大功率船用无线充电系统及其关键设备设计

唐慧妍 陈亚杰 周晶 马皓

【摘 要】 为解决有线充电存在的问题，提高运营安全性、减少维护成本，在分析船舶充电作业的特点、原理和技术需求的基础上，选择大功率无线充电系统，并介绍其关键设备松散耦合变压器的优化设计过程，并对线圈每层的结构、材料、散热、线圈绕法等多方面综合计算。通过计算机仿真计算，模拟线圈发生平面X轴、Y轴向偏移时耦合系数的变化情况。仿真结果显示，通过优化设计副边双绕组与原边绕组耦合性能互补，极大提高耦合系数。根据仿真结果，给出上海某客渡船无线充电系统船端设备的设计方案，并结合具体应用场景，设计1.2 MW无线充电系统方案。

【关键词】 船舶;电动力船;大功率无线充电;感应耦合;松散耦合变压器;耦合系数

0 引 言

近年来电池/电容储能船作为绿色环保的代表，成为解决沿海和内河港口污染问题的最佳路径，新能源船因此开始飞速发展。但目前，船用充电装置面临两大难题：成熟充电产品功率（仅在100～200 kW）等级太低;功率等级的提升和港口海况的不稳定，使得充电接口的对接问题（有的大功率插头仅能工作次）凸显。

有线充电系统存在以下缺点：接触口老化容易出现电火花，寿命受到限制;大功率情况下需要多个人工进行操作，效率低;插电头金属裸露，存在较大安全隐患。无线充电系统不存在船岸之间线缆连接的需求，能实现更安全、更便捷的连接和断开，可以很好地解决有线充电存在的问题，在提高运营安全性的同时，减少了维护成本。

在汽车领域，通用、奥迪、沃尔沃、丰田、上汽等汽车企业都进行了无线充电设施的研发。在样车测试中，充电产品的最大功率为200 kW，充电距离在300 mm以内。

与汽车领域不同，船舶因风、浪、吃水和装卸作业在码头处于自由浮动状态，对充电系统的动态运行条件要求高，即系统对船舶较大位置变化具有容错能力。船用储能系统容量大，需要大功率充电系统。

瓦锡兰与CONVTEC公司共同合作研发了世界第一套船用无线充电系统（见图1），其已在挪威水域“MF Folgefonn”号混合动力渡船上应用。这艘渡船长85 m、总吨，其充电功率达到1 MW。该系统基于感应电力传送，可在500 mm的距离进行无线充电。该系统的陆上发送侧线圈安装在液压臂上，允许根据当天的潮汐变化缓慢定位线圈。充电期间，液压臂保持在固定位置，船舶在自由浮动期间的任何移动都通过功率转换系统的控制进行补偿。

笔者介绍我国自主研发设计的1.2 MW船用无线充电系统方案，涉及系统工作原理、变压器结构选型、技术难点、结构组成等内容。

1 系统工作原理

由于风、浪和吃水的联合作用，以及装载和卸载引起的倾斜和吃水的变化，停靠船舶在装载作业期间可以随着陆上相对固定的设备移动，移动包括上下、左右、横（纵）倾、横（纵）摇等。船舶无线充电系统（见图2）必须经过精心设计，以确保在这种运动状态下其传输的功率及工作效率和安全性都不会受到影响。船舶无线充电系统有其自身特性，系统应对气隙距离的未对准和变化具有较高的容忍度，通过对其进行控制以自动补偿相对位置变化产生的影响。

解决船舶无线充电系统较大位置变化的容忍度问题有两种方式：（1）线圈利用机械定位系统，以保持两个线圈的相对位置固定;（2）相对位置变化的公差应包含在系统的设计和控制中。

根据应用需求，无线充电系统希望达到宽气隙范围和高水平错位耐受量、高效率水平。无线充电系统主要结构原理见图3。

感应耦合式非接触电能传输系统的工作原理是变压器呈松散耦合，原副边之间通过空间磁场耦合来实现能量的传输。系统主要由原边高频变流器、谐振补偿电路、耦合变压器线圈、副边高频变流器、副边谐振补偿电路组成。在大功率情况下，还应配有用于线圈及系统冷却的冷却系统。

谐振补偿电路采用串联-串联（SS）补偿。SS拓扑允许基于用于驱动功率传输的标准H桥电压源转换器拓扑设计系统。SS拓扑还具有谐振频率不受负载条件的影响、对两个线圈之间耦合条件的变化不敏感等优点。

