張金發(fā)，張仙花，陳學良

(中車長江運輸設備集團有限公司科技開發(fā)分公司車輛研究所，湖北 武漢 430000)

0 引言

無線輸電技術(shù)是支持負載設備以非接觸方式從電源取電的電能輸送技術(shù)。按照實現(xiàn)原理大致可分為微波式、電磁感應耦合式以及磁耦合諧振式(磁共振式)。將無線電能傳輸技術(shù)應用在軌道交通領(lǐng)域中，替代現(xiàn)有接觸供電方式，將供電系統(tǒng)中的電能轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交變磁場，與放置于鐵路貨車底部的能量獲取機構(gòu)感應出同頻交流電，然后通過電能變換裝置轉(zhuǎn)換后，為電機和輔助電源提供能源。非接觸式無線供電系統(tǒng)解決了鐵路貨車無法從電網(wǎng)直接獲取電能的痛點[1]。

1 發(fā)展歷程及國外應用現(xiàn)狀

1.1 無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展歷程

無線輸電技術(shù)通過電磁場或電磁波將電能通過空間傳播的方式輸送到受電端，可實現(xiàn)低功率等級到高功率等級、近距離到遠距離以及低頻段到高頻段的電能傳輸。根據(jù)傳輸原理的不同，主要包括長距離微波或激光無線輸電技術(shù)、中距離磁共振耦合無線輸電技術(shù)、短距離電磁感應耦合無線輸電技術(shù)等。

早在1890年，美國科學家Nikola Tesla就設想了如何進行無線輸電的模型。美國雷聲公司(Raytheon)的布朗(W.C.Brown)在20世紀60年代發(fā)明了整流天線，從而為無線電能能源輸送項目開展實驗室驗證奠定了基礎。經(jīng)過長期的發(fā)展，在用10 kW微波輸電裝置時，可以成功點亮500 m外的LED。20世紀80年代開始，電磁感應耦合短距離無線輸電技術(shù)開始被關(guān)注，并在電動汽車、便攜式電子設備和植入式醫(yī)療電子設備等領(lǐng)域逐步應用。

1.2 無線電能傳輸技術(shù)國外應用現(xiàn)狀

與此同時，該技術(shù)在交通運輸工具、智能家居、醫(yī)學植入電子器件、無線傳感器、無人機、機器人、電力系統(tǒng)、水下應用等不同領(lǐng)域均有應用。

電動汽車、磁懸浮列車、高鐵列車等交通運輸工具屬于磁共振無線輸電技術(shù)。在大功率近距離需求領(lǐng)域的應用，功率等級一般為千瓦級到兆瓦級，傳輸距離在20 cm以內(nèi)。日本東京大學(2009年)、美國Witricity公司(2010年)、日產(chǎn)公司、美國Qualcomm公司(2012年)等研制了千瓦級電動汽車無線充電系統(tǒng)。

無線電能傳輸?shù)难芯浚壳俺思性陔妱悠嚪矫?，還定位于軌道交通、在線監(jiān)測傳感器供電、電力電子器件驅(qū)動及電力系統(tǒng)、人體植入器件、巡檢機器人、無人機、智能家居以及水下應用等應用領(lǐng)域和場景。相信未來，無線電能傳輸系統(tǒng)的應用會拓展到越來越多的領(lǐng)域。

2 國內(nèi)技術(shù)應用現(xiàn)狀

國內(nèi)無線輸電技術(shù)主要有交通運輸工具等大功率近距離應用、智能家居等中等功率中等距離應用、生物醫(yī)學器件微小功率近距離應用、傳感器小功率遠距離應用和電力系統(tǒng)應用等。我國在無線輸電技術(shù)與應用方面，國內(nèi)的研究機構(gòu)仍在朝著新的方向、新的高度不斷探索。

2.1 技術(shù)研究

東南大學的MCRWPT技術(shù)理論率先提到了電動汽車無線充電技術(shù)，以及如何在線控制充電電壓與功率的策略等，同時研制了相關(guān)的系列設備。2013年，成功研制了電動汽車的無線充電系統(tǒng)，在3 kW功率下實現(xiàn)30 cm傳輸距離內(nèi)無線電能輸送的目的。哈爾濱工業(yè)大學、武漢大學、重慶大學、天津工業(yè)大學與華南理工大學在無線輸電技術(shù)方面也取得很大的進度，其輸電距離與效率也得到了提升[2]。

2.2 產(chǎn)業(yè)化

有些城市的多條無線充電公交線路開始使用中興通訊研發(fā)的汽車用大功率無線充電系列產(chǎn)品；2014年起，海爾公司研發(fā)的涵蓋了家電、數(shù)碼、汽車等多個領(lǐng)域的無線產(chǎn)品在多處鋪設了公共無線充電熱點。2020年，WiTricity公司與中國一級供應商也積極展開合作，協(xié)助它們設計并實現(xiàn)符合中國國標的系統(tǒng)。目前，浙江萬安科技股份有限公司(萬安)和安潔無限科技(蘇州)有限公司(安潔)已獲得 WiTricity 公司的技術(shù)和行業(yè)領(lǐng)先的設計授權(quán)，其中包括了異物檢測、位置檢測和通信等關(guān)鍵輔助功能。

雖然我國電動汽車、智能電子、電能輸送和高速列車等領(lǐng)域的WPT技術(shù)研究在理論層面已達到或接近國際先進水平，而且一部分研究成果已經(jīng)達到世界領(lǐng)先水平，但工程實踐相對較少，產(chǎn)業(yè)化的進程與國外存在差距。

