李玉琴　謝金媚

摘 要：近些年來，我國社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定且持續(xù)的增長，提高了社會公眾的生活水平，為了更進(jìn)一步鞏固人們的生活質(zhì)量，國內(nèi)逐漸開始研發(fā)電動汽車高效率無線充電技術(shù)，并廣泛投入到社會各階層進(jìn)行使用，造福人民，同時為生產(chǎn)加工及制造領(lǐng)域提供全新的生產(chǎn)技術(shù)依據(jù)。隨著無線充電技術(shù)的出現(xiàn)，推動了新能源汽車的進(jìn)一步創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：電動汽車 高效率 無線充電 技術(shù)研究

Research on High-efficiency Wireless Charging Technology for Electric Vehicles

Li Yuqin，Xie Jinmei

Abstract：In recent years， China’s social economy has been growing steadily and continuously， which has improved the public’s living standards. In order to further consolidate people’s quality of life， the country has gradually begun to develop high-efficiency wireless charging technology for electric vehicles， and has been widely invested in all sectors of society. And at the same time the article provides a new production technology basis for production， processing and manufacturing. The emergence of wireless charging technology further promoted the innovations in new energy vehicles.

Key words：electric vehicle， high efficiency， wireless charging， technology research

1 引言

電動汽車高效率無線充電技術(shù)的應(yīng)用造福了社會公眾的日常生活，進(jìn)一步提升了人們的生活質(zhì)量，為人們提供更優(yōu)質(zhì)的生活條件，電動汽車高效率無線充電技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用同時也為人們提供更多的就業(yè)機(jī)會。

2 簡述電動汽車無線充電技術(shù)

2.1 電動汽車無線充電技術(shù)研發(fā)背景

社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展造福人民，提高人們的平均收支水平，但同時也嚴(yán)重破壞了國內(nèi)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，不利于我國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。為了更進(jìn)一步的節(jié)約自然資源，降低對生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的污染，國內(nèi)環(huán)保機(jī)構(gòu)提出“電動汽車”這一概念，并聯(lián)合生產(chǎn)、加工及制造領(lǐng)域共同研發(fā)出高效率無線充電技術(shù)，減少了出行旅游對普通汽車的使用率[1]。

在電動汽車的實(shí)際應(yīng)用過程中，由于充電條件的客觀因素限制，因此造成了使用不方便等問題。為了促進(jìn)電動汽車在當(dāng)前社會中的便捷應(yīng)用，必須研發(fā)全新的電氣動車充電技術(shù)，基于此，無線充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著無線充電技術(shù)在社會中的普及應(yīng)用，為電動汽車在國內(nèi)的廣泛使用提供了良好的環(huán)境，同時也推動了汽車相關(guān)生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

2.2 電動汽車無線充電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

目前為止，我國可持續(xù)發(fā)展仍然處于落實(shí)階段，為了更進(jìn)一步推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展理念在當(dāng)前社會中的深入滲透，電動汽車及其無線充電技術(shù)的應(yīng)用勢在必行。隨著有關(guān)機(jī)構(gòu)對電動汽車的研究愈發(fā)全面，電動汽車的充電方式呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢，現(xiàn)階段，電動汽車無線充電技術(shù)的形式主要包括充電樁、更換電池組以及直流快充等等[2]。

當(dāng)然，任何事情均有兩面性，電動汽車無線充電技術(shù)亦是如此。為了能夠全面發(fā)揮出電動汽車有線及無線充電技術(shù)的優(yōu)勢，有關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)認(rèn)真且全面的剖析電動汽車的應(yīng)用途徑及其與有線及無線充電技術(shù)的契合度。有線充電技術(shù)包括一次性轉(zhuǎn)換能源、電能損耗小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，而無線充電技術(shù)則包括方便快捷、安全性高、無接觸損耗等優(yōu)勢。

3 國內(nèi)外有關(guān)電動汽車高效率無線充電技術(shù)的研究現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)電動汽車高效率無線充電技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著社會發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的破壞程度越來越高，人們對有關(guān)新能源的研發(fā)制造也愈發(fā)關(guān)注，尤其是電動汽車的無線充電技術(shù)應(yīng)用。近些年來，國內(nèi)科研組織相繼開展了對無線電能傳輸技術(shù)的研究與應(yīng)用工作。為了表示對新能源事業(yè)的高度重視，中國科協(xié)于2017年在沈陽舉辦了“中國國際電動汽車會議”的學(xué)術(shù)沙龍[3]。

