分段式动态无线充电系统研究

张博峰，刘永涛，高聪聪，蔡炳鑫

（1.陕西职业技术学院 汽车工程与通用航空学院，陕西 西安 710038；2.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

近年来，伴随着新能源汽车行业的迅速发展，我国电动汽车保有量持续快速增加，市场销量逐年增加，但是困扰纯电动汽车大规模普及的问题一直没有得到有效解决，即“里程焦虑”和“一桩难求”问题。为了解决上述问题，在静态无线充电技术的基础之上发展出了动态无线充电（Dynamic Wireless Charging, DWC）技术。由于DWC技术在技术研究和基础投入方面相比静态无线充电技术有更多的障碍，所以DWC技术发展相对较慢[1]。但是DWC技术在充电便利性上有巨大优势，一些研究机构仍旧投入巨额研究费用用于DWC技术的商业化，如美国能源部下设的车辆技术办公室及其所属的研究机构（爱达荷国家实验室、国家可再生能源实验室、橡树岭国家实验室等）。关于DWC技术，国外研究机构目前主要的研究方向集中在电磁线圈设计、充电网络补偿、电力电子拓扑及架构、控制通信、电网冲击等领域[2-7]。根据最新的研究进展，在2022年底美国能源部所属的橡树岭国家实验室联合其他组织将完成200 kW DWC系统的实验室测试，并将建造试验样车进行测试[8]。国内在DWC领域起步较晚，主要研究的方向是线圈的磁路优化、磁路耦合、控制调节、优化设计等[9-11]。

目前DWC技术面临的最大问题是基础建设成本过高和电网冲击等问题。本文是基于发明问题解决理论（Theory of the Solution of Inventive Problems, TSIP）创新方法对上述问题进行分析，提出了分段式DWC技术，该技术不仅解决了“里程焦虑”和“一桩难求”问题，同时也极大降低了DWC技术的建设投入。

1 系统方案介绍

1.1 存在的问题及问题分析

现有的DWC技术特征如下：全路段铺设、DWC路段布置在道路的最外侧、双向车道DWC系统设备独立、利用市电电网直接供电[7]。

存在问题：（1）全路段铺设，初期建设成本高，商业化难度大；（2）充电路段布置在道路最外侧，导致双向车道需要独立投入充电设备，设备投入成本高；（3）直接利用市电电网供电容易造成对电网的冲击，影响用电安全性[4]。

利用现代TSIP理论对DWC技术进行分析，存在物理矛盾，表1为物理矛盾的分析过程。根据物理矛盾分析，产生解决方案如：采用分段式建造充电路段，汽车携带小型电池。

表1 物理矛盾分析

1.2 分段式DWC系统介绍

根据现代TSIP理论产生的具体解决方案，本文提出了分段式DWC技术，取名为“绿洲”DWC技术。在此方案中，采用分段建造的方案代替全路段建设方案，沿隔离带两侧车道进行建设，从而降低DWC系统的建设成本。

分段式DWC技术的特点如下：建设成本降低、设备数量少、有效利用可再生能源、对电网冲击小。

1.3 分段式DWC系统设计思路

（1）分段建造，降低建造成本。有效降低充电路段的建设长度，减少建设成本，便于商业化。

（2）利用隔离带，采用共享方案，减少设备数量。利用隔离带两侧双向车道让充电车道毗邻，减少供电线路的铺设长度，同时可以实现充电设备的共享，有效减少设备数量。

（3）利用可再生能源，减少电网冲击，降低充电成本。利用公路中央隔离带的内部空间存放充电设备和储能电池，有效利用道路空间；利用隔离带上方的空间布置太阳能发电装置为电动车充电、储能电池、太阳能发电以及电网的联合供电，降低充电对电网的冲击，保证供电安全。

