基于风光互补电动汽车动态无线充电系统的研究

张振丽

（兰州博文科技学院电信工程学院，甘肃 兰州 730101）

近年来，我国在新能源与新型电网方面发展迅猛 ，但还是存在较多的问题。同时，新能源电动汽车的推广使用有效地践行了所提倡的低碳绿色出行理念。《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》中明确了2025年电动汽车至少占比20%的目标，作为新型负载的电动汽车正大规模迅速发展，在向大电网提出挑战的同时，也给新能源发电的消纳带来新的机遇。

自然能源（太阳能、风能）资源丰富，且能源利用具有结构简单、运维便捷以及集成度高的优势，可为交通用电提供清洁的电量供给。并且清洁电能的转换可以借助站、线路等可用空间进行能源化开发，形成以清洁能源为主的陆基供能系统。能源与交通的融合可以在人类社会经济新模式和新文明的发展过程中发挥不可替代的作用。

1 风光互补发电系统的工作原理

由于环境因素的变化（例如有光照有风、有光照无风、有风无光照以及无光无风等因素），单纯风力发电和光伏发电环境的不确定性将造成系统发电与用电负荷的严重不平衡，因此需要对其发电系统采取相应的措施与控制才能投入使用。将风力发电与光伏发电相结合并因地制宜，利用两者在各方面所具有的互补性建立风光互补发电系统。该系统将会在很大程度上扩大新能源的应用范围，在未来新能源发电的发展与应用中将占据重要地位。

根据环境因素的变化，将风光互补发电系统的工作模式分为以下4种：1） 有光照有风。此时光伏电池板与风力发电机同时工作，将光能和机械能转换为电能，向负载提供能量，多余的电能储存在蓄电池及超级电容器中。2） 有光照无风。此时风力发电机不工作，只有光伏电池板工作，光伏电池板将光能转换为电能，向负载提供能量，多余的电能储存在蓄电池及超级电容器中。3） 有风无光照。此时光伏电池板不工作，只有风力发电机工作，风叶转动将机械能转换为电能，向负载提供能量，多余的电能储存在蓄电池及超级电容器中。4） 无光无风。此时光伏电池板与风力发电机都不工作，该模式为电池放电模式，即释放蓄电池及超级电容器中储存的电能，向负载提供能量。

2 风光互补电动汽车动态无线充电系统

在“双碳”背景下，加快构建以新能源为主题的新型电力系统并践行低碳绿色出行理念，在该背景下风光互补发电系统和新能源汽车再度成为热点话题。采用传统的发电系统对电动汽车进行无线充电时，需要进行远距离传输，造成电网稳定能力下降和电能损耗增加的问题，当没有车辆通过时，会造成电能浪费的现象，而且传统电网发出的电能为工频交流电，要为电动汽车充电，就需要先整流，将交流电变为直流电，再转换高频逆变电路。相比传统发电系统，风光互补发电系统所发出的电为直流电，省去了整流环节，系统设备较少，维护检修容易，而且可以提高电能的就地消纳能力，有利于构建清洁低碳安全高效的能源体系。因此，该文提出将风光互补与电动汽车动态无线充电结合在一起，以实现清洁发电与绿色用电的目标。

电动汽车无线充电系统不存在裸露的电线和接头，能够实现电网与电动汽车的非电气接触电能传输，逐渐成为研究的重要方向，无线充电分为静态无线充电和动态无线充电。

静态无线充电是指在汽车停入集中充电区域后所采取的充电方式，主要适用于停车场、居民小区以及商场等，其存在充电较频繁、续航里程短、电池用量大、需要完善的充电设施以及成本高等缺点。电动汽车动态无线充电是指在汽车运行过程中所采取的充电方式，其原理为利用铺设在地面以下的供电导轨以高频85 kHz的交变磁场的形式将电能传输给在地面一定区域内运行的车辆上（接收端）的电能接收设备，进而给汽车电池充电。动态无线充电能够增加电池续航里程，并延长电池的使用寿命，从而提升用户体验度。

3 系统结构

基于风光互补电动汽车动态无线充电系统结构如图1所示，系统由风光互补发电、混合储能、直流母线及电动汽车动态无线充电系统4个部分组成。图1中，风光互补发电系统、混合储能以及电动汽车动态无线充电系统都与直流母线相连。风力发电与光伏发电将产生的风能和光能都转换为电能，并汇集到直流母线上，多余的电能储存在蓄电池及超级电容器中，直流母线再通过由LC滤波器构成的滤波电路、双向DC-DC功率变换电路、全桥逆变电路、耦合变压器以及SS谐振补偿电路为电池充电。系统中的混合储能部分由蓄电池、超级电容器和DC-DC功率变换电路组成。由于风光互补发电系统受外界影响较大，虽然采用MPPT（最大功率点跟踪）控制方式可以降低其输出功率波动，但是不能完全消除，因此在系统中加入混合储能，其目的在于平抑风光互补发电系统的功率波动，保证系统输出稳定、高效的电能，对电动汽车来说，稳定的充电功率可以最大限度地保护电池，延长其寿命，对电动汽车的推广使用具有现实意义。

图1 风光互补电动汽车动态无线充电系统结构图

4 电路拓扑

根据风光互补电动汽车动态无线充电系统结构图设计其电路拓扑图，如图2所示。系统的直流输入电压为，首先，通过4个功率MOSFET管所构成的全桥逆变电路将工频直流电转变为频率为85 kHz的高频交流电，再通过耦合变压器T的原边与副边的线圈耦合，利用电磁感应原理，将高频交流电传送到副边，在耦合变压器T的原边和副边分别设置串联电容补偿电路，使两边系统达到谐振状态，副边的电能经过4个二极管所构成的全桥整流电路将高频交流电转变为直流电，再经过电容进行滤波，最终向负载提供稳定的电能。

5 仿真分析

根据图2在MATLAB/Sinulink平台中搭建其仿真模型,如图3所示，该仿真模型可以实现传输电能的目标。在该模型的基础上，设置系统仿真参数并进行仿真分析就可以得到原边与副边电压、电流波形。设置的系统仿真参数见表1。

表1 系统仿真参数

图2 风光互补电动汽车动态无线充电系统电路拓扑图

图3 风光互补电动汽车动态无线充电系统仿真模型

将仿真参数导入其仿真模型中，可以得到原边与副边电压、电流波形，如图4所示。

图4 原边与副边电压、电流波形

根据仿真分析可以得出，当输入电压为380 V、负载电阻为30 Ω时，其副边电压大约为370 V，原边电流为14 A，副边电流大约为13 A，其原边电压与电流的相位相同，副边电压与电流的相位相差90°，副边感应的高频交流电通过整流二极管转变为直流电，向电动汽车提供稳定的电能，且效率能够稳定在90%以上。

6 结论

该文使风光互补与电动汽车动态无线充电系统相结合，以实现其清洁发电与绿色用电的目标。对风光互补发电系统的工作原理进行分析，设计风光互补电动汽车动态无线充电系统电路图，在MATLAB/Simulink平台中搭建风光互补电动汽车动态无线充电系统的仿真模型，并对其进行仿真分析。仿真结果表明，通过合理设置系统参数可以使其效率稳定在90%以上，既能为电动汽车和常规负荷提供高质量的电能，又能充分利用光伏、风电可再生能源。对风光互补与电动汽车动态无线充电系统进行研究分析，为今后更深入地研究该系统提供了相关的理论基础。