电动汽车分段式动态无线供电系统研究

0 引言

动态无线供电方式是通过埋设在地下的线圈轨道为运动中的电动汽车不间断的提供电能，从而实现动态无线充电。该技术的实现可以极大地减轻电池技术对电动汽车的制约，实现车辆在行驶中充电，保证车辆能源供给的不间断，理想情况下可不需要电池的供能，从根本上解决行驶里程短及车辆充电时间较长的问题

。目前国内外关于动态无线电能传输的研究主要集中在耦合机构设计、电能变换装置设计、补偿网络优化、系统建模理论研究等方面。奥克兰大学自本世纪初开始一直致力于动态无线供电系统相关理论的研究，提出了导轨式单匝长线圈的无线电能传输模型。同时，其还与德国康稳公司共同合作研制出一种输出功率为 30kW 的动态无线大巴供电系统

。

相较于国外，国内对无线电能传输的研究起步较晚。2015 年重庆大学在广西南宁建成了长度为50m 的电动车不停车动态无线充电示范系统

。2018年重庆大学与东南大学合作在江苏同里，建设了动态无线传输功率为 11kW 的示范系统，该系统实现动态无线充电、无人驾驶与路面光伏发电三者的可靠结合

。

最终将城市化系统分解为人口城市化、空间城市化、经济城市化和社会城市化4个子系统，共有14项指标来表征湖南省城市化系统综合情况。引入PSR模型将生态环境系统分成生态环境压力、生态环境状态、生态环境响应3个子系统；具体有废污水排放量、人均水资源量等14项指标，见表1。

1 系统设计与建模

本文研究的对象为基于磁耦合谐振原理的分段式动态无线供电系统 (Dynamic Wireless Power Transfer，DWPT)。DWPT 的系统模型如图 1所示，由图 1可知，DWPT 系统总体上可分为无线发射装置和无线接收装置。无线发射装置即电网电压进行一系列初级电能变换，并通过发射导轨产生高频磁场，进而传递电能。车载能量拾取线圈接收通过高频磁场传来的电能，再经过整流模块及直流调压等能量变换模块处理后对车载电池和电机进行充电。而其发射和接收线圈通过各自的补偿网络和谐振网络使其在相同频率下发生谐振，从而使两线圈共振传输能量。

1.1 动态无线充电小车与轨道的设计

充电小车主要由法拉电容模组、直流调压模块、电机驱动模块、主控模块、寻迹模块、减速电机、能量接收装置等部分组成，其系统结构如图 2 所示。

无线供电轨道系统由能量发射装置、线圈切换装置、车辆位置检测装置、主控模块等部分组成，其系统结构如图 3所示。

由于不同类型的车辆有不同的功率需求，为了更有效地传递能量，对于小型车辆设置 1 个接收系统，大型车辆设置 2-3 个车载能量接收系统，因此无线供电系统的模型将不再是单一的一个发射系统对应一个接收系统的供电模式，还可能出现一个发射系统对应多个接收系统的供电模式，以及两个发射系统对应多个接收系统的供电模式。本文拟建立一个发射线圈与一个接收线圈相耦合的一对一供电模型、以及类似的一对二供电模型等。

1.2 基于补偿网络的多种耦合供能模型的建模

得到耦合系数与归一化功率和效率间的关系，如图6 所示。

目前，补偿网络可根据系统的要求通过串并单个电容或串并电容电感组合而成。最基本的补偿网络通过单个电容实现，根据电容在系统中的不同位置可分为串-串(Series-Series，S-S)补偿、串-并(Series-Parallel，S-P)补偿、并-串(Parallel-Series，P-S)补偿、并-并(Parallel- Parallel，P-P)补偿，如图 4所示。图 4中的各种标号所表示的含义如表 1所示。

空间趋近化指ODC在物理空间上逐渐侵入IDC的识解过程，具体分为六种语法词汇项目：名词词组被识解为IDC元素，名词词组被识解为ODC元素，移位动词词组和指向动词词组被识解为ODC向IDC移动的标记，行动动词词组被识解为ODC对IDC施加影响的标记，名词词组指示ODC对IDC影响的预期，以及名词词组指示ODC对IDC影响的结果（Cap 2013：105-109）。

(1

1)

=8

π

(1

2)

经化简计算可得

文献[5]根据基波等效法，在忽略整流逆变器的寄生电阻，即

=0的情况下，

和

可表示为式(1

1)(1

2)的形式。

1.2.2 耦合机构多种供能模型的建模研究

2) 在B、E两点同时发生串扰时，CW与CCW的相位差为2lBEΔβ，与主波列的相位差均为lBEΔβ，显然与主波不相干，产生强度型偏振误差，引起的陀螺输出误差在10-7°/h左右.

