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电动汽车磁谐振无线充电系统关键技术研究综述论文

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  关键词:无线充电,磁耦合,磁谐振,电动汽车

  0引言

电动汽车磁谐振无线充电系统关键技术研究综述论文

  截至2022年6月底,全国机动车保有量达4.06亿辆,其中新能源汽车1 001万辆。新能源汽车数量的增加对充电基础设施的要求也越来越高。目前,电动汽车主要采用充电站、充电桩或更换电池的方式充电。然而,传统的导线连接方式存在安全隐患和磨损问题,尤其是在易燃易爆的区域更是受到限制。另外,在室外充电时,充电导线暴露在外,受到气候因素的影响,也存在一定的风险。因此,新型充电方式的出现已经成为一种必然趋势。

  本文主要结合国内外发展实例与现状,探讨基于磁谐振的无线充电技术(Wireless Powering Technology,WPT),对各种磁耦合结构下的充电方式、结构的影响与分析,并对这一技术的未来发展进行展望为相关研究提供参考。

  1磁耦合机构设计

  磁耦合机构是无线充电系统中的关键元件之一,实现电能和磁能之间的转换。磁谐振耦合式无线充电系统至少有主耦合器和拾取耦合器。系统工作时高频电源向主耦合器输出高频电流,主耦合器和拾取耦合器在磁耦合谐振下相互耦合,将接收到的电能转换成直接供给负载的电能。

  根据充电方式的不同,可以分为静态无线充电(Static Wireless Charging,SWC)和动态无线充电(Dy‐namic Wireless Charging,DWC)[1]。静态无线充电中的磁耦合机构多为几何形状包括圆形、矩形等线圈结构。动态无线充电中的磁耦合机构按照磁路结构可分为导轨式和线圈阵列式。

  1.1静态充电耦合器

  线圈设计是静态无线充电系统的重要设计之一,根据应用区域和需求,以不同的线圈形状传输功率。静态电动汽车无线充电系统对主耦合器通常没有限制,但对拾取耦合器的尺寸有一定的限制。原因在于在电动汽车无线充电系统中,拾取耦合器位于汽车底盘,对大小有一定的限制,必须处于汽车的预留尺寸内。

  现实生活中,由于驾驶员的停车行为,线圈偏移不可避免。相关文献提出了一种新的初级谐振线圈阵列,用以解决错位问题。该设计由一组较小的线圈组成,这些线圈以网格状方式排列在平面上。在停车位表面下方的地面空腔中嵌入该线圈,通过定制设计的充电电路控制它们。使用来自车辆的无线反馈,停车位电子设备通过选择与车载RX线圈最佳对齐的TX线圈来监控和优化WPT充电过程中的功率传输效率。该设计可以有效减少车载线圈半径,同时可以灵活的选择任意数量的阵列线圈并改变它们的排列[2]。

  磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率会随着传输距离的增大而急剧减小。因此,为了提高传输效率,需要设计最优的线圈结构并提升发射端与接收端的耦合系数。文献[3]采用耦合模理论对系统进行建模,并在COMSOL软件平台下进行仿真分析。通过研究线圈参数对系统传输效率的影响规律,得出以下结论:采用圆形线圈可以增大耦合系数和降低线圈自身损耗,从而提高系统传输效率。在固定线圈距离时,按顺序优化线圈半径、匝数和匝间距能进一步提高系统效率。通过优化,可将传输距离为40 mm时的系统效率由原来的35%提高到约72%。

  1.2动态充电耦合器

  动态无线充电系统的耦合器,其主要由发射端(或称为原边,Primary)和接收端(或称为副边,Second‐ary)两部分建立起电磁耦合关系,发射端铺设在路基中,负责电磁能量的发射;接收端嵌入在电动车中,一般为汽车的底盘内,接收线圈接收到传输线圈中的电磁场后,会在其中产生电流,然后将电能储存在电池中[4]。在动态无线充电系统中,由于电动汽车在行驶过程中不断变化的位置和速度,所以耦合器的设计也需要考虑如何适应不同的行驶状态和路况条件,以提高充电效率和安全性[5]。

  世界各地都在探索动态充电耦合器的潜力,如德国政府资助的“eWayBW”项目,旨在为A5高速公路上的电动卡车开发动态充电系统,通过架空电力线在车辆行驶时进行充电[6]。

  文献[7]针对电动汽车使用的电池存在体积大、充电时间长、行驶距离有限的缺点,提出了一种创新的磁耦合谐振动态无线充电系统,对发射线圈和接收线圈的结构进行改进,采用具有较大偏移量(GPSSC)的分散耦合结构,避免电流密度驻波的问题。在实验中,通过两个发射线圈之间的间隔时,传输效率最大可以提高50%,且动态充电过程相对稳定。

