电动汽车动态无线充电技术

姚修宇

（上海海事大学 上海市 200120）

1 引言

在当今社会的发展过程中，汽车已经是人们生活的必需品，而且其功能也越来越多。但是，基于环保、绿色等概念的发展下，当前的汽车行业面临着一个巨大的挑战和机会：传统模式下，发展了两个世纪的汽车产业将从燃油方式转变为电能方式。这对于很多汽车生产与制造商来说无疑是一个巨大的难题。如何确保汽车电池的供电充足，如何确保汽车电子的安全性，如何确保汽车电池的充电速度等，均是需要当前快速解决的问题。在此，相关技术人员经过不断地实践得出了一个有效的方法：在当今静态无线充电技术的不断革新与发展过程中，电动汽车动态无线充电技术也被逐渐提上了日常，且开始对其进行针对性的研究与分析。而且，基于当今的静态无线充电技术，动态无线充电技术也得到了相应的发展与建设。

汽车的无线充电技术是新能源汽车发展的重要部分。传统的有线充电需要人工连接，属于静止式充电。汽车无线充电无需电气连接，用户体验好，天气适应性强，节省地面空间。

汽车无线充电主要有动态和静态两种方式，但是从本质上来分析，静态无线充电与插电式充电同样需要占用大量的时间，而且无法对汽车的续航能力进行有效地提升。比如，在一台公交车的车载电池中，其续航能力一般情况下只能维持300 公里。但是由于现实情况，如堵车、启停等影响，实际续航能力只有200 公里。也正是在这一背景下，电动汽车动态无线充电技术被逐渐地关注了起来，以至于人们开始思考如何实现汽车在运动的过程中自我充电。这样不仅能够有效提高电动汽车的续航能力，还能改变当前汽车对人类的服务方式。

2 电动汽车动态无线充电的关键技术问题研究

2.1 磁耦合结构的设计技术

在当今已经被应用于实践中的无线供电导轨中，主要可以分为以下几个方面：第一方面是分立形式的连续单线圈结构；第二方面是矩形长线圈类型和双磁级的类型。在对其进行研究与设计的过程中，奥克兰大学电动汽车动态无线充电技术研究中心相关工作人员提出了应用矩形长线圈供电导轨的方法来对当前的电动汽车动态无线充电技术中所体现出的问题进行有效地解决。同时，还提出需要在不同的结构和不同的形式下对其进行接收端结构的调整与安排。但是，这一方案在实际应用的过程中也发现了很多的问题，其中，比较典型的问题有：在这一供电导轨中，侧移的能力相对较弱。在双D 型线圈中增加一个正交线圈，或通过双D 型和新型双极接收端可以有效地改善这一问题，且可以优化对耦合机构的侧移能力提升。另外，还有其他技术人员提出，可以用新型的三相交流激励能力发射导轨接收端对其进行设计与开发，进而可以在实际应用的过程中实现三相交流电的相互抵消，而且还能保证交叉耦合的能量拾取，和不同机构的横像偏移容忍度提升。但是，在以上两个方案的后续设计中又发现了一个问题：长线圈的应用存在一个特别大的问题就是功率密度较低，而且施工面积非常大，再加上轨道两侧的磁场暴露水平太高。

2.2 能量传输的控制技术

在电动汽车动态无线充电技术的电能传输和电能控制技术的研究过程中，主要可以将之区分为以下几个研究内容：第一方面是原边控制；第二方面是副边控制，第三方面是双边控制。在这三种研究与设计方法当中，相关技术人员提出了可以通过调节逆变器驱动型号的方法来控制原边谐振电流，同时还需要在此基础上完成好整个系统的机构与建设。KAIST 在设计过程中应用了原边恒流的控制技术，而且在逆变器的前部设计了DC/DC 变换器。基于这一模式，可以在对原边直流母线进行电压调节的时候完成好逆变器的输出以及逆变器的恒流控制。在此，我们需要明白，原边的控制其根本目的在于提高电能的功率输出，进而实现鲁棒的控制与管理。另外，通过副边控制的办法对其进行研究，可以在整流电路后设计一个BUCK 变换器，然后通过状态空间平均法对其进行信号模型的建立。同时需要结合极配置法对其进行比例和积分的设计，已实现后续的良好控制，完成好恒功率最大效率的转化效果。在此，还有东京大学相关研究人员提出，可以对其进行可控整流，以及滞后比较器的副边控制，以此来实现功率的最大化输出也是一个可以对其实现有效控制的方法。最后是双边控制方法，在这一控制技术中，需要结合双边的通信控制来完成，而且需要在这一过程中应用闭环技术对其进行控制系统的优化与能量传输最大化的调整。

