《無(wú)線充電系統(tǒng)探究文獻(xiàn)綜述》3700字

無(wú)線充電系統(tǒng)研究文獻(xiàn)綜述1.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀早在18世紀(jì)，英國(guó)的物理學(xué)家麥克斯韋建立了麥克斯韋方程組，開(kāi)通了電學(xué)與磁學(xué)的聯(lián)系，成為了后人研究電磁學(xué)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。尼古拉·特斯拉于1893年運(yùn)用電磁感應(yīng)原理點(diǎn)亮了磷光燈泡，從此無(wú)線電能傳輸技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入人們的視野。1990年，新西蘭的奧克蘭大學(xué)開(kāi)始研究電磁感應(yīng)技術(shù)，并最先應(yīng)用于有軌纜車中[8],主要研究成果有適用于纜車的長(zhǎng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，也有適用于電動(dòng)汽車無(wú)線充電的圓盤線圈結(jié)構(gòu)[9]和“DD”式線圈結(jié)構(gòu)[10]。在2007年，美國(guó)麻省理工的MarinSoljacic教授首次提出了磁共振技術(shù)[11]，使用粗銅線制作了接收線圈和發(fā)射線圈，與電容器相連形成諧振電路，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)60W燈泡的無(wú)線充電。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在線圈之間放置其他材料，燈泡依然保持正常發(fā)光，并且磁共振不會(huì)危害人類健康。2011年，研究小組發(fā)現(xiàn)，可以加入中繼線圈來(lái)增大能量的傳輸距離，這一發(fā)現(xiàn)使無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究邁入了一個(gè)新的高度[12,13]。2008年，日本的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)始將無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)汽車中，開(kāi)發(fā)了使用電磁感應(yīng)技術(shù)進(jìn)行無(wú)線充電的電動(dòng)汽車，充電功率可達(dá)30kW[14]。2013年，德國(guó)龐巴迪公司將研究的無(wú)線充電系統(tǒng)PRIMOVE成功應(yīng)用于純電動(dòng)巴士的充電過(guò)程中。同年，日本豐田公司推出了使用磁場(chǎng)共振技術(shù)的電動(dòng)汽車，有效解決了無(wú)線充電過(guò)程中水平偏移的問(wèn)題[15]。2015年，美國(guó)高通公司研發(fā)了Halo無(wú)線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于寶馬i8汽車中，充電效率可達(dá)90%以上。2003年，重慶大學(xué)的孫躍教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究無(wú)線電能傳輸技術(shù)，發(fā)表了關(guān)于松耦合設(shè)計(jì)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等一系列成果[16]。2012年，東南大學(xué)的黃學(xué)良研究小組利用電動(dòng)汽車在電網(wǎng)上產(chǎn)生的“削峰填谷”效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的良性交互。該團(tuán)隊(duì)除了對(duì)電磁場(chǎng)耦合進(jìn)行深入探究，還在積極探索超聲波和電場(chǎng)的耦合能量傳遞機(jī)理[17-19]，并于2013年進(jìn)行了無(wú)線充電系統(tǒng)裝車實(shí)驗(yàn)，此輛電動(dòng)汽車成為了我國(guó)首輛可無(wú)線充電的汽車。天津工業(yè)大學(xué)楊慶新教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)運(yùn)用頻率跟蹤方法來(lái)提高系統(tǒng)的傳輸效率[20-22]；并研究了諧振系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)對(duì)功率和效率的影響[23,24]，其團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出了使用超級(jí)電容器的電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速充電，充電范圍能夠達(dá)到一米，充電效率可達(dá)92%。在2014年，我國(guó)正式投入使用電動(dòng)汽車無(wú)線充電示范線路，這套公交用無(wú)線充電裝置的充電功率可達(dá)到3kW-300kW[25]。2015年，中興通訊與比亞迪等汽車公司建立了非營(yíng)利性無(wú)線電能傳輸產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，促進(jìn)了我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[26]。1.2高效率傳輸技術(shù)研究現(xiàn)狀隨著電動(dòng)汽車的普及，無(wú)線充電亟待解決的問(wèn)題便是電能高效率傳輸問(wèn)題，各高校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)線充電技術(shù)可以提升效率的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[27]以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，抑制諧波為目的，提出在電源側(cè)加入一個(gè)功率因數(shù)校正電路（PFC）模塊來(lái)提升系統(tǒng)效率。使用有源因數(shù)校正（APFC），通過(guò)對(duì)電壓電流閉環(huán)控制，使輸入電壓與電流同相位，進(jìn)而提升功率因數(shù)，可使得功率因數(shù)接近1。同時(shí)為了進(jìn)一步提升整個(gè)系統(tǒng)的效率，引入軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，此技術(shù)不僅提高了開(kāi)關(guān)頻率，而且可以降低甚至是消除開(kāi)關(guān)損耗。