电动汽车移动负载动态无线充电技术

耿直

（河南师范大学 国际教育学院，河南 新乡 453007）

近年来，无线电能量传输技术的发展十分迅速，其基本原理主要是利用交变电流经过发射线圈形成磁场，而磁场又通过接受或输入线圈，使磁能转化为电能，并以此实现能量的无线传递。按照无线电能量的使用状况，主要可分成静止无线充电系统和动态无线充电系统。静止无线充电传输是将待充装置与充电电源保持在相对静止的状态下进行。该方式通常要求选择正确的发送线圈和接受线圈，比如手机无线充电、计算机无线充电等，而该方式通常只适合于当车辆在某一固定地点停车时进行的充电作业。动态无线电能传输是指待充电设备与充电电源处于相对运动的状态时进行充电。以电动汽车为例，该方法使其可以在运动的状态下实现电能的无线传输，可以显著地提高电动汽车的行驶里程，避免了驾驶员相关焦虑，使充电更加安全、便捷。

本文对动态无线电能传输系统进行理论分析，并根据实际使用情况对传统插拔式充电系统与该动态无线电能传输系统进行对比，结合国内外研究状况归纳了动态无线电能传输技术所面对的挑战。

1 无线电能传输系统模型

1.1 静态无线电能传输系统模型

无线电能传输结构图如图1所示。无线电能传输系统主要由直流电源、高频逆变器、耦合机构（包含补偿拓扑）、直流整流器、负载等五个部分组成。直流电源将直流电输入高频逆变器，高频逆变器将直流电转换为交变电经过补偿拓扑输入耦合机构，整流器在接收端会将接收到的交流电转换为直流电，从而将电能传递给负载，实现了电能的传输。

图1 无线电能传输结构图

1.2 动态无线电能传输系统模型

动态无线电能传输系统是在静态无线电能的基础上发展而来，即指电动汽车在行驶过程中以空气作为介质，发射线圈固定在形式道路上，接收侧线圈安装在电动汽车上，从而进行电能的传输，提高电动汽车的行驶里程，减小电动汽车的电池尺寸，给予驾驶者更大的操作空间。

动态电能传输模型如图2所示。红色线圈为发射线圈，绿色线圈在电动汽车上为接收线圈。系统的位置关系可分为长导轨式、线圈阵列式和分段导轨式。其中分段导轨式建造周期长成本高，相对而言，线圈阵列式建造周期短成本低，但其某一处遭到破坏后就会使整个的工作处于断路，稳定性差。本文将采用线圈阵列式进行分析，阵列式线圈位置框图如图3所示。

图2 动态电能传输模型

图3 阵列式线圈位置框图

如图4所示为动态无线充电系统原理图，绿色线圈为安装在电动汽车上的接收线圈，其余示意线圈则为铺设在路面上的发射端线圈。电动汽车按照箭头所指方向进行移动，在移动过程中，利用传感器测得电动汽车所在的位置，并由控制单元的继电器开关控制发射端线圈的电能通断。因此，只有当电动汽车与发射机线圈对齐时，并且当接收线圈改变其位置时，电能才能被传输。

图4 动态无线充电系统原理图

2 系统的设计

本文设计了一种电动汽车动态无线充电系统的模型。在模型中，共设计了8个传输线圈（固定在道路上）和一个接收器线圈（安装在车辆上）。在红外传感器和继电器的帮助下，当电动汽车的接收线圈与发射机线圈对齐时，线圈被打开。线圈尺寸为60毫米（外径），发射线圈20圈，接收线圈30圈。电气系统电池调谐频率为24kHz。车辆无线传输电路图如图5所示，控制单元与单片机控制原理图如图6所示。

图5 车辆无线传输电路图

图6 控制单元与单片机控制原理图

进一步的工作是研究两个线圈垫之间气隙的影响，以及如何提高最低可能频率范围内被传输功率的水平。工作参数如表1所示。

表1 工作参数

红外传感器用于感知和检测电动汽车在道路上的位置。继电器通过一个编程平台连接，该平台与传感器输出一起工作，允许继电器进行切换，处理继电器是否应该允许电力传输。因此，只有当一次线圈与固定在电气化道路上的二次线圈对齐时，电能才会传输。此外，继电器连接到线圈，并且无线传输是我们前面已经讨论过的。

3 电磁兼容技术

动态无线充电技术是利用高频率的强电磁场来进行电能的无线传输，由于动态无线充电技术的工作频率比较高，且电磁工作环境比较复杂，所以，在研究电动汽车移动负载动态无线充电技术的过程中，电磁的兼容技术也是最重要的研究技术之一。电磁兼容技术主要包括电磁屏蔽设计、频率配置、接地设计、剩磁设计、软件抗干扰设计等内容。

电动汽车的无线电能传递系统和电磁干扰控制设备，大致包括了被动屏蔽和主动屏蔽这两类。对于被动屏蔽来说，主要是用更多铁磁性的金属板材把磁通道建立为一条能够使用的路径，又或者是用较小磁导率金属半导体材料形成一种和漏磁倾向完全相反的磁性。而因为使用了高铁磁性的金属板材，就可以改善铁磁耦合线圈的自感与互感系数，所以这样可在提高相互耦合特性的同时，也优化对电磁场技术中的能量分配和约束，因为这样也会有助于减少对磁路的能量损失。但是，金属被动屏蔽效能始终是很有限的，而金属屏蔽设备也被广泛应用于射频场合中，可以更有效地对磁场的电磁加以控制和干扰。KAIST和橡树岭国际实验室的研发人员在对金属导线材料的电磁屏蔽技术进行研发过程中，会利用较低磁导率的金属导线材料对电磁系统加以干扰，尽管这种方式的确具有设计简单、操作简便等特点，但其缺点是不能同时对发射线圈和接受线圈进行屏蔽，而且在地面上的金属导线材料由于长时间暴露在磨损状态下而会形成涡流损耗，也会导致系统特性受到负面影响。2015年，KAIST研发人员研究出了一个全新的被动屏蔽方案，形成了一个全新的被动屏蔽架构，这对减少电磁影响起到了一定功效，系统的电磁屏蔽框图如图7所示。

图7 电磁屏蔽框图

关于主动式屏蔽，主要是在耦合机构周围设置一个能够主动屏蔽的金属线圈，并以此来产生对抗电磁效应。与传统金属屏蔽相比，这些主动式屏蔽方案都会比较节约其所占据的空间，并以此来增强了金属主动式屏蔽的效果。而在这个研究的基础上，将主动屏蔽的双线圈置于耦合机构的同一侧，从而利用漏磁所产生感应的电流产生抵消的效应，以此达到了电磁屏蔽的功效。但是，由于在进行研究的过程中，会受到一些限制因素的影响，因此使得其形成与原磁场方向相反而且幅度相等的抵消磁场是相当困难的，同时将屏蔽的线圈进行引入时，也会使系统整体的效能变低，这也就形成了主动屏蔽的短板。表2总结了上述屏蔽方式及其优缺点。

表2 屏蔽方式及其优缺点

4 结论

本文从多个角度对电动汽车移动负载动态无线充电技术在发展过程中所遇到的一系列问题进行了相应的研究和分析，针对这些问题进行了相应解答，并给出了很多解决方案。目前，我国对于电动汽车的动态无线充电技术的研究还处在初步试验的阶段，而想要让其技术进行大量的使用还需要做进一步的研究。因此，要想真正将电动汽车动态无线充电技术全面推广，还要对该技术进行深入的研究，并在实践中不断探索和完善，以此让电动汽车移动负载动态无线充电技术变得更完善，以推动该技术尽快投入使用。