0 引言

近年来电动汽车产业发展迅速,续航里程是电动汽车发展最受关注的性能之一,提升动力电池容量、缩短充电时间是常规采用的技术方向,相比燃油车而言,续航里程以及能量补给时间等方面还存在一定的差距。

电动汽车移动式无线充电技术利用磁耦合无线充电原理,在路面下层铺设供电导轨,当安装有受电装置的车辆经过此路段时,电能经供电导轨以电磁场为媒介持续不断地传输给车载电机或电池组,实现电动汽车“边走边充”。移动式无线充电技术可减轻车载电池组重量,延长续航里程,利用现有的公路资源有效缓解电动汽车对充电时间和空间的需求。

从无线充电技术应用场景而言,相对于移动式无线充电的是静态无线充电技术,目前国内外科研机构和汽车厂家都在研发生产静态无线充电系统,部分汽车厂已发布前装无线充电系统的车型。但对于移动式无线充电技术的研究特别是工程应用还处于起步阶段,工程应用中电能传输效率、传输功率、电磁兼容等关键技术与瓶颈问题仍亟待解决。

为此,本文首先对该技术的国内外研究和工程应用现状进行概述,以电动汽车无线充电路段建设、示范运行、测试评估为目标,研究电动汽车路段移动式无线充电系统关键技术及装置,建设一条百米级的电动汽车移动式无线充电试验路段。

1 电动汽车移动式无线充电技术国内外研究和应用现状

1.1 国外研究和应用现状

1997年,新西兰奥克兰大学首先将无线充电的概念引入了电动汽车充电领域,与德国康稳公司合作开发了全球首台无线充电大巴^[1]。该充电系统在地面端采用2根平行导线作为供电机构,在车辆端设计了双受电线圈,工作频率13 kHz,功率30 kW。之后,该研究机构又开发了100 kW电动列车无线供电演示样机,列车轨道长400 m,车上未安装电池组^[2]。

韩国高等科学技术学院(KAIST)对电动汽车移动式无线充电技术开展了大量的研究,2015年,KAIST研究人员针对I型耦合结构的侧移能力提出了第5代S型双相供电导轨结构,并已在龟尾市投入运行2条OLEV电动公交线路,线路总长24 km,其中300 m为无线充电路段,最大传输功率100kW,工作频率20 kHz^[3-5]。

美国橡树岭国家实验室采用阵列式线圈结构,在缓行中实现为装配有超级电容负载的模拟车辆充电,该系统工作频率20 kHz,传输功率2 kW^[6-7]。

韩国高铁研究院以轨道交通为研究目标,已实现10 km/h速度下列车无线供电,其功率818 kW,频率60 kHz,效率82.7%,无线充电距离为5 cm^[8]。

2017年,高通公司在法国巴黎铺设了一条长度为100m的试验轨道,供电导轨选用DD型磁耦合机构^[9],实现了一辆小型电动箱式货车行进过程中无线充电,充电功率20 kW。

1.2 国内研究和应用现状

国内也针对电动汽车移动式无线充电技术进行了多方面的研究,哈尔滨工业大学^[10]、重庆大

学^[11]、清华大学^[12]、东南大学^[13]、中科院电工所^[14]和天津工业大学^[15]等高校和科研院所开展了无线充电的研究工作,多集中在电动汽车无线充电原理样机研制方面。

2015年,重庆大学完成了一套电动汽车移动式充电模拟演示系统,该系统采用多级供电轨道级联模式,示范线路总长50 m,最大输出功率30 kW^[16]。

广西电科院2016年5月建成了一条电动汽车移动式无线充电路段,该条移动式无线充电模拟路段长33 m,总功率30 kW,实现了一辆高尔夫球车移动过程中充电^[17]。

总体而言,目前移动式无线充电的研究,更多是基础理论和局部关键技术的研究。小规模的试验线路也基本是原理和功能性的验证,缺乏可靠性、安全性和功效性的考虑和验证。

因此,本文在国家电网公司科技项目支持下,考虑道路条件和车辆工况适应性、能量转化高效性、运行可靠性等实用性指标,解决工程化技术难题,研制移动式无线充电系统,并在河北省张北县建设百米级移动式无线充电试验路段,对系统功能、工作性能及电磁安全进行测试评估,验证所设计系统的工程可行性。