傳統(tǒng)的兩線圈系統(tǒng)具有傳輸距離短和傳輸角度窄的缺點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[28]提出了四線圈的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)打破了線圈的常規(guī)放置方式，分別平行和垂直放置線圈，這一方法不僅延長(zhǎng)了電能傳輸距離，而且減弱了傳統(tǒng)線圈在傳輸方向上的敏感度。文獻(xiàn)[29]對(duì)四線圈系統(tǒng)建立二端口模型，分析了四線圈系統(tǒng)的傳輸特性，從補(bǔ)償電容的角度入手，探究實(shí)現(xiàn)功率優(yōu)化的方法，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電容結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)達(dá)到電容的最優(yōu)匹配組合，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行并進(jìn)行功率優(yōu)化。文獻(xiàn)[30]建立了一種新型四線圈結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的單匝線圈改為多匝，提高了耦合系數(shù)，而且依靠多匝線圈的交叉耦合增加了能量流通路徑。文獻(xiàn)[31]探究了耦合線圈非同軸放置時(shí)，對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響，發(fā)現(xiàn)處于這種情況時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率極低，為此提出了一種基于混沌優(yōu)化算法的參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方法，該方法通過(guò)多級(jí)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)匹配，有效提高了線圈處在偏移狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)的傳輸效率。針對(duì)無(wú)線電能傳輸過(guò)程中的頻率分裂現(xiàn)象，文獻(xiàn)[32，33]提出了一種跟蹤頻率的方法，即在發(fā)射端安裝一個(gè)射頻通信監(jiān)測(cè)器，以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的輸出功率和頻率。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)更改并導(dǎo)致頻率偏移時(shí)，可以實(shí)時(shí)對(duì)發(fā)射線圈上的輸入電壓和輸入頻率進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后可確保當(dāng)前的工作頻率使系統(tǒng)達(dá)到最大輸出功率。但是，該方法的頻率調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較小，并且由于諧振頻率隨著參數(shù)的變化而變化，因此該方法更難以控制。文獻(xiàn)[34]為了抑制系統(tǒng)在過(guò)耦合區(qū)域時(shí)產(chǎn)生的頻率分裂，在發(fā)射線圈加入反向環(huán)來(lái)減小耦合系數(shù)，使系統(tǒng)退出過(guò)耦合區(qū)域。但在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的耦合線圈相距較遠(yuǎn)時(shí)，運(yùn)用此種方法會(huì)縮短系統(tǒng)的最大傳輸距離。文獻(xiàn)[35]提出利用雙PI控制器來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作頻率。采用電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)為外環(huán)的雙PI控制策略來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)逆變器工作頻率，使得和諧振頻率達(dá)到一致，從而使傳輸效率優(yōu)化。文獻(xiàn)[36]從逆變器的控制角度出發(fā)，推導(dǎo)系統(tǒng)傳輸效率與雙面移相角關(guān)系，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)控制策略來(lái)提升效率。但是此技術(shù)需要依靠發(fā)射端和接收端的高頻通訊來(lái)獲取信息，增加了裝置成本，而且忽視了耦合系數(shù)的變化對(duì)傳輸效率的影響，仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化。文獻(xiàn)[37]提出了一種雙邊控制方法，該方法適用于在無(wú)線充電過(guò)程中負(fù)載和耦合系數(shù)變化很大的情況?？刂葡到y(tǒng)采集二次側(cè)的移相信號(hào)和輸出電壓值，并通過(guò)無(wú)線通信將其傳輸?shù)揭淮蝹?cè)，計(jì)算得到初級(jí)側(cè)逆變器的移相信號(hào)。該方法不僅能使系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，而且耦合系數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)能達(dá)到最大功率傳輸。但是在一次側(cè)和二次側(cè)設(shè)備中有很多硬開(kāi)關(guān)過(guò)程，因此系統(tǒng)的整體效率很低。文獻(xiàn)[38]對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)在一次側(cè)和二次側(cè)分別增加變換電路來(lái)提升系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不同負(fù)載類型和電壓要求的能力。一次側(cè)的變換器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行阻抗匹配，二次側(cè)的變換器對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用兩級(jí)變換提升系統(tǒng)的傳輸效率。