縱觀中國科學(xué)史，這是國內(nèi)第一次舉辦有關(guān)無線電能傳輸領(lǐng)域的學(xué)術(shù)會議，在接下來的幾年里，國內(nèi)又相繼在重慶、貴陽、南京、武漢等一線城市舉辦了有關(guān)無線電能傳輸技術(shù)的學(xué)術(shù)會議，旨在深入且全面的研究關(guān)于無線電能傳輸?shù)募夹g(shù)要點(diǎn)，不僅針對電動汽車而言，同時也為其他生產(chǎn)制造領(lǐng)域提供堅(jiān)實(shí)可靠、實(shí)用性強(qiáng)的全新加工工藝。

3.2 國外電動汽車高效率無線充電技術(shù)研究現(xiàn)狀

部分先進(jìn)的西方國家對電動汽車無線充電技術(shù)早已落實(shí)研發(fā)，例如美國、德國、日本等等，現(xiàn)如今，部分西方國家已經(jīng)掌握了相對成熟的無線電能傳輸技術(shù)，并對其技術(shù)核心實(shí)施嚴(yán)格的保密工作，這也充分證實(shí)了無線電能傳輸技術(shù)對國家整體發(fā)展的重要意義。早在20世紀(jì)初期，新西蘭、日本、美國以及韓國等國家就對電動汽車高效率無線充電技術(shù)難點(diǎn)展開研究。

首先是美國的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室，早期對高效率無線充電技術(shù)的耦合機(jī)構(gòu)、傳輸特征、介質(zhì)損耗以及電磁輻射等展開較為深入的研究，并將研究結(jié)果嘗試應(yīng)用在實(shí)際發(fā)展當(dāng)中。其次是日本東京大學(xué)，日本在20世紀(jì)初期就提出了基于直流/直流變換器的副邊最大效率控制方法，這可能是目前為止國際范圍內(nèi)最高效的電流轉(zhuǎn)換控制方式。

4 電動汽車高效率無線充電技術(shù)研究中的重點(diǎn)項(xiàng)目

4.1 磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

目前為止，國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出分立式連續(xù)單線圈結(jié)構(gòu)、矩形長線圈型以及雙磁極型無線供電導(dǎo)軌技術(shù)，為無線電能傳輸領(lǐng)域的研發(fā)工作提供堅(jiān)實(shí)有力的技術(shù)依據(jù)，同時也保障了研究所得數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性，這也足以證明磁耦合機(jī)構(gòu)的重要性。受到新技術(shù)與新理念的支撐，國內(nèi)最近新研發(fā)出一種三相交流激勵能量發(fā)射導(dǎo)軌以及Quadrature-type接收端這種磁耦合機(jī)構(gòu)可有效消除三項(xiàng)交流電之間的交叉耦合，同時大幅提高能量拾取機(jī)構(gòu)橫向偏移的可容忍程度。

基于新時代的發(fā)展需求，除了長線圈型供電導(dǎo)軌之外，國內(nèi)市場又自主研發(fā)了雙磁極型供電導(dǎo)軌模式，擴(kuò)充了電動汽車高效率無線充電技術(shù)的研究內(nèi)容，從實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的無線充電技術(shù)。外界因素對雙磁極型供電導(dǎo)軌的影響不大，但是其本身的磁場分布不均勻，存在耦合系數(shù)零點(diǎn)，且成制造成本相對較高。雖然如此，但是雙磁極供電導(dǎo)軌的優(yōu)勢也很多，例如功率密度高、尺寸緊湊、不受場地影響、側(cè)移適應(yīng)性強(qiáng)、施工難度小以及暴露水平地等等。

4.2 能量傳輸魯棒控制技術(shù)

能量傳輸魯棒控制技術(shù)是無線充電技術(shù)中的要點(diǎn)之一，也是有關(guān)無線電能傳輸領(lǐng)域中的關(guān)鍵研究項(xiàng)目，因此應(yīng)充分重視能量傳輸魯棒控制技術(shù)的研發(fā)工作，盡可能為其提供全面且足夠的數(shù)據(jù)資料，支撐其實(shí)現(xiàn)多元化、高效化發(fā)展。東京大學(xué)采用副邊控制策略，在整流電路后加入Buck變換器，利用狀態(tài)空間平均法建立小信號模型，基于極配置法設(shè)計(jì)比例-積分（PI）控制器，實(shí)現(xiàn)恒功率或最大功率的穩(wěn)定控制。

