在线提交 | 加入收藏[ 学术堂-专业的论文学习平台 ]
您当前的位置:学术堂 > 工程论文 > 机械工程论文

动态无线充电电动汽车研究现状与核心技术

时间:2017-02-20 来源:学术堂 所属分类: 机械工程论文 本文字数:10048字
  摘要

        0 引言
  
  为了节约能源,减少环境污染,电动汽车受到了世界各国的大力推广。目前,由于电池容量及充电基础设施等条件的限制,充电问题成为电动汽车发展过程中面临的最主要的瓶颈问题。由于无线充电技术可以解决传统传导式充电面临的接口限制、安全问题等而逐渐发展成为电动汽车充电的主要方式。然而,静态无线充电与有线充电同样存在着充电频繁、续航里程短、电 池用量大且成本高昂等问题。特别是对于电动巴士一类的公交车辆,其连续续航能力格外重要。在这样的背景下,电动汽车动态无线充电技术应运而生,它以非接触的方式为行驶中的电动汽车实时地提供能量供给。
  
  电动汽车动态无线充电技术基本原理:通过埋于地面下的供电导轨以高频交变磁场的形式将电能传输给运行在地面上一定范围内的车辆接收端电能拾取机构,进而给车载储能设备供电,可使电动汽车搭载少量电池组,延长其续航里程,同时电能补给变得更加安全、便捷。动态无线供电技术的主要参数指标有电能传输距离、功率、效率、耦合机构侧移适应能力、电磁兼容性等。因而,开发大功率、高效率、强侧移适应能力、低电磁辐射、成本适中的动态无线供电系统,成为国内外各大研究机构当前的主要研究热点。
  
  然而,随着研究的深入,许多关键问题与瓶颈需要解决,这些问题的解决对于动态无线供电技术的发展具有指导性作用。本文首先对国内外学者对动态无线充电技术的研究进展进行总结,其次提出目前动态无线充电技术面临的关键技术问题及瓶颈,最后对动态无线充电技术的关键技术问题及瓶颈进行了总结并对其发展前景做出了进一步展望。
  
  1电动汽车动态无线充电技术国内外研究现状
  
  1.1国外研究现状
  
  目前,新西兰奥克兰大学、日本东京大学、美国橡 树 岭 国 家 实 验 室、韩 国 高 等 科 学 技 术 学 院(KAIST)等国外研究团队已经对电动汽车动态无线供电相关的技术难点以及关键问题展开了一系列研究,主要集中在 系 统建模 方 法、电能变换 拓扑结构、电磁耦合机构优化设计和电磁屏蔽技术等方面。新西兰奥克兰大学与德国康稳公司合作研制出世界上第一台无线充电大巴,功率为30kW,同时也研制出100kW无线供电列车样机,列车轨道长400m,如附录A图A1所示,车上未安装电池组[1].
  
  KAIST将采用动态无线充电技术的电动车称为在线电动车(OLEV)。2013年 位于龟尾 市的两条OLEV电 动 公 交 线 路 投 入 运 行,线 路 总 长 为24km,如附录A图A2所示,传输功率为100kW,效率为85%[2].
  
  美国橡树岭国家实验室针对电动车动态无线充电的耦合机构、传输特性、介质损耗、电磁辐射展开研究,其地面发射装置采用全桥逆变和串联的两个初级绕组,实验结果表明传输功率和效率受电动汽车位置影响较大[3-4],其建立的试验系统如附录A图A3所示。
  
  日本东京大学提出基于直流/直流(DC/DC)变换器的副边最大效率控制方法,通过原边等效阻抗实时在线估计耦合系数,利用前馈控制器改变DC/DC变换器输入占空比实现最 大效率控制[5],如附录A图A4所示为东京大学设计的无线供电系统。
  
  在轨道列车的无线供电技术方面,韩国铁道研究院(KRRI)对整个轨道列车无线供电系统进行了设计研究,并做出了功率1MW、轨道长128m的实验装置,如附录A图A5所示。耦合机构采用发射端长直导轨,通过两个小U型磁芯增强耦合性能,由于轨道较长,电感较大,为减小电容电压应力,将电容分散在发射线圈中[6-8].
  