2.3 电磁兼容的技术

电动汽车动态无线充电技术的电能传输需要通过埋在地下的高频强磁场对其进行电能的传递与输送，覆盖道路面积广，所以，其本身的负载较大，且工作的能耗也较高，而且电磁环境非常复杂。因此，电磁兼容的技术在这一过程中就需要作为一个重点开发项目来研究。其中，研究的主要内容包含有：磁屏蔽设计的方法；接地设计的方法；频率配置的方法；软件抗干扰的方法等等。结合当前国际标准中费电离辐射的内容，要求100kНz 电流密度公众暴露限制应该是200mA/m2。如果辐射值高于这一标准，那么对于人体的健康，以及神经系统会造成相应的损害，甚至会在长时间的辐射过程中使得人体局部体温升高，而且还会出现人体内部局部组织过热的现象。在电动汽车动态无线充电技术的发展与应用中，其电磁干扰抑制的研究可以区分为两大部分：第一部分为主动屏蔽方法；第二部分为被动屏蔽方法。在被动屏蔽这一环节中，其主要是利用铁磁性材料为辅助原料，然后位置提供一个路径，使其能够在低磁导率金属材料中形成与漏磁相悖的电磁场。由此可见，通过对铁磁性材料的应用，能够有效地优化磁耦合线圈的互感系数，且能够大大提高耦合性的约束能力，实现对磁路的保护。但是，被动屏蔽方法相对来说范围有限，这也是其中的一个问题。主动屏蔽方法为：在耦合机构临近的位置设计一个主动屏蔽线圈，然后以此来实现对磁场的抵消作用。相对于金属屏蔽方法，该技术的空间占有量较小。

表1

3 电动汽车动态无线充电技术需攻克的问题

3.1 高性能耦合结构的设计

高性能耦合机构在与单极性长线圈型进行导轨比较的时候，我们可以发现，在双极供电导轨中，其表现出来的特征为尺寸比较紧凑、功率密度较高，而且具有较大的侧移适应性与侧移强度，另外还有效规避了轨道两侧的磁场暴露水平高的问题。另外，其本身还能体现出以下特征：施工的难度大大降低、施工的面积也大大缩减、磁极和磁芯的引用量也得到了一定的缩减。在这一基础上，便可以有效地保证整体施工的质量提升和效率提升，且能够对施工的整体成本进行有效的控制与管理。在这一背景下，高性能耦合机构的设计可以应用于一些大规模和超大规模的建设工程中。但是，其中的问题我们也需要对其关注。主要有：双极性导轨的磁场分布时而均匀，时而不均匀，且无规律可循；在应用过程中，有时会出现耦合的零点问题，进而会导致电能的传输受到较大的影响，以至于电能的传输中断，和电能传输无法得到连续的保障。这样，不但会影响整个汽车动态充电的效率，而且还会对汽车的系统稳定性，以及人员的安全造成一定的威胁。另外，还有可能会消减传输能量的功率和效率。以上问题是我们需要对其进行继续优化的内容，也是当前电动汽车动态无线充电技术中主要面对的无线供电平均传输与功率传输的问题。

3.2 能量传输与控制的保障

在双极型的供电导轨无线电供电系统当中，因为耦合机构的位置会发生相应的改变，以及耦合机构的位置会随着其相对的位置进行调整，进而会导致分段导轨的磁场分布出现紊乱的情况。另外，在这一背景下，还会造成路基介质的不同，以及各参数扰动的问题发生。电动汽车动态无线充电技术当中，能量的传输与控制的保障属于一个非常快速的非线性变化过程，在这一途径中，我们需要重点思考应该如何有效地稳定系统，以及如何有效地提高系统的稳定性。进而使其能够在后续的系统响应过程中变得更加迅速与及时。这一方面是当前电动汽车动态无线充电技术能量传输的主要研究目标与方向，也是确保能量传输与鲁棒控制的关键所在。它不仅可以保障能量传输的功率以及系统控制的质量，而且还能确保能量传输在后续工作阶段中的稳定运行与和谐发展。

3.3 电磁兼容问题的解决

在电动汽车动态无线充电技术当中，能量传输的质量与效率，以及电磁的兼容问题，和系统的电磁干扰问题与人体对于电磁辐射的损害问题等，都是非常重要的研究课题。同时这些问题也是需要对其进行及时解决要点。在对其进行设计与分析的过程中，我们需要始终秉承着一个观念对相关内容进行看待：首先是需要确保对电磁兼容问题的有效解决，以此来提升整个电动汽车动态无线充电技术的安全性。这样可以有效地保证电动汽车在动态无线充电过程中的稳定运行，以及对汽车的能量及时传输。另外，基于此还能够有效的确保整个能量传输系统中电磁兼容的正常工作。见表1。

4 结束语

在此次研究中，我们重点分析了电动汽车动态无线充电技术研究和应用过程中遇到的问题，以及对相关问题解决的方法和策略。并且针对当前国外一些先进的研究内容和研究观点对其进行了全面的参考与讲解。而且对于汽车动态无线充电的技术要领以及技术难点做出了简要的分析与论证。另外，研究还重点描述了电动汽车动态无线充电技术研究过程中所遇到的瓶颈，以及对该瓶颈的突破方法和措施。另外结合当前国外的一些先进研究结果来看，当前我国对于电动汽车动态无线充电技术的发展还处于一个不断创新与完善的阶段，而且面对未来的社会需求以及用户的需求还有很长的路要走。虽然我国在电动汽车动态无线充电技术领域中取得了较大的成就，但是就当前的实验结果与实际应用来看，其中依然存在各种各样的问题。这些问题的解决均需要技术的商业化与工程化来推动其发展，且需要对其进行深入的研究，结合国外的先进理论与我国自身的实践探索方法对其做出有机结合。进而才能够创造出一个全新的电动汽车动态无线充电技术应用办法，才能满足更多人的需求，带动社会的整体发展与绿色环保工作的建设。