学术简报｜电动汽车动态无线供电系统电能耦合机构与切换控制研究
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天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室、中国电力科学研究院的研究人员张献、王杰、杨庆新、魏斌、王松岑，在2019年第15期《电工技术学报》上撰文，针对电动汽车动态无线供电系统中电能耦合机构间传输效率与接收电流的波动性问题，推导了系统传输效率函数，并通过分析控制方式得到了原边线圈电流与系统切换控制之间的关系；进而提出了一种具有自检测步进切换功能的发射端控制策略和车载三线圈接收结构；最后构建了5kW动态无线供电系统模拟平台，通过实验验证了该结构能够有效减小系统传输效率和接收电流的波动。
近年来，随着无线电能传输技术的不断发展，该技术在电动汽车行业中的应用地位越发凸显，各国科研机构与各大车企开始研究电动汽车无线充电技术。无线充电技术以其运行安全、灵活便捷和低维护成本等优点，受到广泛关注，是未来电动汽车供电技术的发展趋势之一。
电动汽车无线充电技术可以分为静态和动态两种。电动汽车静态无线充电技术指在定点区域铺设发射线圈，将电网的电能传输到带有接收线圈的电动汽车，这种充电技术相比较传统的有线充电技术具有充电方式灵活、安全性高、无人值守等优势。但动态无线充电技术对于电动汽车行业的应用来说有更强的优势，如续航里程长、车载电池携带量小等。为此，各国开始研究电动汽车动态无线充电技术。
新西兰奥克兰大学与德国康稳公司合作研制出世界上第一台无线充电的电动汽车，功率等级为30kW，与此同时还研制出功率等级为100kW、轨道长为400m的无线供电样机。韩国高等科学技术学院展开了在线电动汽车移动式无线充电项目，对其电动汽车在移动过程的系统能量传输效率、电能耦合机构的间距等热点问题进行了深入研究，并于2015年在韩国南部龟尾市建立了一条12km长的电动汽车动态供电示范工程，可以为路上行驶的电动公交车供电。美国橡树岭国家实验室（ORNL）等单位也都展开了相应的研究。
我国在电动汽车动态无线充电技术的研究与国外相比较晚。重庆大学针对电动汽车动态无线充电系统中的传输损耗问题，设计了一种高压传输-低压激励的高效配电方案，并探讨了电能耦合机构分段连续切换方法。
为解决分段导轨在切换过程中产生的尖峰电流对电力电子器件的冲击问题和在发射线圈采用分段导轨形式的电动汽车无线供电系统中线圈切换时存在的互感急剧下降及汽车位置检测困难的问题，重庆大学提出了一种基于能量自由振荡模式的电动汽车无线供电导轨切换方法，实现了供电导轨的软切换，还提出了一种对嵌式电能发射线圈以及双线圈式车体位置检测传感器。
哈尔滨工业大学对电能耦合机构、控制策略、电磁兼容等方面展开了研究，并介绍了动态无线充电技术瓶颈问题的前期研究工作，利用互感耦合模型对电能耦合机构进行了电路分析，通过仿真对电动汽车动态充电系统进行了暂态分析，提出了基于磁场强度检测的接收端定位方法。
华中科技大学对电动汽车动态无线供电系统能量传输过程中原边线圈的供电管理问题进行了深入的探讨，提出了一种基于副边主动激励探测的具有分散控制逻辑的接力方法，保证只对提出无线充电请求的电动汽车下方的原边线圈激励，实现了精准定位和局域供电，并针对动态无线充电过程中系统传输功率容易随横向偏移距离变化而急剧变化的问题，提出了一次侧补偿拓扑，增强了系统的抗偏移能力。
天津工业大学针对电动汽车无线充电技术中充电电池体积大、充电时间长、续航能力不足等问题，提出了一套发射线圈可选择性开断的电动汽车动态充电方案，通过探讨系统电能传输效率与各参数之间的关系，得到了系统传输效率的变化规律。并针对电能耦合机构近距离、弱偏移的特点，结合谐振耦合式结构易受干扰的问题，提出了紧-强耦合协同工作机构；针对应用于高铁的动态无线充电技术，提出了一种可调发射端功率因数的驱动器频率同步跟踪发射线圈固有频率的频率跟踪控制技术，确保系统工作在最佳功率因数角下的谐振状态，有效地提升了系统的输电效率。
本文针对电动汽车动态无线供电系统供电过程中传输效率的波动和接收电流的波动问题，提出了一种具有自检测步进切换功能矩形发射端和车载三线圈接收端结构，根据电动汽车动态充电的充电特性，对原边逆变电压与电流加以分析，提出发射端线圈的控制策略；建立其车载三线圈接收端结构模型，通过实验分析，可得出该车载多重线圈拾取电能结构能够有效减小电能耦合机构间的耦合系数k、系统传输效率、接收端电压与电流随电动汽车前进过程中的波动。
图2 电动汽车动态无线供电系统整体结构
图9 动态无线供电仿真模型
图11 电动汽车动态无线供电系统实验平台
图12 电能传输线圈内部结构
本文针对电动汽车动态无线供电过程中，电能耦合机构间耦合系数、车载接收端电流电压、以及系统传输效率的波动问题，通过分析电动汽车动态无线供电过程中供电特性，提出了一种具有自检测步进切换功能的矩形发射端控制策略。
该方案能够在电动汽车行进过程中实现发射端的自检测与切换功能。构建了功率等级为5kW，轴向间距为13cm，发射线圈间距30cm的电动汽车动态无线供电实验平台，分析了电动汽车动态无线供电系统中对动态传输效率的影响因素，提出了三线圈车载接收端结构。
通过实验验证了该方法的有效性，在很大程度上提高了耦合机构间的动态耦合系数，传输效率最低点提升了36.9%，最大效率点提升了41.9%。验证了该方案的可行性。