  文献[8]针对集总动态无线充电(Dynamic Wireless Charging,DWC)系统进行线圈设计,对DD线圈的电感特性进行深入分析,并对集总DWC系统进行设计。在设计中发现:当磁芯面积小于线圈时互感达到最大值;如果用棒材代替笨重的芯材,影响不会很大。

  文献[9]提出了一种输出稳定、成本低的新型磁耦合机构,该机构由n型供电轨和双向线圈接收器组成。n型供电轨在保留了I型电源轨宽度窄、横向公差大和低EMF辐射的同时提高了磁芯利用率,降低成本。双向线圈接收器减少输出功率沿运动方向的波动,消除感应电压的零点。

  2补偿网络

  补偿网络也称为匹配网络,是无线充电系统中的一个重要组成部分。它使用谐振磁耦合在发射线圈和接收线圈之间传输功率。在无线充电系统中,发射线圈产生交变磁场,在接收线圈中感应电流。线圈之间传输的功率量取决于它们之间磁耦合的强度。但是,线圈之间的耦合可能会受到多种因素的影响,例如线圈之间的距离,线圈的方向以及存在可以吸收或反射磁场的其他物体[10]。

  为了补偿这些因素并保持高水平的功率传输效率,使用了补偿网络。补偿网络通常是连接在发射线圈和接收线圈之间的电容器、电感器和电阻器的无源网络。该网络旨在使线圈的阻抗与驱动电路的阻抗相匹配,并将系统的谐振频率调谐到所需的工作频率[11]。

  通过匹配阻抗和谐振频率[12],补偿网络有助于最大限度地减少无线充电系统中的损耗和反射,从而提高功率传输效率并减少线圈发热。补偿网络还有助于确保系统在电磁干扰(Electro-magnetic Interface,EMI)和射频(Radio Frequency,RF)发射的监管限制内运行[13]。

  2.1基本补偿网络

  补偿网络主要包括串联补偿和并联补偿两种形式,通常,为了降低无功功率,从而降低电源的VA额定值,分别对原边与二次侧进行补偿,使负载获得几乎全部的传输功率,增强了功率传输能力。根据磁耦合机构双边补偿网络串并联组合方式的不同,共有4种基本拓扑结构,串-串(S-S)补偿、串-并(S-P)补偿、并-串(P-S)补偿、并-并(P-P)补偿,如图1所示。

  4种基本拓扑结构中,二次侧串联补偿[14]适用于恒压应用,次级并联拓扑支持恒定电流,串联补偿原边可降低电源电压,而并联补偿的原边支持较大电源电流。实验选用串联谐振式,实际应用宜考虑并联谐振,适用于小功率器件。但这四种结构均无法满足大功率充电汽车需求,因此需要研究复合型补偿结构。

  2.2混合补偿网络

  除了4种基本的补偿拓扑外,还存在其他包含LC元件组合的拓扑,称为混合拓扑。在这些拓扑中,采用了更多的无源器件,实现了串联和并联的优点,避免了基本拓扑的弊端。

  针对无线充电系统因线圈偏差和接收设备阻抗变化而导致模型参数不准确的问题,提出了-种基于粒子群优化的LCL-S无线电能传输系统负载和互感辨识方法。该方法将LCL-S拓扑多参数辨识问题转化为数值优化问题,实现了参数辨识。在能够较高精度辨识出互感和负载,且无需增加额外硬件电路及控制,降低了系统复杂程度[15]。

  为了实现在无线充电系统中对横向、纵向或垂直方向位移的高容限,设计用于无线电力转换的双面S-LCC混合谐振转化器。在分析了具体的磁耦合要求后,设计了一种十字形混合DD垫作为转化器中的磁耦合器,并以此构建了一个250 W的原型用于实验。在给定排量的情况下,实现了94.6%的最大转换效率和16.6%的输出电流波动系数[16]。

  相关文献提出了一种新颖的系统拓扑结构,采用超级电容器(Super Capacitor,SC)作为充电器的能量缓冲元件,在不加入额外转换器的情况下,最大限度地减少电气化道路上动态无线电力传输应用带来的电网侧功率波动[17-18]。