松散耦合变压器形成的是一个发散式的磁场，线圈的结构决定了磁通路径方向，通过合理的线圈设计可以在原有磁芯基础上有效提高原边与副边的耦合程度和变压器的水平错位耐受量。

2 系统设计

2.1 松散耦合变压器结构设计

汽车与火车领域已开展了非接触电能传输系统的研究和应用示范，分别有长导轨结构耦合变压器、圆盘结构耦合变压器、“DD”结构耦合變压器、电场和磁场双耦合通道电能传输等多种模式。圆盘状、方形、“DD”和“DDQ”及Bipolar、螺线管等各种耦合变压器性能对比见表1。

以上变压器型式各有优缺点。作为无线充电系统的核心部分，松散耦合变压器设计的好坏决定了原边与副边的耦合程度、原边与副边线圈的水平错位耐受量，直接影响系统空间传输范围的大小。[1-2]松散耦合变压器形成发散式的磁场，线圈结构决定了磁通路径方向，优化设计变压器线圈结构，可以对磁场中的磁通进行导向作用，从而提高空间传输范围。

船舶大功率充电系统在满足偏移容错能力高的要求的同时也需控制体积成本和复杂度;因此，变压器的设计，一方面考虑到船端接收侧线圈面积大于岸侧，需采用延长线圈;另一方面原边与副边采用不同的绕组结构，可以达到在偏移条件下，副边与原边绕组耦合性能互补，始终保持较高的耦合度。以上两个方面可以在不增加过多成本和保持变压器小尺寸的情况下，提高系统偏移容错能力。

由松散耦合变压器结构（图4）可以看出，此松散耦合变压器的原边采用螺线管结构，副边采用双解耦绕组结构，工作时副边双绕组分别接收磁场能量。利用Maxwell仿真软件模拟线圈发生平面X轴、Y轴方向偏移的情况，耦合系数随偏移量的变化情况见图5、图6。仿真结果显示，副边双绕组与原边绕组耦合性能互补，极大地提高了耦合系数。

大功率松散耦合变压器冷却散热方式为：线圈绕组内部中空使用液体冷却，采用可微管道换流的铜管;磁芯的材料采用纳米晶或非晶材质，通过导热胶进行固定安装，散出热量。国外第一套无线充电设备充电10 min需要散热20 min;采用以上两种冷却散热方式，可以充电10 min散热10 min，大大缩短了散热时间。

线圈背后的区域可以通过磁性背板和导电屏蔽完全屏蔽磁场。采用铝板进行屏蔽，铝板厚度对屏蔽效能影响较大，铝板越厚，屏蔽效果越好，船上乘客不会因为金属外壳外部的感应充电器的工作而暴露在任何磁场中。在岸侧，则根据安装在船舶外壳外部和充电器周围的陆上区域的屏蔽量，在发送侧线圈周围施加一定的安全距离，以确保符合规定。

2.2 功率補偿设计

由于发射线圈与接收线圈之间有相当大的气隙距离，相较于在线圈之间传输的有功功率，感应功率传输会浪费大量的无功功率。在充电系统的两侧使用具有电容补偿的谐振网络来提供线圈的无功功率，可实现高效率和合理的功率电子转换器额定值。采用SS补偿通常是大功率应用的首选。

由于感应耦合式电能传输在不同工作状态（电池充电状态变化等）下会呈现不同的负载特性，且船舶停靠时与无线充电设备的空间偏移会造成耦合系数等不确定因素的改变，从而引起系统工作状态大幅改变，使系统对自身的参数适应性提出了较大的要求。为实现系统高效率工作，采用原边谐振补偿技术并控制电源输出电压电流零相角谐振频率，避免出现频率分叉等稳定性问题，可以有效提高系统传输性能并降低系统的维护成本。

采用连续自适应谐振补偿常用拓扑结构（见图7），在变压器原边、副边均接入串联的谐振电感和谐振电容，使得反向工作状态与正向工作状态一致。该方案在实船应用中是简单可行的。