  此外德国庞巴迪在电动汽车、有轨电车无线供电领域也处于较为领先的水平,由于商业化的原因,其相应的技术资料较少[9].
  
  1.2国内动态无线充电技术发展动态
  
  国内各高校、研究所也相继开展了无线电能传输技术及应用的研究工作,并于2011年10月,由中国科协资助在天津工业大学举办了“无线电能传输关键技术问题与应用前景”学术沙龙,这是国内在无线电能传输领域的第一次学术会议,随后2012年在重庆举办了“无线电能传输技术研讨会”、2013年在贵阳举办了“无线电能传输关键技术与应用学术研讨会”、2014年在南京举办了“无线电能传输技术与应用国际学术会议”、2015年在武汉举办了“无线电能传输技术及应用学术会议”,展示了国内无线电能传输技术良好的发展态势和前景。国内几所较早开展与动态无线电能传输技术相关研究的高校主要包括东南大学、天津工业大学、重庆大学、中科院电工所、西南交通大学、哈尔滨工业大学等。这些高校前期研究主要集中在大功率电力电子电能变换与拓扑设计、磁耦合机构优化设计、系统建模优化与控制、系统复杂动力学行为分析与控制、能量和信息同步传输、负载识别与异物检测、电磁兼容与电磁屏蔽等技术方面,相关理论、技术难点以及关键问题的研究已经取得一定成果,并且已经研制出原理样机。
  
  东南大学对动态无线能量传输的原副边线圈尺寸对传输效率以及侧移的影响进行深入研究,并提出基于频率控制的方法达到系统能量传输效率最优[10-11].天津工业大学基于耦合模理论基础,分析了运动状态下的高速列车无线供电系统发射线圈与接收线圈固有谐振频率的变化对系统传输效率的影响,提出了一种可调节发射端功率因数的频率跟踪控制技术[12],并于2013年提出将动态无线能量传输技术应用于高速铁路列车充电的设想,建立了高铁充电沙盘模型,受到广泛关注。重庆大学提出了参数识别理论,以改善原边控制时副边参数难以调整的问题,在 此 基 础 上 建 立 了 系 统 的 能 量 流 动 模型[13].文献[14]提出了一种基于能量传输通道的非法负载检测方法,通过对负载以给定的频率进行通断调制和原边解调判断其负载的合法性。此外文献[15]提出了针对分段式供电导轨系统的非线性规划数学模型,对分段导轨长度及导轨快速切换等问题进行分析,得到较优的规划与控制结果。中科院电工所通过电路和有限元仿真分析了电动汽车无线充电系统在车体内及充电装置周围产生的电磁场,提出在发射装置外沿加装水平 屏蔽带的磁 屏蔽方法[16].西南交通大学提出了一种基于多逆变器并联的无线电能传输系统,利用改变逆变器输出电压脉宽与移相角控制方法对逆变器进行控制,有效地消除初级线圈电流的3次谐波[17].
  
  虽然世界各国研究机构仍在不断深入研究电动汽车动态无线供电技术,并且不断推进相关理论和技术研究的发展,但是其中依旧存在一定的关键技术需要研究,其中包括磁耦合机构设计与优化、系统鲁棒控制技术、电磁兼容技术研究,以便最大限度提升系统工作性能,保证系统的安全、可靠、稳定、高效运行。
  
  2电动汽车动态无线充电技术关键问题
  
  2.1磁耦合机构设计与优化
  
  现有的动态无线供电导轨大致分为以下几类:分立形式的连续单线圈结构、矩形长线圈型与双磁极型。奥克兰大学提出矩形长线圈供电导轨解决方案[17],并提出了不同形式的接收端结构,如附录A图A6所 示 为E-type与Coaxial-type接 收 端[18].但是所提出方案的侧移能力弱,因此,文献[19]提出双D形式与新型双极型接收端用来改善耦合机构的侧移能力,如附录A图A7所示。
  