2 DWC系统方案设计

2.1 整体方案设计

表2为DWC系统的设计参数。

表2 DWC装置的设计参数

表3为目前主流的电动汽车参数，覆盖家用型纯电动乘用车和纯电动重型载货车。以最大耗能电动汽车设计DWC系统的上限，设计的最大耗能电动汽车在“绿洲”中行驶1 km的能耗为2.5 kWh；“绿洲”中车辆通过DWC技术吸收电能为8.1 kWh；“绿洲”中储存到车载电池的电能为5.6 kWh；“绿洲”中行驶1 km储存的能量可行驶里程为3.7 km。

表3 车型参数对标及设计参数

2.2 DWC系统道路方案

根据表3所示的纯电动汽车数据，确定充电路段与非充电路段的长度分别为1 km和3 km，以满足车辆的连续行驶需求。具体方案如图1所示。

图2为汽车DWC技术的原理图，道路下方的发射线圈将电能以磁场能量的方式传递给接收线圈，接收线圈将磁场能量转变为电能，电能为电动汽车的动力电池充电。纯电动汽车采用DWC技术后，车辆携带的电池只需要行驶没有铺设无线充电道路的里程即可，大幅降低了电动汽车的车载电池容量。车载电池容量降低之后，整车成本、重量、能耗均有所下降。

图1 道路方案设计

图2 DWC技术原理图

2.3 太阳能发电及储能方案

图3为太阳能发电及储能方案，充电路段上方的太阳能板宽度为4 m，充电路段的太阳能板面积为4 000 m2，每个“绿洲”的太阳能发电功率约为600 kW，为行驶在充电路段上的纯电动汽车提供电能。

图3 太阳能发电及储能方案

2.4 能量调节及供给方案

图4为DWC系统供电方案。太阳能板发电为储能电池充电，进而可以通过电网进入无线充电电网的主线，交流电网通过交流/直流（Alternating Current/Direct Current, AC/DC）将交流电转变为直流电为无线充电系统供电。从而实现两路供电，有效利用可再生能源，减少对电网能量的利用，提高电网的稳定性。

图4 DWC系统供电方案

3 创新点及优势

（1）利用公路中央隔离带以及与隔离带相邻两车道建设，最大程度上实现充电设备的共用，避免了设备的重复投入，降低建设成本；

（2）利用可再生能源用于车辆充电，同时采用储能电池对能量调节，降低DWC系统对电网的影响，提高电网稳定性，降低纯电动汽车充电成本；

（3）可满足城市道路和高速公路的充电需求，解决“里程焦虑”和 “一桩难求”问题。

4 实验验证

4.1 电动车和充电道路搭建

为了验证分段式DWC技术的可行性，利用小型电动汽车进行了DWC技术改造，同时搭建了搭载DWC装置的道路模型（目前仅验证充电方案的可行性，所以未安装太阳能发电装置）。图5为改装后的DWC道路模型。电动车用小型电动四驱车改装而成，自身携小型充电电池，供电系统接入无线充电接收线圈，接收线圈固定于车辆的底部。道路模型设计为环形，在道路的固定位置埋入无线充电发射线圈，发射线圈由稳定的固定电源供电，以保证电压的稳定。

图5 电动车样机和道路验证模型

表4为样机和道路模型的设计数据。电动车改造过程中采用的是成熟的手机无线充电发射模块和无线接收模块。充电道路是按照40:1的尺寸建造，用于可行性验证。

表4 电动车样机和道路模型参数

4.2 实验验证

在测试过程中，车辆在经过充电路段时进行充电，所充电量能满足车辆跑完未充电道路，车辆可以在环形跑道上持续运转，从而验证分段式DWC方案的可行性。图6为DWC系统在静态充电过程中电池的充电曲线。

图6 静态充电过程中电池的充电曲线

5 结论

为了解决纯电动汽车DWC技术的建设成本高、电网冲击大的问题，本文基于TSIP创新方法提出了分段式DWC技术方案。分段式DWC技术通过分段建造、设备共享、太阳能发电、储能等技术，有效解决了DWC技术目前存在的问题。本文通过样机的验证，分段式无线充电技术能够满足未来DWC技术的发展，能有效解决纯电动汽车在未来大规模普及过程中面临的问题。