2 电动汽车移动式无线充电系统工程化设计研究

2.1 总体技术方案

百米级移动式无线充电试验路段总体设计方案如图1所示,涵盖设备及连接设备的能量流和信息流环节^[18]。包括直道、弯道、特殊路段等共7段移动式无线供电导轨、2段静态充电位、电力变换单元和监控设备。其中,每段供电导轨长度为19.2 m,每连接对应独立的高频逆变电源。在导轨间隙和充电路段起始端设有车辆位置检测装置,可实时监测车辆身份和位置信息,并通过监控系统控制相应的高频电源运行。

图1 电动汽车移动式无线充电路段总体方案图 Fig. 1 General plan of mobile wireless charging section for electric vehicle

2.2 高频电能变换设计

本文研究采用的电源高频电能变换设计如图2所示。考虑到应用的可靠性,在电源高频电能变换设计中,二极管不控整流后采用DC/DC与H桥的两级拓扑结构分别实现功率和频率的调节。首先,恒流调节单元经数据采集后,以PWM调节的方式,采用电压电流双闭环控制DC/DC模块,实现恒定电流输出。同时,频率控制单元通过采集输出侧电气量相位,对等效负载进行判别,并调节逆变桥开关频率,使得供电端电路工作在谐振状态。考虑到实际应用,高频变换器还设计具备过压、过流及过温保护控制,以及完善的原副边通信与显示接口。

车辆端电能变换设计如图3所示,电能变换装置将高频能量按要求转换为所需形式后向电动汽车电机或动力电池组供电。车辆DC-DC变换器的控制方式采用电压电流双闭环控制,电压电流双闭环控制在技术上比较成熟,且控制系统设计易于实现。在性能方面,双闭环控制系统的控制精度较高,移动式响应特性也较好,可以满足移动式无线充电技术应用需求。

图2 电源高频电能变换设计 Fig. 2 Design of high frequency power conversion

图3 车辆端电能变换设计 Fig. 3 Design of electric energy conversion of receiving end

2.3 磁耦合结构设计

1）供电端结构设计。

本文在国内外磁耦合结构研究基础上,以工程化、模块化的思路对磁耦合结构进行设计。为保证电动汽车移动式无线充电过程中充电效率稳定性及偏移性容忍度,提出一种由供电端分段双磁极窄导轨、受电端多相自解耦线圈组成的磁耦合结构。

如图4所示为无线供电端结构示意图,系统供电单元为“工”型导轨结构,这种新型“工”型导轨线圈结构采用单个磁极多匝绕制式,即分别对每一个磁极进行多匝绕制,而相邻两磁极进线缠绕方向相反,形成双磁极供电端结构。底层及骨架均为铁氧体磁芯,其中底层磁芯作用为提高线间耦合系数,骨架磁芯起到改善磁定向性作用。

图4 无线充电导轨结构示意图 Fig. 4 Schematic diagram of the structure of a wireless charge guide

为了避免相邻磁极间的相互耦合对系统传输性能造成影响,对磁极间距离进行了优化。设置传输距离为200 mm,图5所示为受电端和供电端耦合系数k与磁极间距d_q之间的关系。可以看出,在给定的磁极结构参数下,耦合系数相对于磁极间距存在最大值,此时磁极间距d_q=220 mm,极间距太小或者太大都会影响系统的耦合系数。

图5 磁极间距对耦合系数的影响 Fig. 5 Effects of magnetic pole spacing on coupling coefficient

为进一步提高系统能量传输过程中高稳定性及高效率,对磁芯结构进行了优化。如图6 (a)所示为原有“工”字型磁密分布,可以看到磁极中间部分磁密很低,说明此部分磁芯利用率低,因此减去此部分并不会影响系统性能,改进后如图6(b)所示。可以看到磁芯中磁密增加但尚未饱和,这种方式有效减少了磁芯的使用量,且不影响性能。同时“工”型结构可提高系统侧移能力,即当纵向侧发生偏移时,利用导轨结构上表面磁芯结构,改变耦合磁路方向,使磁路发生偏移,保证系统能够实现一定范围内的侧移。

整个供电端采用长直导轨结构,谐振电容以分散分布的方式来降低电压应力,整体采用列阵结构,能降低器件的耐压耐流要求,同时采用模块化的分散分布,易于整体布局和工程化装卸。