在研究高效無線電能傳輸技術(shù)的過程當(dāng)中，魯棒控制是關(guān)鍵點(diǎn)，而在落實(shí)魯棒控制研究工作時，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)所采用的驗(yàn)算方式“各有千秋”。通過觀察，多數(shù)的國外研究機(jī)構(gòu)通常采用PI控制算法，且控制參數(shù)一般通過極點(diǎn)配置法進(jìn)行自主選取，該方法的優(yōu)勢是相對簡單且易于實(shí)現(xiàn)，演算結(jié)果的準(zhǔn)確性與可信程度也相對較高。

4.3 電磁兼容技術(shù)

目前的無線電能傳輸均是通過高頻的強(qiáng)磁場實(shí)現(xiàn)傳輸功能，由于電磁環(huán)境的復(fù)雜程度較高，且需要實(shí)現(xiàn)較高的傳輸頻率，因此電磁兼容設(shè)計(jì)成為無線電能傳輸?shù)闹攸c(diǎn)研究項(xiàng)目。首先，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)需要做的就是持續(xù)優(yōu)化電磁兼容的設(shè)計(jì)思路，提高無線電能傳輸?shù)男?，其次就是確保無線電能傳輸?shù)陌踩|(zhì)量，減少無線電能傳輸過程中的人員接觸。

當(dāng)前的電磁兼容設(shè)計(jì)主要包括磁屏蔽設(shè)計(jì)、頻率配置、接地設(shè)計(jì)、剩磁設(shè)計(jì)、軟件抗干擾設(shè)計(jì)等等，而在設(shè)計(jì)過程中，工作人員同時需要注意無線電能傳輸?shù)碾姶鸥蓴_因素，這些干擾因素大致可分為兩種，一種是主動屏蔽，另一種則是被動屏蔽，顧名思義兩者的屏蔽主體恰好相反，因此設(shè)計(jì)人言在優(yōu)化思路時應(yīng)注意區(qū)分兩種電磁干擾的因素類別。

4.4 多導(dǎo)軌充電技術(shù)

近些年來，國內(nèi)對電動汽車高效率無線充電技術(shù)的研究愈發(fā)深入，且對其中多導(dǎo)軌充電概念也展開了全面研究。截至目前，電動汽車無線供電系統(tǒng)的導(dǎo)軌模式主要包括單級導(dǎo)軌模式以及多級導(dǎo)軌模式。對于單級導(dǎo)軌模式而言，初級回路是基礎(chǔ)，同時只有相應(yīng)的一條導(dǎo)軌和一套初級電能變換裝置;對于多級導(dǎo)軌模式而言，初級回路中就增加了多段導(dǎo)軌。

多級導(dǎo)軌供電同時存在兩種電能傳輸形式，一種是單層多級導(dǎo)軌供電模式，而另一種則是復(fù)雜程度相對較高的雙層多級導(dǎo)軌供電模式。在前者運(yùn)作的過程中，系統(tǒng)供電導(dǎo)軌基本上被切分為N段導(dǎo)軌，每段導(dǎo)軌均會配備獨(dú)立的變換裝置、諧振補(bǔ)償裝置等等;而在后者的運(yùn)作過程中，以單層多級導(dǎo)軌供電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將N段導(dǎo)軌進(jìn)行完善，形成N個導(dǎo)軌組。

較之單層多級導(dǎo)軌供電系統(tǒng)，雙層多級導(dǎo)軌供電系統(tǒng)的運(yùn)作效率高，穩(wěn)定性更強(qiáng)，安全質(zhì)量更高，有效減少了各段導(dǎo)軌之間的不良接觸，避免發(fā)生電流紊亂等問題的發(fā)生。雙層多級導(dǎo)軌供電模式具備分時分段供電、降低系統(tǒng)電能損耗、提高電能傳輸效率、易于維護(hù)控制、減少電能轉(zhuǎn)換裝置、降低電子器件要求以及降低參數(shù)變化敏感度等技術(shù)優(yōu)勢。

5 結(jié)語

經(jīng)濟(jì)的增長不僅造福于民，同時也對自然生態(tài)造成損壞，因此應(yīng)在兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時實(shí)現(xiàn)對生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，故而對傳統(tǒng)燃油汽車的減量勢在必行，而全新的電動汽車將成為國內(nèi)汽車制造業(yè)的全新發(fā)展趨勢。

項(xiàng)目名稱：電動汽車無線充電技術(shù)可行性研究;項(xiàng)目來源：2020年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目;項(xiàng)目編號：2020KY66010。

參考文獻(xiàn)：

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