  在大功率电动汽车无线充电系统中,通过强耦合,可以消除接收端补偿,并且仍然获得高效率。文献[19]提出了一种用于高功率强耦合WPT系统的LCL-none拓扑结构。LCL补偿用于发射器侧,接收器侧没有补偿。由于LCLN拓扑中发射和接收线圈电流的相位差大于90°。发射和接收线圈电流在铁氧体中产生的磁通密度会相互抵消,所需的接收器铁氧体厚度可以减少。因此,在接收器侧无需任何补偿且接收器铁氧体厚度减小的情况下,可以以更大的发射器侧成本和质量为代价实现用于强耦合WPT系统的紧凑、质量轻和低成本的接收器[20]。

  3功率变换及控制策略

  一般而言,无线电动汽车充电系统存在2个主要控制目标:恒定直流输出电压和最大效率跟踪。前者可以通过引入DC-DC变换模块或采用可控整流器、调节逆变器的脉宽或相角等方式方便地调节输出电压。因此,控制的真正难点是在输出电压的恒定以获得最大的系统效率。

  然而在实际应用中,由于存在电感老化、元件容错、失谐和负载变化等原因,磁耦合谐振无线充电系统(MCR-WPT)无法持续获得最大的系统效率。已知的解决方法可分为:频率跟踪、阻抗匹配、一次侧或二次侧的DC/DC转换两者的结合。文献[21]实现了在某些情况下使用两个或多个控制变量配合解决。

  3.1最大跟踪效率

  最大跟踪效率是一种用于优化无线充电系统效率的技术。基本思想是动态调整充电信号的频率和相位,以保持与接收设备的共振,使其在负载和耦合系数(气隙不对中或变化)等变化的情况下保持较高的运行效率,从而最大限度地将能量从充电系统传输到设备。

  通过仿真分析频率分裂现象以及频率优化对提高传输效率的影响,文献[22]提出了一种无线供电系统最佳传输效率的跟踪方法和实验系统。在实验中,系统线圈在距离在20 cm范围内变化时,传输功率可达100 W,效率保持76%以上。

  文献[23]提出了模糊控制的方法来实现谐振频率的自适应跟踪,并设计出频率跟踪的模糊自适应控制器,实时非线性调节逆变驱动电路的频率,提高了无线充电系统的传输效率。

  3.2阻抗匹配

  在磁耦合谐振技术中,阻抗匹配是将功率源的输出电阻与负载电阻相匹配,实现能量最大效率传输的重要概念[24]。阻抗匹配通过调整谐振电路的电感、电容和电阻等参数来实现,包括中间传输介质的匹配。正确的阻抗匹配设计和优化对于实现高效能量传输至关重要。

  文献[25]在无线充电系统中,提出了一种有效的三步阻抗搜索方法。在系统校准中,获取线圈参数,在粗搜索步骤中,估计线圈位置并确定匹配网络的初始值。在精细搜索步骤中。通过细化匹配网络中的来提高阻抗匹配精度。

  有相关研究基于耦合调谐的阻抗匹配方法,用以在不改变工作频率的情况下提高和最大化系统的传输效率。通过功率传输模型分析,得到匹配条件。通过等效线圈电路模型获得最佳传输效率[26]。

  文献[27-28]提出了一种新颖的频率跟踪与阻抗匹配组合的系统,在负载阻抗发生变化的时候,优化电源工作频率提高功率传输效率,然后自动调节发射电路中的可变IM网络,提高WPT系统的输出功率。

  文献[29]提出了一种利用阻抗匹配网络将天线的谐振频率与固定在13.56 MHz的功率源匹配的系统。研究表明,通过使用阻抗匹配网络调节天线间的空气间隙,可以将天线的谐振频率调节到13.56 MHz,从而实现功率源频率的匹配。实验和仿真结果表明,该方法可以提高功率传输效率,为电动汽车的充电提供更加便捷和安全的无线电能传输方式。

  3.3一次侧或二次侧的DC/DC转换

  DC/DC转换器用于将电源电压转换为适合充电的电压,可以放置在一次侧或二次侧。放置在一次侧时,主要将电网交流电压转换为直流电压,并产生交流磁场。放置在二次侧时,将接收到的交流信号转换为直流电压。无论放置在哪里,都能实现高效传输和稳定输出。同时,二者的结合可以实现磁耦合无线充电系统的高效传输和稳定输出。双边控制需要快速可靠的通信链路,双方独立控制或共同控制取决于操作,控制系统也会变得更加复杂和庞大[30]。

  针对LCC-S补偿WPT[31]系统提出了一种结合SCC和PSM的混合控制策略[32]。LCC-S补偿WPT系统可以通过零电压开关(ZVS)实现宽输出电压调节,并且谐振回路中的无功电流可以在整个电压范围内最小化。此外,LCC-S补偿WPT系统可以通过PSM调节初级线圈中的电流,降低初级线圈在轻载时的功率损耗。与传统的双环混合控制相比,文献[33]所提出的混合控制仅用一个反馈环同时调节两个控制变量。

