电动汽车移动式无线供电系统的定向能量传输研究

As one of epoch-making technologies, the wireless charging fulfils the contactless power transmission over the air, thus offering a brand new power-supply solution for electric vehicles (EVs) as well as changing the traditional style of the energy utilization. By reducing the over-dependence on the current battery technologies, it shows extremely important meanings for the development of EVs and renewable energy technologies. Aiming to offer an effective technical solution for the optimal energy scheduling, a targeted power transmission is proposed for multi-objective wireless charging systems. First, this study analyzes the impact of moving EVs on the charging performances of roadway-powering systems. Then, this study develops a targeted wireless power transfer for multiple charging objectives occupying in a co-frequency electromagnetic field. Subsequently, the virtual impedance technique is also proposed and implemented to compensate the impact of the frequency-modulation-induced impedance drift on the wireless charging performances. Lastly, the three-dimensional electromagnetic field simulation and the hardware-in-the-loop experiment are both carried out to verify the feasibility. By offering the technical basis for the optimal energy management, the proposed targeted power transmission scheme can significantly improve the flexibility, security and reliability for multi-EVs dynamic wireless charging systems.

无线充电技术借助空间软介质取代有形介质实现能量的非接触式传输，并为电动汽车提供了一种全新的能源补给方式。通过缓解对储能电池的过度依赖，无线充电技术可促进电动汽车的大规模普及进而对可再生能源的广泛应用有着重要的研究意义。针对当前亟待解决的多电动汽车无线供电系统的能量最优调度问题，本项目提出同频感应磁场内多充电目标的定向式能量传输策略。以电磁感应耦合原理为切入点，分析电动汽车在行进工况下对路面无线供电系统性能的影响；研究同频感应磁场内多充电目标的定向传输控制；从进一步优化定向传输的系统性能为出发点，提出基于虚拟阻抗的电路调节策略，从而补偿频率调节诱发的阻抗漂移对系统性能的影响；借助三维电磁场仿真与硬件在环综合实验相结合的方法验证有效性。同频感应磁场的定向传输为能量最优管理提供了必要的技术基础，提高了电动汽车移动式无线充电系统多目标充电调度的灵活性、能量传输的安全性及系统性能的可靠性。

电动汽车动态无线充电技术有助于缓解车辆对储能电池的过度依赖，不仅可以有效地增长车辆的续航时间，而且对于减少废旧电池对环境的危害有着重要的研究意义。但是，目前尚缺乏针对同一充电轨道内多车辆能量分配的研究，进而可能引发电动汽车动态无线充电系统能源利用率低，超负荷及能量安全等问题。因此，本课题提出同频感应磁场内多充电目标的能量定向传输控制策略。.根据上述研究背景，本课题主要研究内容包括：.1.移动式无线充电系统的电路谐振对充电性能的影响：研究了负载移动速度、耦合系数、系统工作频率及电路阻抗等因素对电路谐振及电能传输性能的影响；刻画了电磁耦合式无线充电系统的工作频率与谐振频率之间偏移量对能量传输功率的量化关系。.2.同频感应磁场中多充电目标的定向式无线电能传输：研究了无线电能传输系统的频率敏感特性，并揭示了在同频感应磁场中创建定向能量传输通道的工作机制；针对高频电路的阻抗调节提出一种新型的电路拓扑结构及控制方法。.3.频率调节诱发的系统阻抗漂移及补偿策略：研究由频率变化引起的对电动汽车移动式无线充电性能的暂态与稳态影响；提出基于电力电子控制的新型阻抗补偿技术。.围绕上述研究内容，本课题取得的研究成果包括：.1.分析了在负载移动工况下无线电能传输系统的电路谐振对充电性能的影响机制；.2.研究了基于频率调节的定向式无线电能传输控制策略；.3.初步验证了一种新型系统阻抗调节的电路拓扑及控制策略；.4.项目取得总体情况如下：共发表期刊论文11篇；授权发明专利3项；培养毕业硕士4人，在读硕士研究生3人；任职国际学术组织职位共6项。.本课题的成果为实现多充电目标在同频感应磁场中能量分配的关键技术，提高了电动汽车移动式无线充电系统多目标充电调度的灵活性、能量传输的安全性及系统性能的可靠性。