3 实船应用

某全电动车客渡船，用于上海长江两岛之间车辆和人员运输摆渡工作。该船设置有620 kWh的超级电容，每天需要充电达20次以上。如采用MW级以上的有线充电方式，需要通过电缆绞车将直流电缆接口连接至渡船上的插座箱，需使用4个400 A、 V直流插座，其中2个插座用于接直流正极、2个插座用于接直流负极。直流插座插拔寿命为次，相当于使用大约7个月就要更换直流接插件。同时需要配置2名工作人员，在渡船靠岸时进行充电接口插拔工作。

面对人员操作疲劳、全天候露天作业安全隐患、充电线缆操作不便等多方面的不足问题，项目组提出采用1.2 MW无线充电系统方案，以增强充电系统和设备的安全性，延长使用寿命。方案中采用机械臂追踪船舶停靠时的位置偏移。

该无线充电系统输入输出电力配置为岸侧（输入）950 V DC母线（？%）、船侧（输出）950 V DC母线（+10%～8%）。船侧最大传输功率 kW，输入侧到输出侧额定工作传输效率大于90%。在船侧浮动较小时，无线充电系统输出全部功率;船侧浮动较大时，无线充电系统限制功率输出。

该无线充电系统在设计时考虑到改变气隙距离，即使与耦合条件范围相对应的位置发生任何变化，系统都具有全功率传输的能力。系统可容忍的偏移具体范围见表2。

系统主要包括线圈、岸侧送电柜、船侧受电柜、机械臂传感器系统及控制系统。原边将直流母线电压变换为交流电给原边线圈供电，副边线圈接收能量后经整流为直流电。系统方案见图8。

线圈是无线充电系统的功率传输部分，其利用电磁耦合通过岸侧发送线圈将能量传输至船侧接收线圈。线圈由绕组、磁芯、屏蔽及防护壳组成，其中绕组部分内部中空使用液体冷却，并采用铝板进行屏蔽处理，防护等级在IP56。散热结构的设计采用电磁场―温度场―流体场耦合仿真;通过对线圈线距进行优化，不宜采用均匀线距方式实现偏移容差。

原边送电柜是无线充电系统的配电核心部分，将直流母线电压变换为交流电给原边线圈供电，在船体波动过程中实现输出稳压和功率传输紧急情况下的相关保护。柜内包含直流断路器、输入端支撑电容、滤波电容、DC/AC逆变器、谐振电容及冷却装置等。

船侧受电柜在副边线圈接收能量后将其整流电路为直流电，并实现输出稳压控制、偏移兼容性控制及功率传输紧急情况下的相关保护功能。

原边线圈安装在X、Y、Z3个轴桁架机械臂上，机械臂进行柔性跟随运动，防止原边和副边线圈进行功率传输时由于船身随水波运动产生偏离而导致传输效率降低。机械臂通过传感器检测X、Y、Z3个方向的偏移，测算出机械臂3个轴需要补偿的距离和速度，由控制器发出控制信号控制桁架机械臂实现自动追踪，使得两个线圈的偏移保持在较小范围内。

控制系统根据负载的功率需求，实现电能传输过程中的稳压及功率控制。控制系统能够在原编和副边线圈发生一定偏移时，实现一定范围内的功率传输，并且在整体系统发生故障时，进行故障报警和保护处理。控制系统为整体系统的稳定运行和可靠性提供保障。原边主控制器和副边控制器采用无线通信传输控制信息。

4 结 语

新能源船舶的电池容量在100～ kWh，充电系统常面临着高温、高湿、高腐蚀性、大负荷冲击等恶劣使用环境。这就要求充电系统具有快速充电能力，充电功率通常在100～ kW。目前快充充电桩最大支持功率仅为250 kW，功率太小，无法满足船用需求。大功率无线充电系统，能弥补有线大功率充电系统的刚性连接、接插件磨损和腐蚀及大功率插头接口操作性不便等缺陷，提高了运营安全性，减少了维护成本。

通过Maxwell软件模拟仿真，核心设备松散耦合变压器的设计满足大功率（1 MW以上）下结构紧凑、散热快、耦合系数高、安全可靠的设计要求。

作为一种非接触式、连接快速便捷的充电方式必将是未来船用充电的发展趋势，且会有广阔的市场应用前景。

参考文献：

[1] 马皓，孙轩. 原副边串联补偿的电压型耦合电能传输系统设计[J]. 中国电机工程学报，2010（15）：48-52.

[2] 周雯琪，马皓，何湘宁.  感应耦合电能传输系统不同补偿拓扑的研究[J]. 电工技术学报，2009（1）：133-139.