基于无线电能传输智能驾驶领域的研究

李星灿 张 杰 夏 帅

（中国矿业大学徐海学院，江苏 徐州 221000）

近几年，随着以石油为代表的化石燃料逐渐短缺以及人类节能减排意识的提高，无线电能传输技术进入了人们的视线。在众多电子产品中，新能源汽车的无线电能传输技术具有相当的代表性。新能源汽车是未来的发展趋势，电动汽车更是其代表，是未来最具发展潜力的交通工具。[1]但是目前电动汽车都采用导线进行电能传输，具有以下弊端:充电电流过大，线损大，高纯度导线成本高；充电物理连接端口磨损大，寿命低，有气隙，容易产生火花；线缆重量大，不利于便携，绝缘工艺复杂，受环境影响大。

从目前技术发展上来看电动汽车还处于发展中的状态，续航时间、储能方式、充电效率等因素成为制约电动汽车发展的关键。而电磁谐振式电能传输技术能极大限度地改良现状。只需要将能量发射装置事先埋设于地下，或者临时铺设于道路上，就能实现以非物理接触的形式将电能传输到电动汽车的接收装置，进而对电池组进行充电，无论是效率还是安全性都得到了很大的提升。通过探究影响无线充电充电效率的关键因素，给予相应的提高充电效率的思路与方法，设计一种基于无线电能传输技术的绿色智能小车。从目前市面上的电动汽车来看，绝大多采用的是铅酸电池进行供电，这就导致了大多数电动汽车无法长时间续航的问题，相对应的充电桩、充电站投入成本就会增加。目前电动车充电时间普遍偏长，大致在6-10小时，显然不能被用户接受。快速、高效率充电是充电汽车发展过程中最为关键的技术，也是瓶颈之一。其主要原因是目前充电方式限制了能量的高效利用，无线充电技术能从根本上解决问题。电磁谐振式的无线输电方式有如下优点：传输距离适中，在一定距离范围内电能传输稳定；输电效率高，能量损耗小，可达90%左右；原理较为简单，价格可被大多数人接受，便于推广与普及[2]。

本文研究的是将高功率因数、低输入阻抗和低匹配难度的硬件模块应用于自动驾驶领域；采用双闭环控制的AC/DC和双闭环控制的DC/DC结构实现快速、精准无线供电和运动持续无线供电；加入了功率因数校正和软开关技术，极大地提升无线充电系统偏移裕度、电路工作稳定性和电能传输效率。通过搭载电磁传感器采集道路信息和工业级MCU计算最优路线，实现起步、加速、巡航、自动停车、自动泊车等动作。

一、背景知识

（一）无线供电与自动驾驶

无线供电技术经过上百年的发展，已经成功达到了实际应用的阶段，市面上搭载无线供电技术的产品已经遍布各个领域，小到电动牙刷、剃须刀，大到飞行器、潜水艇。这些无线供电产品在推动科技发展的同时也为人们的生活带来了极大的便利。无线供电不是指非接触式供电，而是指超远距离高效率的非接触式供电。近几年来，无线供电技术更是得到了飞速发展，在手机领域显得尤为突出。电动汽车的问世，又给无线供电技术提供了极大的发展空间。无线供电能让电动汽车在没有加油站、供电站的情况下随时随地充电，不会使能源问题成为自动驾驶发展路上的绊脚石。未来，远距离高效率非接触式供电将取代传统充电方式，从真正意义上实现无线供电。[3]

图1 无线充电轿车原理示意图

（二）谐振式无线供电

谐振式无线输电利用了磁共振原理，首先让供电线圈处于自谐振状态，谐振频率与接收线圈的谐振频率一致，接收线圈也处于自谐振状态，这样一来，频率的一致使整个线路的能量损耗主要以发热的形式存在于发射线圈处，接收线圈能最大限度地榨取发射端的能量，进而实现高效率输电。

（三）磁耦合谐振式无线供电

目前电力无线传输技术主要有三种：电感耦合型、微波型、磁耦合谐振型。

电感耦合型效率高，通过在电极中产生电磁场来供电。微波型技术主要在于提高电流Q值来保证传输效率。磁耦合谐振型相对于前两者来说，不仅有传输距离上的优势，也支持水平方向上的错位，在感应线圈中存在异物时也不会严重发热，此外还具有成本低，重量轻等特点，所以成为目前主流的无线供电方式。