3 無線供電在軌道交通領(lǐng)域的研究情況

目前無接觸網(wǎng)電能輸送系統(tǒng)(又名無線供電)主要有4種模式：電磁吸附式供電、地面接觸軌供電、車載儲能式供電以及無線電能傳輸(Wireless power transfer，WPT)系統(tǒng)供電。上述供電方式，更好地滿足了現(xiàn)代城市景觀美化和供電安全雙重保證的要求。阿爾斯通、西門子及龐巴迪等國外軌道交通車輛先驅(qū)者深入開展了無接觸網(wǎng)電能輸送的研究與實踐[3]。

電磁吸附式供電在意大利安薩爾多公司的Tramwave系統(tǒng)中使用地面電源被磁力吸引并與車輛接收裝置接觸以將電力引入車輛。該供電系統(tǒng)在車輛離開有源軌道時，其電源模塊立即掉落，電源同時斷開。雖然確保了乘客的人身安全，但設計與制造難度大，且制造成本較高。

地面接觸軌供電應用在法國阿爾斯通APS系統(tǒng)中，當車輛通過該供電系統(tǒng)的供電軌區(qū)域時，瞬間閉合該區(qū)間所對應控制設備的供電開關(guān)，使得需要供電的車輛與供電設備接觸，而剩余的供電軌一直是接地的狀態(tài)，從而保證了行人安全。但該系統(tǒng)存在基礎設施建設費用高、對設備環(huán)境要求高等缺點。

超級電容(或超級電容與蓄電池混合)供電在德國西門子的Avenio技術(shù)中使用。該模式主要采用了電池等車輛用電能存儲裝置(例如蓄電池等)，取代地面電源設備對運行車輛提供實時電力的形式，從而避免了車輛上部電能輸送接觸網(wǎng)對城市美化、美觀帶來的不利影響。但該系統(tǒng)存在電能存儲裝置采購價格高、自重大、空間需求大和單次充電時間過長的問題。

WPT系統(tǒng)供電在加拿大龐巴迪公司的Primove系統(tǒng)中使用。該模式一般采用在車輛運行線路沿線鋪設電磁感應線圈的方式。車輛運行過程中，這些電磁感應線圈的輸入端輸入高頻交流電，采用電磁感應原理，在合適距離內(nèi)將電能傳遞到接收端。電能被車輛接受后，再通過整流、直流調(diào)壓等轉(zhuǎn)化設備，得到一種可被車輛利用的電能為車輛供電。

以上4種模式中，雖然電磁吸附式和地面接觸軌供電模式對城市美化、美觀帶來的消極影響小，但是存在接觸供電安全及成本高等缺點。車載儲能式供電模式的使用里程基本是固定的，須定時充電才能繼續(xù)行駛，同時也需要考慮車載能量存儲裝置的充電方式。WPT系統(tǒng)屬于非物理接觸式電能傳輸模式，能很好地克服傳統(tǒng)接觸網(wǎng)式供電的缺點，而且WPT系統(tǒng)中的供電設備能偽裝成城市景觀的一部分，對城市美化、美觀帶來的不利影響小，因此，WPT技術(shù)在國外的軌道交通領(lǐng)域中得以快速應用。無線輸電技術(shù)在軌道交通上應用數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 無線輸電技術(shù)應用數(shù)據(jù)

4 無線輸電技術(shù)研究方向

無線輸電技術(shù)在國外的軌道交通領(lǐng)域得以快速發(fā)展，在鐵路貨車中也得到成功應用。國內(nèi)應當在如下無線輸電技術(shù)發(fā)展方面進行研究。

4.1 系統(tǒng)傳輸性能優(yōu)化研究

繼續(xù)研究合適的控制策略降低傳輸距離、供電負載以及線圈參數(shù)對傳輸功率和最大傳輸效率的影響，保證系統(tǒng)最佳的工作狀態(tài)，切實提升無線電能輸送技術(shù)在鐵路貨車領(lǐng)域的可行性。進一步研究多接收端功率及分配策略，兼顧接收端功率分配和系統(tǒng)效率，滿足負載系統(tǒng)按需分配所需功率的同時，達到較高系統(tǒng)效率的要求[4]。

4.2 大功率電源系統(tǒng)研究

設計及研究一種大功率電源系統(tǒng)，做到不僅能擁有足夠的高頻電能轉(zhuǎn)換能力，也能有穩(wěn)定可控的輸出頻率。

4.3 生物電磁輻射安全研究

建立磁耦合無線輸電系統(tǒng)中電磁輻射物理模型，分析電磁輻射的原理，找出更合適的屏蔽電磁輻射的路徑。在保證模塊正常工作的情況下，降低高頻電磁輻射對生物安全的不利影響，從而為無線輸電系統(tǒng)在鐵路貨車領(lǐng)域應用提供基石。

4.4 磁場耦合機理的理論研究

建立電磁場耦合模式下溫度場、電場以及磁場的多物理場模型。綜合分析在大功率充電或中遠距離無線傳能系統(tǒng)傳輸過程中發(fā)生模塊的發(fā)熱和電磁輻射對系統(tǒng)的影響。

4.5 系統(tǒng)動態(tài)模型的建立與行為控制研究

建立精確的系統(tǒng)動態(tài)模型并研究出合適的控制策略，控制系統(tǒng)動態(tài)行為，降低開關(guān)設備的聯(lián)通與斷開、車載電源內(nèi)部電阻的變化等對系統(tǒng)穩(wěn)定性的威脅，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

4.6 超材料應用技術(shù)研究

利用超材料在能量傳輸過程的優(yōu)異性能，研究超材料技術(shù)在鐵路貨車無線供電系統(tǒng)中的應用，從而大幅度降低無線電能輸送的損耗、提高傳統(tǒng)磁共振無線供電傳輸效率和增大傳輸距離[6]。