  文献[34]提出了一种在不使用通信信道和使用次级侧控制系统的情况下以高传输效率为电动汽车充电的新方法。控制策略在初步估计次级侧的传输频率,然后调整补偿网络,使充电系统在该频率下以谐振方式工作。

  文献[35]基于双边LCC补偿网络的恒流、恒压输出模型设计了一个无需改变补偿网络参数,只改变系统的驱动频率使系统可以恒流、恒压输出的双边LCC补偿的磁耦合谐振式无线充电系统。

  4无线充电系统应用场景
       4.1静态无线充电系统

  静态无线充电系统为电动汽车提供无需物理接触的充电服务,应用场景包括家庭充电、公共停车场、路边充电和物流车辆充电。无需插拔电缆,充电更加便捷,提高了充电的效率和安全性。

  宝马公司推出的i Wallbox是一种高效的家用无线充电器,可以为宝马i3和i8等车型提供快速、可靠的充电服务。日产汽车也推出了LEAF Plus无线充电器,可以为日产LEAF Plus等车型提供无线充电服务。

  OLEV是一个结合了汽车、电力电子、电网、道路基础设施和信息技术的应用WPT。在首尔大公园,第一个用于公共示范目的的动态无线充电系统原型已经安装。第1段为2.5 m,其他5个段各为25 m,而段之间的距离从3 m到100 m不等。园区内载人捷运电车闭路往返2.2公里,安装的动力轨道约170 m,仅占往返17%。该系统在路上有3个动力轨道和两个独立的固定充电站。每个供电轨道上安装了3个电源逆变器,另外还有1个电源逆变器用于2个固定充电站。车辆在170 m动力轨道上运行期间收集的电能足以补偿由于驱动电机和辅助电源需求而在往返期间消耗的电池荷电状态水平[36]。

  Plugless Power公司在美国洛杉矶、奥克兰等地的停车场、机场和公共交通线路上部署了无线充电设施,用于充电电动汽车。该公司的无线充电系统利用了谐振技术和智能控制系统,提高了传输效率和充电速度,并通过移动应用程序实现了实时监测和控制。

  4.2动态无线充电系统

  与其他充电技术相比,动态无线充电DWC系统还具有多种优势,DWC适用于高速公路、大面积机构、工业应用等能提供大面积安装充电设备车道的场合。

  在道路电力系统中,电磁感应线圈可以安装在道路上。电动汽车在行驶过程中可以通过道路上的电磁感应线圈接收电能,提高了电动汽车的续航里程[37]。公共交通系统、物流运输系统和智能高速公路系统都采用磁谐振动态无线充电技术为电动汽车提供充电服务,可以延长电动车的行驶里程,提高使用效率、舒适度和安全性。在高速公路上安装动态无线充电系统还可以减少电动汽车续航里程焦虑[38]。

  “FABRIC”项目,即“未来电动车在途充电可行性分析和发展(Feasibility Analysis and Development of On-road Charging Solutions for Future Electric Vehicles)”项目是由欧盟资助的倡议,旨在创建一个跨欧洲的电动汽车快速充电站网络。该项目涵盖3种充电模式:静态充电,静止充电,动态充电。其中动态充电是“FABRIC”的主要研究对象。移动的FEV充电解决了电动汽车的诸多弊病,如大且昂贵的电池,有充电范围限制的“FAB‐RIC”电动汽车,以及静态充电期间需要长时间固定的“FABRIC”电动汽车[39]。

  一汽-大众于2019年与美国公司WiTricity合作,推出了一款采用该公司动态无线充电技术的电动汽车,并在长春市进行了试运营。该款车辆在行驶过程中能够自动进行无线充电,为车主提供更加便捷的充电方式。

  加拿大航空和交通运输设备制造商Bombardier推出的电动汽车无线充电系统名为Bombardier Primove,采用电磁感应技术,将充电板嵌入到道路表面下方,通过向车辆底部的接收器传输电能,实现车辆在行驶过程中的无线充电。该系统已经在德国、意大利等国家得到实际应用,并成功推广到其他国家和地区,为实现电动汽车的无缝、高效充电提供了一种新的解决方案,被认为是电动汽车无线充电技术领域的重要创新[40]。

  4.3准动态无线充电系统

  准动态无线充电(Quasi-dynamic Wireless Charg‐ing,QWC)在公交车站的静止位置为电池充电,利用几分钟的停留时间为电池充电。QWC的需求随着充电基础设施和电池成本优化的要求而发展。QWC在停靠站使用快速无线充电系统为车辆充电几分钟,这样公交车充电的电量就超过了驱动器驱动到下一个公交车站所消耗的电量[41]。

