术的 研 究 进 展 进 行 总 结，其 次 提 出 目 前动态无线充电技术面临的关键技术问题及瓶颈， 最后对动态无线充电技术的关键技术问题及瓶颈进 行了总结并对其发展前景做出了进一步展望。
１ 电动汽 车 动 态 无 线 充 电 技 术 国 内 外 研 究 现状
１．１ 国 外 研 究 现 状 目前，Leabharlann Baidu西兰 奥 克 兰 大 学、日 本 东 京 大 学、美 国
美国橡树岭国家实验室针对电动车动态无线充 电的耦合机构、传 输 特 性、介 质 损 耗、电 磁 辐 射 展 开 研究，其地面发射装 置 采 用 全 桥 逆 变 和 串 联 的 两 个 初级绕组，实验结果 表 明 传 输 功 率 和 效 率 受 电 动 汽 车 位 置 影 响 较 大［３－４］，其 建 立 的 试 验 系 统 如 附 录 Ａ 图 Ａ３所示。
ＫＡＩＳＴ 将采用 动 态 无 线 充 电 技 术 的 电 动 车 称 为在线 电 动 车 （ＯＬＥＶ）。２０１３ 年 位 于 龟 尾 市 的 两 条 ＯＬＥＶ 电 动 公 交 线 路 投 入 运 行，线 路 总 长 为 ２４ｋｍ，如附录 Ａ 图 Ａ２所示，传输功率为 １００ｋＷ， 效率为８５％ 。 ［２］
日本东京大学 提 出 基 于 直 流／直 流（ＤＣ／ＤＣ）变 换器的副边最大效 率 控 制 方 法，通 过 原 边 等 效 阻 抗
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朱 春 波 ，等 电 动 汽 车 动 态 无 线 充 电 关 键 技 术 研 究 进 展
实时在线估计耦合 系 数，利 用 前 馈 控 制 器 改 变 ＤＣ／ ＤＣ 变换器 输 入 占 空 比 实 现 最 大 效 率 控 制［５］，如 附 录 Ａ 图 Ａ４所示为东京大学设计的无线供电系统。