《电动汽车动态无线电能传输技术和应用进展》
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摘 要：本文先是简要介绍了动态无线电能传输系统在体重、功率、水平偏移量以及成本等诸多指标上的发展状况以及电动汽车商业化应用进展,然后比较了国内外几个重要研究机构在道路动力电动汽车系统参数和特性方面的技术研究进展,以期对电动汽车相关技术研究有所帮助.
关键词：电动汽车;技术研究;进展
伴随着生态环境保护政策压力和新能源技术迅速发展带来的新机遇,各大汽车厂商设计研发了各式各样的电动汽车并及时推向市场,包括纯电动、混合动力、道路动力等类型电动汽车.电池相关技术一直是制约电动汽车技术发展和商业化应用的最大障碍,近几年出现的极速快充技术（充电时间小于5分钟）由于技术稳定可靠、成本较低可控成为广受市场青睐的电池技术.无线电能传输技术采用无线式电能传输设备,其结构简单、安装及维护简便,而且安全性较高,因此无线式道路动力电动汽车（RPEV）具有很强的发展前景.
RPEV能够实现汽车行进时直接获取动力能量,无需电池电能存储.该技术的原理是据安倍定则和电磁感应定律可以知道,行驶中的汽车能量接收装置与路面发射装置产生电磁感应、产生电流用来充电或为电机直接供电.该技术的商业化难点在于如何将能量安全且高效地从路面传送给汽车.
路面轨道能量传输技术起源于美国Lawrence Berkeley实验室,后续经过新西兰、德国、韩国、英国、意大利等多个国家研究团队持续从该项技术的各个方面进行专注研究,使得该项技术不断发展进步.美国密歇根大学后来设计并制作了基于一次侧多LCC谐振并联无功补偿技术的试验样机.国内要数重庆大学最先开展WPT相关技术研究,提出了分段控制轨道式技术;天津工业大学和哈尔滨工业大学分别提出基于磁耦合諧振技术和多一次侧绕组并联技术.
1 电磁感应电动汽车技术研究现状
直到二十世纪八十年代无线电能传输技术才收到研究者的关注,其原理是在电磁感应耦合基础上发展而来的,能够实现20厘米范围内进行高效率电能传输.
1.1 动态在线供电技术与静态无线电能传输技术
动态在线供电技术以韩国KAIST研究团队为代表,从2009年提出第一代概念汽车到在首尔大公园进行大量实验仅用了半年时间,到2012年将OLEV巴士部署到KAIST校园和丽水世博试运行,近期已经在48公里线路上商业化.第4代OLEV技术提出了设备装置模块化概念,到第5代装置宽度仅有4厘米实现在20厘米距离内传送22kW电能,水平偏移量可以高达30厘米.此方案优势在于安装方便、无需铺设多余电线,但其需要较大激磁电流、漏感以及反电动势、接收效率等仍然是亟需进一步优化.
工业大学采用静态WPT等效电路原理部署安装了在13.5厘米距离内,工作频率85kHz情况下输出3kW电能,传输效率高达82%.但该方案虽然能应用到动态系统,但高速行驶会产生高能量波动以及部署成本高、难度大问题.
1.2 动态电动汽车无线供电系统
为了解决在线供电系统电能使用效率低的情况,重庆大学研究团队研制了基于高压传输、低压激励的电能发射线圈输电方案,该方案能够实现70米远距离传输电能,但其中的电磁干扰辐射影响问题仍需继续优化,而且也存在组合线圈铺设成本高、电能传输功率不稳定等问题.
2 磁耦合谐振式电动汽车研究现状
利用磁耦合谐振原理将电磁场作为无线电能传输没接具有非辐射和高效率的优势、传输距离也能大幅提高.虽然该技术刚起步,且存在较多关键技术问题未解决,但因远距离传输和磁辐射安全等优势在生物医学、智慧交通以及电子消费市场前景一片大好.
2.1 一次侧多发射线圈电容串联结构
为了精简WPT装置,美国橡树岭国家实验室（ORNL）采用一侧多发射线圈电容串联装置,在20kHz频率情况下实现了2.2kW能量,传输效率达到了74%,实验期间还通过加铝将电磁辐射降到ICRIP标准以下.该方案具有广泛适用性但转化灵敏度、能量分配以及长距离铺设问题仍需进一步研究.与此类似美国密歇根大学提出了一次侧多LCC谐振结构并联无功补偿设计方案给EV动态供电,但该方案忽视了耦合多变以及电池问题,而且由于LLC拓扑模式匹配难度大导致成本增高.
2.2 多级绕组并联无线电能传输技术
哈尔滨工业大学基于一次侧多绕组并联分段供电方案研发了多级绕组并联无线电能传输技术方案,能够实现在20厘米范围内58kHz频率下实现1.6kW功率,传输效率达到60%左右,但仍需要继续优化装置耦合设备、提高功率和传输效率.
2.3 分组周期串联螺旋耦合技术
分组周期串联螺旋耦合技术是一种新型WPT技术,采用分离式结构,由天津工业大学提出并进行了样机试验.该方案虽然电能传输稳定、效率较同类技术高,但整体效率仍然较低,磁屏蔽措施仍需进一步细化研究.
3 无线电能传输技术对比研究
本文主要研究了比较主流的5种无线电能传输技术,对比了传输性能、安全以及成本等方面参数,可以得出工作频率提高会影响功率及器件性能高低.耦合线圈组合、磁场感应以及导轨设置都会影响电能高效传输和分配.市场上对动态无线供电设备的需求仍然表现在长远距离、高效功率传输,电磁辐射安全以及小体积、低成本方面.
本文主要讲述了动态无线电能传输技术研究进展,介绍了国内外几个重要研究团队对RPEV输电技术的研究成果以及优势劣势.当前商业方面对无人驾驶、辅助驾驶等技术需求较大,正是WPT模式电动汽车发展的机遇期,而动态WPT技术不但设计复杂度高,而且试验要求也更为严格.世界范围内的研究团队积极响应商业需求,纷纷提出了RPEV技术解决方案并持续进行深入研发和实验验证,大大促进了WPT技术发展和进步.RPEV技术在进一步结合太阳能卫星电站、无人驾驶等新兴技术必将深刻地改变人们的生活方式.
作者简介：徐冰（1988-）,男,安徽人,硕士,工程师,研究方向：轮式车辆总体及驱动技术.
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