图6 磁芯磁通密度分布 Fig. 6 Magnetic flux density distribution of cores

2）受电端结构设计。

单相受电端结构由于存在功率传输零点,从而降低传输系统的稳定性,导致系统传输功率不能满足要求。因此,本文设计了一种双相DQ结构的受电端线圈,内部结构如图7所示,受电端结构由上到下共分为3层,其中,最上层为铁氧体,为降低受电机构重量,采用条形结构,可保证系统高功率及高效率传输;第二层为线圈1、3串联构成D相线圈;第三层为线圈2、4串联构成Q相线圈。

图7 受电端线圈结构示意图 Fig. 7 Structure of the receiving coil

图8所示为双相DQ线圈经过一个充电导轨磁极的过程中,受电端与供电端之间的耦合系数k变化情况。

图8 受电线圈不同位置时系统耦合系数 Fig. 8 Coupling coefficient varying with the position of receiving coil

由结果可知,所设计受电端的DQ双相工作方式弥补了单相受电端存在耦合系数谷底的不足,可有效保证在移动式无线充电系统中受电线圈能量传输的稳定性。为降低受电机构重量,采用铁氧体磁条结构,可保证系统高功率及高效率传输。双相DQ线圈构成的受电端结构在与供电端导轨耦合过程中协同工作,不仅能够消除移动式充电过程中接收功率零点,更能有效保证在移动式无线充电系统中,能量传输的稳定性。

2.4 系统电磁安全防护技术研究

针对本文设计的移动式无线充电系统,为保障电动汽车移动式无线充电过程中,车体内部乘客及道路周边行人安全,将对系统的电磁环境进行研究并提出相应的电磁安全防护措施。

以经济性、实用性为前提,采用逐层添加屏蔽材料的研究思路展开仿真分析。耦合机构建模及第一层屏蔽设计如图9所示,第一层屏蔽体为长

1070 mm,宽900 mm,位于受电线圈上方30 mm处,恰好覆盖受电端。设置铝板厚度从0.5~4 mm每隔0.5 mm进行仿真分析,结果如图10所示。

图9 磁耦合机构建模与屏蔽结构设计 Fig. 9 Modeling of magnetic coupling mechanism and design of shielding structure

图10 一层铝板不同厚度时涡流损耗及系统耦合系数 Fig. 10 Eddy current loss and coupling coefficient varying with thickness of the first aluminum shielding

由结果可知,加入屏蔽铝板会改变受电端的阻抗,从而影响系统的谐振状态,厚度越大对于耦合系数的影响相对越大,但总体来说,单层屏蔽铝板对于系统的耦合系数影响不大。同时,铝板中的涡流损耗随着厚度的增加,呈下降趋势,但当铝板厚度大于两倍当前的趋肤深度时,铝板的内阻几乎不发生变化,因此损耗趋近于平稳状态。综合考虑损耗值和系统耦合系数,第一层屏蔽铝板采用厚度为2 mm。表1所示为耦合机构周围磁感应强度测试结果,可以看出测试区域磁感应强度均为超过ICNIRP标准27 μT的空间^[19]。虽然第一层屏蔽铝板没有将系统周围空间磁感应强度值完全降低至国际安全范围之内,但对于系统耦合机构上方的屏蔽效果良好,因此有应用价值,并需进行进一步屏蔽设计。

第二层屏蔽铝板位于一层屏蔽体上方,尺寸与电动汽车底盘形状相似,长3250 mm,宽2100 mm,距离第一层屏蔽60 mm,厚度从0.5 mm到6 mm每隔0.5 mm进行仿真分析,结果如图11所示。

图11 二层铝板不同厚度时涡流损耗及系统耦合系数 Fig. 11 Eddy current loss and coupling coefficient varying with thickness of the second aluminum shielding

经过第一层铝板屏蔽,受电端上方的磁场值已经有一定幅度的下降,而涡流损耗的大小正比于厚度,因此进行第二次金属屏蔽时,屏蔽金属上的涡流损耗会大幅度减少。当第二层屏蔽铝板厚度变化时,系统的耦合系数在0.07~0.09内浮动,对比只加一层屏蔽铝板,两层屏蔽结构的耦合系数有所下降,但下降范围不足以影响电动汽车无线充电系统的正常工作。综合考虑屏蔽效果与涡流损耗值,第二层屏蔽铝板选取厚度为2 mm,耦合机构周围磁感应强度测试结果如表1所示,双层屏蔽结构有效降低了耦合机构的空间磁场漏磁。