  自2018年起,KAIST(韩国科学技术院)和阿联酋KU(哈利法大学)一直在推进用于自动驾驶电动汽车的半动态无线电力传输系统的联合研究。通过KAIST-KU联合开发用于自动驾驶电动汽车的半动态无线充电系统,并在实验室实现了原型系统。最后,通过测试结果验证了所提出系统的性能,即静态充电的最大电源效率为90.8%,动态充电的最大电源效率为85%以上[42]。

  美国高通公司推出的一种电动汽车半动态无线充电系统——Qualcomm Halo,为电动汽车提供高效、便捷的无线充电服务。Qualcomm Halo是一种电动汽车半动态无线充电系统,使用电磁感应技术,通过在道路上安装发射器向车辆底部的接收器无线传输电能,为电动汽车提供高效、便捷的无线充电服务。发射器可以通过地面嵌入或路边放置来布置,充电效率高,充电速度快,最高可支持20 kW的充电功率,可以大大节省充电时间和成本。此外,Qualcomm Halo还可以通过云端平台进行充电管理和监控,实现对充电站和充电车辆的远程监控和管理。目前,该系统已在美国和欧洲实际应用,并成为电动汽车半动态无线充电领域的重要技术之一。

  5技术意义与发展前景

  电动汽车磁谐振无线充电技术的发展的意义如下。

  (1)提高充电效率和便捷性。无需驾驶员手动连接和拆除充电器,自动完成充电,既提高充电效率,也提高了充电的便捷性。

  (2)推动科技发展。需要多个学科领域的支持和协作,可以促进跨学科的合作和创新,推动科技的发展。

  (3)增强能源安全。可以利用可再生能源进行充电,进一步增强能源安全,减少对传统化石能源的依赖。

  电动汽车无线充电的发展前景如下。

  (1)动态充电技术。动态充电技术是无线充电技术的主流发展方向,动态充电可以在电动汽车行驶中接受无线充电,提高充电效率和充电范围。

  (2)智能化充电。通过与车辆、充电设施等相互连接,提高用户体验和充电效率,实现充电调度、预测等功能并且能够对用户进行实时的反馈和提醒。

  (3)多维度技术融合。多维度技术融合将推动无线充电技术的应用和发展。无线充电需要涉及到电磁学、电力电子、控制算法、智能化技术等多种领域的技术支持,因此技术的融合将推动无线充电技术的进一步应用和发展,并且会逐渐降低生产成本。

  (4)产业链整合。电动汽车无线充电技术的发展也需要涉及多个领域的跨行业合作。包括能源、交通、科技、金融等众多领域,而这些领域间的连接和互联将推动整个产业链的整合和协同。

  (5)环境保护。随着环保意识不断提升,电动汽车将得到更广泛的推广和应用。而与之相伴的,电动汽车无线充电还能够降低充电过程中可能产生的噪声、污染和安全隐患等问题,在未来有非常好的发展前景。

  (6)政策支持。随着国内政府不断加大对新能源汽车政策支持的力度,电动汽车市场将更具活力。在保持迅猛发展的生产销售量和用户体验的同时,无线充电技术也将不断得到技术优化与升级。

  (7)市场前景。尽管电动汽车无线充电技术目前仍处于起步阶段,但是未来这一技术的市场前景巨大。根据国际市场研究机构的数据,2025年无线充电技术市场规模将达到147亿美元,而到2030年可能会进一步增长至391亿美元。

  (8)智能化生活场景。目前,无线充电领域广泛应用于家庭、办公室、餐厅等小范围内部场所,而未来电动汽车无线充电将逐渐与智能化生活场景结合,例如与智能家居、智慧城市以及其他智能设备相融合,打造更加智能化的用户体验。

  6结束语

  本文综述了电动汽车无线充电系统的磁耦合谐振技术,在电磁耦合结构、补偿网络和控制策略等方面归纳总结了目前的研究现状。

  无线充电目前主要分为静态无线充电与动态无线充电两个大方向。静态无线充电发展应用场景主要为公共停车场、路边充电、物流车辆充电。动态无线充电发展应用场景主要为道路电力系统、公共交通系统、智能高速公路系统。

  国外研究大多针对无线充电传输的子领域,如电磁耦合机构、补偿网络在静态与动态的场景下的设计。国内研究基本面向应用,对细分子领域的深入研究较少且多处于理论与实验室阶段。相比之下,国外研究的领域较为广泛。未来的研究方向趋势主要以提高销量、降低成本为前提。

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