（四）自动驾驶

汽车自动驾驶技术利用多种传感器采集路况信息，其中包括摄像头、激光雷达、超声波测距器等。在此基础上，通过与事先采集的地图做比对，进行大数据分析，计算出目前实时道路情况，对突发事件做出反应。在控制系统上也分为驾驶辅助系统、部分自动化系统、高度自动化系统、完全自动化系统。

（五）电磁循迹

电磁循迹是根据特定道路发出的高频电磁场来判断道路情况的一种检测方案，通常应用于汽车模型测试、智能车制作等领域。对于电磁循迹智能车，电磁传感器无疑是智能车的“眼睛”，其分布方式更是影响检测精度和准确性。常见的有一字型电感排布、一字与垂直辅助排布、内八型分布排布、双排及多排分布排布。

二、设计与制作

（一）无线供电硬件

在对无线供电系统的设计与制作中，电能发射端与接收端皆采用串联谐振电路进行能量传输。电能发射端采用单相半桥逆变电路进行搭建，半桥选用大功率MOS管80NF70以保证电能正常输出，将输入的直流电逆变为电压100V、频率640kHz的高频交流信号。接收端首先绕制大小合适的电感，并估测出大致感值。当频率、电感值一定时，根据频率、感值、容值之间的关系，可以计算出所应匹配的容值大小，然后接整流二极管将感应到的高频交流电整流为直流电，再通过Buck电路输出电压可调的直流电送给电动汽车的储能部件中。其中，谐振回路电容选取高频耐压的NPO电容，整流二极管选取耐压较高的SK1010进行搭建。[4]

（二）车模设计

为了说明无线输电是如何应用于电动车领域，我们制作了缩小比例的智能车模型进行研究。一开始为了更真实模拟，我们选取了碳纤维骨架作为车的主体。但通过实验我们发现，因碳纤维材质的导电性能与高频谐振产生反应，影响接收线圈谐振点，并且在高频振荡环境下自身产生涡流，进而导致发热，所以碳纤维材料不适用于无线输电领域。我们尝试了校正谐振点和加隔磁片等方案，但效果并不明显。最后我们还是采用了亚克力以及ABS树脂材质，通过激光切割、3D打印等工艺制作了车模。[5]

（三）电磁循迹自适应研究

图2 无线充电原理示意图

根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场，电磁传感器能对这种交变磁场做出感应，产生参数交变信号，通过放大滤波、AD转换处理成数字信号以便MCU进行计算。在采集电磁信号的过程中，会因为电路、磁场、天气等多种因素产生干扰，使采集到的数据发生波动，从而产生误差。因此在硬件滤波后再进行软件滤波处理，去除或者减小噪点对正确数据的影响。选用滑动平均值滤波，有两种滤波算法，一种是滑动算术平均值滤波，一种是滑动加权平均值滤波。为了让电感能更敏感地对交变磁场做出反映，我们采用了前瞻预处理方案。利用ADS114S06处理芯片，让采集到的模拟量更好地转换为数字信号。数据标准化处理是一种不基于量纲的处理手段，因为不同的指标具有不同的量纲单位，这会使数据分析在不同理论下产生多种结果，所以我们需要进行数据的归一化处理，消除数据间的量纲影响。原始的数据经过数据标准化处理后，各指标处于同一数量级，适合进行综合对比处理。

三、结束语

本文通过对高功率因数、低输入阻抗和低匹配难度的无线输电硬件应用与电动车领域的学习和研究，消除了传统以导线为载体的电力传导模式的弊端。因缺乏经验与相关文献，导致花费了大量时间在数据样本采集上，最终顺利找到了最佳匹配参数，通过不断调校，传输套件能以极快速度对超级电容器实现充放电，并且能在车模正常运行状态下实现持续动态供电。当前遗留的问题是不能有效减少传输套件工作情况下的发热以及发射端对其他磁导性介质产生的损耗。