1 不同屏蔽结构下受电线圈上方磁感应强度参数 Tab. 1 Magnetic induction intensity parameters above the receiving coil in different shielding structures

对双层屏蔽结构进行仿真分析结果如图12右侧所示,分别从耦合机构受电端上方30 cm(模拟车辆内部)、受电端侧方距离导轨中心100 cm(模拟导轨周围行人可能出现区域),与耦合机构的剖面截面3个观测平面对磁场情况进行观测。根据数值仿真结果可以得出,添加双层屏蔽结构后,屏蔽达到良好效果,将磁场有效控制在安全范围之内。

2.5 道路结构与施工

电动汽车无线充电路段结构主要包括轨道沟、供电部分和排水部分。道路结构剖面图如图13所示,轨道沟宽度200 mm,深度300 mm,内设100 mm高的凸台用于支撑供电线圈;轨道沟每20 m内的高低误差不超过5 mm,可保证供电导轨安装水平度。为防止轨道沟积水,在轨道沟下侧每隔30 cm设置设计一个渗水孔,同时在整条轨道沟下方设置排水管道,排水管道和路段中分布的渗水井相连。

图12 添加屏蔽前后耦合机构周围磁感应强度示意图 Fig. 12 Schematic diagram of magnetic induction coupling mechanism before and after shielding

图13 道路结构剖面图 Fig. 13 Road structure section

电动汽车移动式无线充电路段现场道路施工图如图14所示,施工完成的充电道路包括1段常规移动式无线充电路段(含110m直道、44m弯道),1段总长度27 m的移动式无线充电特殊路段。此外,在特殊路段上方平台还埋设两个不同大小尺寸的静止式无线充电位,可满足针对商用车和乘用车的无线充电需求。

图14 道路现场施工图 Fig. 14 Road construction pictures

2.6 车辆改造

运行车辆选用宇通6805电动客车进行改造,如图15所示,车辆底盘加装磁传输机构受电线圈,车尾舱加装电能变换及充电控制装置。客车尺寸长8.5 m,宽2.4 m,高3 m,电池容量178 kW·h,无线充电额定功率20 kW,无线充电频率20 kHz,无

图15 车辆改造 Fig. 15 Vehicle modification

线充电垂直距离21 cm。移动中无线充电最高行驶速度为60 km/h。

2.7 系统集成与运行

选址河北省张家口市张北县可再生能源示范区国家能源大型风电并网系统检测试验中心道路,系统集成及运行情况如图16所示,移动式充电路段总长181 m,其中,移动式充电路段和两个静止式无线充电位均由配电室内12组高频逆变电源统一供电。

图16 系统集成与运行情况 Fig. 16 System integration and operation

移动式充电路段中,弯道长度44m,圆心角71.31°,可以模拟电动汽车在弯道中的无线充电效果;特殊路段长27m,高度落差1.1m,可以模拟上下坡、坑洼、泥浆路面环境对电动汽车移动式无线充电的影响。

3 性能测试与评估分析

3.1 充电性能测试

如图17所示为电动汽车无线充电系统功率及效率测试方案框图,其中,测量仪器1接入三相电源与供电端电能变换装置之间,测量仪器2接入供电端电能变换装置与原边设备之间,测量仪器3接入副边设备和受电端电能变换装置之间,测量仪器4接入受电端电能变换装置和电机/电池之间。4台测量仪器中均内置高精度GPS同步时钟,保证数据采集和时钟处理一致性。其中,测量仪器1、2能反映供电端大功率高频变换效率,测量仪器2、3能反映电磁传输部件效率,测量仪器3、4能反映受

图17 电动汽车无线充电系统功率及效率测试方案框图 Fig. 17 Power and efficiency test scheme for electric vehicle charging system