对民事诉讼中法律监督的忧虑主要是其可能有损审判机关的独立审判，至少是有损于“审判权在法制运作方面的优越地位。”［1］379这是质疑法律监督介入民事诉讼、甚至主张在民事诉讼中取消法律监督的最基础的理由。在此理由之上衍生出的种种阐释，不断地放大着对民事诉讼中法律监督的忧虑。仿佛只要法律监督介入了民事诉讼，审判机关在民事诉讼中的独立地位便荡然无存。而审判独立原则是法治的起点［1］460，在民事诉讼中引入法律监督将使法治“输在起跑线上”，这无疑会导致令人惊恐的忧虑。

2 仿真

当系统为一对一供电模型基本模型的简化电路模型如图 5 所示。

法可依，有据可循。转移支付立法也要跟上，进一步科学界定专项转移支付和一般转移支付的内涵，真正发挥专项转移支付宏观调控的作用，同时发挥一般性转移支付弥补地方一般性公共支出的作用。推进转移支付的立法能够真正规范转移支付制度，也能真正在财政资金转移的过程中，将事权和支出责任下沉的渠道关闭。最后，还应及时探究并推进政府破产法，这是中央和地方财政关系重要的一环，地方财政发生重大危机，中央政府究竟怎么选择？如何把中央不救助原则落到实处？只有破除地方政府对中央政府的依赖性，才能够有效促进地方政府发债的合理性和规范性。■

当耦合机构不同时，耦合系数与负载电阻将会对系统性能产生影响。

图中Iin 为耦合机构输入电流，Ip 为发射线圈输入电流，Is 为流过接收线圈电流，Io 为耦合机构的输出电流。根据互感理论，可列写出系统的电路方程式(2.1)：

(2

1)

(2

2)

文献[6]给出了不考虑线圈寄生电阻时补偿电容 Cp 情况下的计算公式，并得出在 SP 补偿、PS 补偿、PP 补偿中 Cp 的确定与互感系数 M 和负载电阻

有关，在 DWPT 系统中互感系数会随着车辆的运动而出现波动，这就要求在使用这三种补偿网络时补偿电容 Cp 必须要实时的变动以满足系统谐振的要求，这对系统的控制提出了更高的要求，增大了系统复杂性。而 SS 补偿只与系统谐振频率及发射线圈自感有关，在确定了系统参数后，Cp 的值即可被确定且在系统运行中不会发生变动，对简化系统有一定的帮助。故本文选择 S-S 补偿作为谐振补偿网络。

(2

3)

2.1 系统特性与耦合系数的关系

1.2.1 基本补偿网络的设计

后记：在本讲义编写中，贺少鹏提交了第一节的文稿并提供同济大学的“QSAR模型内部和外部验证方法综述”等3篇资料。笔者2017年已欣然为贺少鹏写推荐信，现其正在此领域选题攻读在职博士。

对于多种耦合机构的模型，利用相同的仿真原理，经对一对一、一对二等四种模型的仿真分析，得到当耦合系数k1(或耦合系数 k2)为 0 时，功率、效率与耦合系数间的关系同一对一模型中的曲线相似，当k1+k2 的和在 0.08 附近时可以保持系统的总功率维持在最大值，且系统效率在 40%-50%左右，但当k1+k2 的值偏离最优值时功率会发生较大波动，所以想要保持系统的稳定，可以通过维持 k1+k2 基本不变来实现。

2.2 系统特性与负载电阻的关系

对于负载电阻对系统传输特性的影响，同样取系统参数。使用 Matlab 软件绘制出系统功率和效率与负载电阻的变化关系如图 7 所示。

同样对一对二，二对一，二对二模型的仿真分析得到功率和效率都随负载先增大后减小，且在功率最大值点附近负载变化对功率的影响较小。当耦合系数设置为 0.1 时，效率的最大值只有 80%左右，且效率最大时功率较小，负载变化会引起效率出现较大波动。与图 7 所表现出的现象一样，功率和效率无法同时达到最优，实际应用中只能选着某一指标进行最优化控制。

于是立刻我们就加倍的努力，正在吹笛子的把笛子吹得特别响，把笛膜振抖得似乎就要爆裂了似的滋滋地叫着。十岁的弟弟在吹口琴，他摇着头，好像要把那口琴吞下去似的，至于他吹的是什么调子，已经是没有人留意了。在大家忽然来了勇气的时候，似乎只需要这种胡闹。

3 实验验证

通过以上分析，研制出了动态无线供电系统，其整体实物如图 8 所示。

在联合测试下，测试效果如图 9 所示。小车驶过压力传感器时，传感器触发0，轨道下埋设的发射线圈得电，接收线圈接收到传输来的电能，对小车进行充电。当车辆行进间触发图 9 中的第三个传感器时，对应的传感器触发指示灯亮，同时无线接收模块工作指示灯亮，表明车辆正在行进间充电工作。实验结果表明小车可以正常寻迹，可以正常触发传感器实现发射装置的切换，验证了系统的切换策略的可行性有效性。

4 结论

动态无线充电系统的研究与推广具有十分重要的意义，本文针对发射、接收线圈在不同耦合位置时耦合系数及负载电阻对系统功率和效率的影响以及发射装置的切换问题，通过模型分析、实物验证的方式，检验了系统的可靠性和可行性。

[1]Vilathgamuwa D M , Sampath J. Wireless Power Transfer (WPT) for Electric Vehicles (EVs)—Present and Future Trends[J]. Springer Singapore,2015:33-60.

[2]白啸东. 电动汽车动态无线充电系统的设计与实现[D]. 天津工业大学, 2018.

[3]电动车无线充 / 供电系统 - 重庆大学 无线电能传输技术研究所 [EB/OL].http://www.wptchina.com.cn/ReadNews.asp?rid=1367.

[4]我所研发的电动车动态无线充电示范系统在苏州亮相-重庆大学无线电能传输技术 研究所[EB/OL].http://www.wptchina.com.cn/ReadNews.asp?rid=1797.

[5]Steigerwald R L. A comparison of half-bridge resonant converter topologies[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1988, 3(2):P.174-182.

[6]Shevchenko V , Husev O , Strzelecki R , et al. Compensation Topologies in IPT Systems: Standards, Requirements, Classification, Analysis, Comparison and Application[J]. IEEE Access, 2019:559 - 580.