  此外,文献[20-21]提出一种新型三相交流激励能量发射导轨(见附录A图A8)及Quadrature-type接收端(见附录A图A9),消除了三相交流电源之间的交叉耦合并增加了能量拾取机构横向偏移容忍度。但是长线圈方案普遍存在路面施工面积大、功率密度低、轨道两侧磁场暴露水平高等不足。
  
  KAIST在奥克兰大学研究基础上在线圈中加入经过优化设计的磁芯结构,较奥克兰大学的解决方案提升了传输效率和传输距离,但是增加了设备成本[22].
  
  目前,KAIST在磁耦合机构设计与优化技术方面处于世 界 领 先 地 位,2009年 成 功 研 制 出 第 一 代OLEV,采 用E型 磁 芯 的 供 电 导 轨,传 输 距 离 为1cm,效率为80%[2].同年又推出了U型 磁芯供电导轨的无线供电系统,显着提升了传输距离,达17cm,效率为72%.2010年推出了骨架式W型磁芯结构的发 射 端 导 轨,传 输 距 离 为20cm,效 率 为83%[2].从2011年到2015年KAIST研究人员提出了具有更大传输距离、更窄宽度、更高效率的第四代Ⅰ型结构双极型磁芯轨道及第五代S型结构双极型供电导轨[2].双磁极型供电导轨将磁通路径从以往与车辆行进方向垂直改变为沿车辆行进方向,以其功率密度高、尺寸紧凑、施工难度小、对轨道两侧磁场暴露水平低、侧移适应性强等特点,更适合应用于电动汽车动态无线供电[23-25].表1列出了长线圈型与双磁极型导轨的部分优缺点。KAIST提出的各代导轨及接收端见图1.
  
  两类常用供电导轨优缺点比较
  
  2015年KAIST研究人员针对沿行进方向存在耦合系数零点问题,提出了原边dq双相供电导轨结构[26].该结构虽然能够解决耦合系数零点问题,但由于采用原边电流相位检测双环控制,需要根据电能拾取机构空间移动位置,利用锁相环和直流斩波器实时控制d轴与q轴双供电导轨电流幅度与相位(二者相位差90°)。但控 制环节过 多,且额外引入的发射线圈、H桥与直流斩波器又增加了功率损耗,导致的系统效率降低问题难以避免。
  
  哈尔滨工业大学通过多年的研究,提出一种基于多初级绕组并联方式的电动汽车公路式动态无线充电方法,利用分段导轨实现对行驶中的电动汽车无线供电[27],此外对双极型导轨结构进行了进一步优化,大幅降低了磁芯用量。之后又提出桥臂连接型多相接收端电能拾取机构,消除功率零点对传输性能及稳定性的影响[28].多相拾取机构由平板磁芯与多个绕制方向相同的接收线圈构成,间隔的两个线圈同名端相连,分别构成两相接收线圈,如图2所示。通过自解耦原理优化两相线圈的尺寸、位置等参数消除交叉耦合,使两相线圈可以在任意位置同时工作互不影响,实现高效能量接收。
  
  同时,以上述耦合机构为基础,研究了与其相适应的鲁棒控制技术和电磁兼容技术,可有效解决耦合系数 零 点 问 题,大 幅 度 提 高 整 体 传 输 效 率。附录A图A10为哈尔滨工业大学建立的室内动态无线能量传输演示系统。图3为采用的耦合机构的磁场仿真结果。
  
相近论文:汽车新技术论文
  • 上海网络警察报警平台
  • 公共信息安全网络监察
  • 经营性网站备案信息
  • 不良信息举报中心
  • 中国文明网传播文明
  • 学术堂_诚信网站
返回顶部