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摘要：无线电能传输技术与传统接触式充电方式相比，具备高安全性，高便捷性和强环境适应性等特点，更加适用于未来自动驾驶电动车和智慧交通的发展趋势，具有巨大的研究价值和应用前景。相较于较为成熟的静态无线充电技术而言，动态无线供电技术引领电动车的革命化发展，不仅能够减少车载动力电池组使用量，而且能够最大限度提高车辆续驶里程。随着动态无线供电技术研究的不断深入，系统状态监测与人机交互的重要性与日俱增。一方面，完善的系统状态监测直接关系到系统整体运行的可靠性与稳定性以及系统性能参数记录；另一方面，良好的人机交互界面提高操作者的舒适度与体验度以及充电过程中的自动化。因此，系统状态监测与人机交互界面的研究对于动态无线供电系统的发展至关重要。
关键词：电动汽车；动态无线供电系统；电能计量；状态监测
一、电动汽车动态无线供电系统特性分析
1、电动汽车动态无线供电系统理论分析
1.1互感模型分析
磁耦合谐振无线电能传输系统基本组成如图1所示，该系统由发射电路和接收电路两大部分组成。
图1 磁耦合谐振无线电能传输系统基本框图
发射电路从直流电源或者交流转直流电路获得能量，经过高频逆变器逆变为频率较高的高频激励，该高频激励与原边谐振回路的谐振频率相同，因此原边谐振回路在受到激励后会发生谐振，借此在原边谐振回路中产生相应频率的高频交流电且幅值较大，能量从电能通过发射线圈转化为了磁场能量。同理，在接收线圈置于原边谐振回路上方或者相应的位置时，同样会在相应的位置产生频率相同的感生电流及感应电动势。如果接收电路的谐振频率与该磁场的频率相差较大，接收线圈中的感应电动势和感应电流将会很小；只有接收电路的谐振频率与该磁场的频率相差较小甚至相等时，该感应电动势和感应电流才会基本达到最大值。这里磁场能量通过接收线圈转化为了电能，至此完成了能量从原边到副边的传递。接收电路从接收线圈得到的是高频交流电压和高频交流电流，为了能够提供负载所需的电源，需要将该电压和电流通过整流成低频交流或者直流，一般是转化为恒压或恒流输出给负载，这样即使系统发生一些变化使得副边接收电压或电流变化时，接收电路也能稳定地给负载提供能量。
系统原理图的耦合电感模型如图2所示，其中sU为交流电压源，1L，2L，1C，2C分别为原副边的电感电容，sR，1R分别为电压源与原边电感1L的内阻，2R为2L的内阻，LR为负载，M为互感。
2、侧移分析
实际的车辆动态行驶中，由于车辆位置实时变化，导致能量接收端相对发射端始终存在一定程度的偏移，且其偏移程度也在动态变化中。因此整个系统的设计要保证足够的侧移能力。对于发射机构结构总体上可分为两大类，一类是长导轨式结构，优点是线圈匝数少，结构简单便于工程安装维护，缺点是发射端与接收端尺寸相差大，耦合系数小，需要增加磁性材料提升耦合性能。另一类是采用多小线圈连续排布方式，优点是耦合性能好，缺点是结构复杂，不便安装维护，对硬件算法响应速度要求高，能量传输波动大，稳定性低。而这两类耦合机构都存在侧移能力差的缺点，实际应用中需要耦合机构具有较好的偏移适应能力，因此本项目采用了一种“工”字型窄导轨结构，有效提高了耦合机构的侧移能力。
在研究过程中，分别对长导轨式、小线圈连续排布方式及“工”字型窄导轨结构进行了建模与有限元仿真，对比其偏移适应能力。首先对长导轨式耦合机构模型及其侧移能力进行仿真分析，建立长导轨式耦合机构模型如图3所示，如图4所示为接收线圈产生侧移时互感值得变化情况。
二、地面侧电能计量单元设计
考虑到本系统的实用性，需要在电动汽车的行驶过程中对逆变源的输入信号即工频交流电进行监控。由于无线充电技术还未出台具体国家标准，因此本文参考了有线充电的相关国家标准对电能计量模块进行选型。主要参考其中两部分标准：电动汽车交流充电桩电能计量及电动汽车非车载充电机电能计量。该标准规定了电动汽车在有线充电领域中的电能计量的技术要求及涉及到的电能计量设备安装使用要求、实验方法标准及在检验技术中的一些相关规定。根据国家要求所使用的充电设备应使用静止式交流多费率有功电能表，其中MODBUS通信规约如图10所示，电能表采用直接接入式，其电气参数和技术参数如下：
a.参考电压(Un)：220V；
b.基本电流(Ib)：10A；
c.最大工作电流(Imax)：大于或等于4倍基本电流；
d.参考频率：50Hz；
e.准确度等级：2.0；
f.电压电流测量精度为±1%，有功电能为1级。
同时当交流充电桩具有多个充电请求时，针对于每辆电动汽车需要单独配备电能计量表，且所使用的电能计量模块不宜暴露在机壳外端，最佳位置应设置在用电器输出端与车载电机之间，电能计量模块与车载充电机之间不允许安置其他无关设备。
结束语
对系统地面侧监控单元进行设计，依照国家对于无线充电标准的规定以及系统功率等级需求设计发射端电能计量模块，将计量结果通过串口传递至控制器；对系统逆变输出侧高频电信号进行测量电路设计并搭建硬件电路，对上位机监测系统进行设计，能够实时地显示测量电路发送的电信号，并能够够根据测量结果对逆变源的驱动电路进行参数控制，实现系统地面侧的计量及监控。
参考文献
[1]赵争鸣,刘方,陈凯楠.电动汽车无线充电技术研究综述[J].电工技术学报,2016,31(20):30-40.
[2]熊浩,周新华,邓志军,等.工频交变磁场对电子式电能表的计量影响[J].电气应用,2015(S2):126-129.
论文作者:丁玉哲,宋义豪,赵汝凯
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
标签：电能论文; 谐振论文; 线圈论文; 系统论文; 电路论文; 电动汽车论文; 导轨论文; 《电力设备》2018年第29期论文;