电端大功率高频变换效率,测量仪器1、4能反映无线充电系统总体效率。下面将根据以上方案对系统充电性能进行测试。

如图18所示为电动汽车在速度为40 km/h,移动式无线充电系统在包含直道、弯道的整条路段中各部分平均效率随充电功率的变换曲线。分析可以得出,随着充电功率增加,系统各部分效率整体呈上升趋势。在充电功率从7 kW到20 kW变化过程中,电能变换部分效率受充电功率变化的影响较小,其中,车辆端电能变换效率始终维持在95%以上,高频电源电能变换效率维持在90%以上并最终稳定在92%;磁耦合结构效率受充电功率等级变化明显,在充电功率大于16 kW时,磁耦合结构效率基本稳定在86%,系统效率基本稳定在76%。

图18 移动式无线充电系统效率曲线 Fig. 18 Efficiency curve of dynamic wireless charging system

为验证系统效率随车辆速度变换情况,对车辆在不同行驶速度下进行测试,测试结果如图19所示,横轴代表车辆行驶速度,纵轴代表整条路段系统平均效率。由分析可以得出,车辆静态无线充电效率为81%;在车辆行驶速度范围内随着车速增加,由于车辆行驶路径控制精度下降,系统平均功率呈下滑趋势,车辆速度每增加10 km/h,系统效率下降约1%。

为进一步验证系统中耦合结构和电能变换装置的抗侧移能力,在车速为40 km/h时,选取电动

图19 系统效率随车辆速度变换曲线 Fig. 19 System efficiency varies with EV speed

汽车侧移20 cm(精度±2 cm)对系统进行测试。侧移20 cm情况下效率和充电功率数据曲线如图20所示。

图20 侧移20cm情况下移动式无线充电系统效率曲线 Fig. 20 Efficiency curve of dynamic wireless charging system for 20cm Shift

由图中可以得出,侧移为20 cm时,随着充电功率增加,电源和车辆端大功率高频变换效率略有波动,但仍维持在95%和90%以上;磁耦合结构效率和系统效率随充电功率增加呈上升趋势。当充电功率大于16 kW时,磁耦合结构效率基本维持在75%,系统效率基本维持在67%。

侧移对比试验可以得出,随着横向侧移发生,电能变换装置受侧移影响较小,磁耦合结构受侧移变化较明显。在额定充电功率20 kW,侧移距离达到20 cm时,磁耦合结构效率由无侧移时86%下降到75%,系统效率由无侧移时的76%下降到67%。

3.2 电磁安全测试与评估

为验证本文提出的电磁安全防护措施的可行性,对系统车辆内部电磁安全进行测试。磁场强度测量的测试点选取如图21所示,测试点分别为司机座椅处a、副边设备正上方区域b、副边设备附近座椅处c、车前门座椅处d、车后门座椅处e、车尾座椅处f。

如图22所示为车辆内磁场强度测量结果,测试结果表明,在无线充电功率为20 kW时,车内磁

图21 车内磁场强度测量点 Fig. 21 Magnetic field strength measurement points inside the vehicle

图22 车内磁场强度测量结果 Fig. 22 Magnetic field strength measurement results inside the vehicle

场强度最大,最大点位于副边设备附近座椅处c处,为0.55 A/m,与ICNIRP2010标准规定的公众曝露参考限值21 A/m相比,相差2个数量级,在标准规定的限值范围之内。

4 结论

本项目组在国内建成了百米级电动汽车移动式无线充电试验路段,实现了车辆自动充电运行。并依此开展电动汽车无线充电的功能和性能评估实践,对系统功能、工作性能及电磁安全进行验证。通过实验分析得出,在额定充电功率20 kW时,车辆静态无线充电效率达到81%,在车辆速度范围内,车速每增加10 km/h,系统效率下降约1%;车辆以40 km/h速度行驶时,整条路段系统平均效率为76%,车内最大磁场强度为0.55 A/m,远小于ICNIRP标准规定的公众曝露参考限值;且侧移20 cm以内,系统效率下降不超过10%,具备较强的抗侧移性能。

本研究验证了所设计电动汽车移动式无线充电系统的工程可行性,对电动汽车移动式无线充电系统在实际应用中的磁耦合结构设计与实现、大功率电能变换、电磁安全防护、系统能效测试、以及路段施工技术等问题提供有效的技术支撑和解决方案,从而支撑公里级及以上规模电动汽车无线充电路段示范工程建设与运行,可对电动汽车移动式无线充电技术的产业化提供参考。

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