- 頭條電動汽車靜態無線充電的關鍵技術和急需解決的科研問題2021-02-25 作者：吳理豪 張波 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語隨著研究的深入，仍有許多關鍵問題需要解決，如系統抗偏移能力、對環境的敏感度問題、系統結構的優化設計以及穩定性控制等。目前電動汽車靜態無線充電技術的研究正處在攻堅克難的階段，仍需進一步完善和應用現有理論，乃至原理上的創新與突破。
為促進節能減排、減少汽車尾氣排放、防治大氣污染，電動汽車（Electric Vehicles, EV）成為了世界各國大力推廣的新型交通工具，但由于電池容量的限制，導致電動汽車續航里程短，充電問題一直是制約電動汽車發展的主要瓶頸問題之一。
隨著無線電能傳輸技術的發展，基于磁場耦合式電動汽車靜態無線充電技術受到了越來越多的關注，相比于傳統的有線充電系統，無線充電系統沒有電氣連接，具有操作方便、維護成本低、防水防塵、可實現全自動充電過程等優點。
典型的電動汽車靜態無線充電系統結構如圖1所示，包括電力電子變換器、原邊補償網絡、發射線圈、接收線圈、副邊補償網絡、高頻整流濾波電路和電池負載等部分。近年來，國內外學者和研究機構對基于磁場耦合式的電動汽車靜態無線充電技術已開展了大量的研究。
然而，隨著研究的深入，仍有許多關鍵問題需要解決，如系統抗偏移能力、對環境的敏感度問題、系統結構的優化設計以及穩定性控制等。目前電動汽車靜態無線充電技術的研究正處在攻堅克難的階段，仍需進一步完善和應用現有理論，乃至原理上的創新與突破。
圖1 典型電動汽車無線充電系統結構
綜合國內外電動汽車靜態無線充電技術的研究現狀，可以看出，該項技術在各方面都已經得到了較為充分的研究，但仍有不少問題尚待解決。主要表現在以下幾個方面：
（1）系統的抗偏移能力
如何提升系統抗偏移能力，一直是電動汽車無線充電技術的研究熱點。在實際應用中，受用戶停車位置的影響，系統原、副邊線圈的相對位置會在一定范圍內變化，造成耦合系數的變化，這就要求系統必須具備較強的抗偏移能力。
目前主要是通過磁耦合機構的設計或系統閉環控制等方式提高系統的抗偏移能力，但這些技術層面上的方式改善效果有限，因此，有必要從機理上尋求突破。近年來提出的基于宇稱-時間對稱（Parity-Time Symmetry, PTS）原理的無線電能傳輸技術能在一定范圍內實現恒定的輸出功率和效率，而與耦合系數無關，另外基于分數階電路的無線電能傳輸技術也展示了優良的特性，將這些新型的無線電能傳輸技術應用于電動汽車無線充電上，有望進一步提升系統的抗偏移能力。
（2）系統的環境敏感度
電動汽車無線充電應用場合較為復雜，系統線圈內阻、諧振頻率等固有參數容易受到外界環境的影響而發生變化，尤其是汽車金屬機身等對于線圈內阻、固有頻率的影響較大，而諧振式無線輸電技術對于固有頻率的變化又十分敏感。
目前關于金屬物對諧振頻率的影響通常是采用鐵氧體等磁性材料進行屏蔽，或是通過電容矩陣、變頻控制進行頻率跟蹤等方式進行改善，但這些無疑增加了系統的體積、質量與成本，如何提高系統抗諧振頻率等固有參數變化的能力，降低系統對環境的敏感度，從原理上提出更加先進、經濟有效的方法，仍然是電動汽車無線充電技術未來重要的研究方向之一。
（3）系統結構的優化
傳統電動汽車無線充電系統的結構多是基于多級變換器，如AC-DC-AC變換器等，且通常會加入DC-DC變換器對系統進行功率調節等，但這增加了系統的體積與成本，降低了系統的整體效率。優化系統結構，研究高性能的AC-AC等電力電子變換器，減少系統變換器的級聯數，利用控制策略以替代DC-DC變換器對系統功率等的調節，將更有利于系統性能的整體提升。
（4）系統動態模型的建立與魯棒性控制
在電動汽車無線充電系統的實際應用中，通常需要實現快速的起、停機等操作，另外開關器件的開通與關斷、電池等效電阻的變化等也給系統帶來了復雜的非線性特性，這些都給系統的穩定性造成了較大的威脅。
但當前對于無線充電系統特性的分析與控制，大都是基于系統的穩態模型，對于系統暫態響應、非線性特性的分析還較為缺乏。建立系統精確的動態模型并提出相應的控制策略，對系統動態行為進行控制，提升系統的穩定性，是今后的研究方向之一。
本文編自《電工技術學報》，原文標題為“電動汽車靜態無線充電技術研究綜述”，作者為吳理豪、張波。