該控制方式不僅提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度而且將控制量線性化，進(jìn)而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是功率變換級(jí)數(shù)增多、整體峰值效率較低、電路復(fù)雜度提高、元件冗余，從而降低了系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[39]提出了一種模式切換控制方法，通過(guò)初級(jí)側(cè)控制器來(lái)調(diào)節(jié)逆變器工作在全橋，半橋和自由振蕩模式下的時(shí)間控制輸出電壓值。該方法可以保證系統(tǒng)具有較大的軟開(kāi)關(guān)工作范圍，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的效果，并且系統(tǒng)效率較高。雖然眾多學(xué)者在研究效率提升技術(shù)中取得了相當(dāng)可觀的研究成果，但是目前對(duì)電磁諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)中經(jīng)常存在的頻率分裂現(xiàn)象的解決方案仍然欠佳，缺乏一種高效且簡(jiǎn)化的方法來(lái)抑制頻率分裂。而且目前的研究方向主要是在效率方面，對(duì)于電磁諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)的提高輸出功率方面的研究，至今還沒(méi)有得到很多研究者的關(guān)注。參考文獻(xiàn)[1]王人潔,王堃,張帆,等.中國(guó)國(guó)道和省道機(jī)動(dòng)車尾氣排放特征[J].環(huán)境科學(xué),2017,38(09):3553-3560.[2]迎九.無(wú)線充電的安全、成本、效率和方便性在提升[J].電子產(chǎn)品世界,2015(6):23-25.[3]高賜威,吳茜.電動(dòng)汽車換電模式研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(04):891-898.[4]黃學(xué)良，譚林林，陳中．無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013(10):1-10.[5]ZouYW,HuangXL,TanLL,etal.CurrentResearchSituationandDevelopingTendencyaboutWirelessPowerTransmission[C]InternationalConferenceonElectrical&ControlEngineering,Wuhan,2010.[6]劉剛,鄭青玉,王德釗.一種基于電磁感應(yīng)的無(wú)線充電方法[J].北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,028(002):51-54.[7]楊雪霞.微波輸能技術(shù)概述與整流天線研究新進(jìn)展[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(04):770-779.[8]BoysJT,CovicGA,GreenAW.Stabilityandcontrolofinductivelycoupledpowertransfersystems[J].IEEProceedings-ElectricPowerApplications,2000,147(1):37-43.[9]BudhiaM,CovicGA,BoysJT.DesignandOptimizationofCircularMagneticStructuresforLumpedInductivePowerTransferSystems[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2011,26(11):3096-3108.[10]BudhiaM,BoysJT,CovicG,etal.DevelopmentofaSingle-SidedFluxMagneticCouplerforElectricVehicleIPTChargingSystems[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2013,60(1):318-328.[11]伍莎莎.電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)與控制方法研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2016.[12]KursA,KaralisA,MoffattR,etal.WirelessPowerTransferviaStronglyCoupledMagneticResonances[J].Science,2007,317(5834):83-86.[13]KaralisA,JoannopoulosJD,SoljacicM.Efficientwirelessnon-radiativemid-rangeenergytransfer[J].AnnalsofPhysics,2006,323(1):34-48.[14]ShinoharaN.WirelesspowertransmissionprogressforelectricvehicleinJapan[C].RadioandWirelessSymposium.IEEE,2013:109-111.[15]OmoriH,NakaokaM,IgaY.AnewresonantIPT-wirelessEVchargingsystemwithsingle-endedquasi-resonantinverterforhomeuse[C].WorkshoponControlandModelingforPowerElectronics.IEEE,2013:1-7.[16]戴欣,余奎,孫躍.CLC諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的H_∞控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(30):47-54.[17]黃輝,黃學(xué)良,譚林林,等.基于磁場(chǎng)諧振耦合的無(wú)線電力傳輸發(fā)射及接收裝置的研究[J].電工電能新技術(shù),2011,30(1):32-35.[18]張建華,黃學(xué)良,鄒玉煒,等.利用超聲波方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸?shù)目尚行缘难芯縖J].電工電能新技術(shù),2011,30(2)：66-69，74.[19]強(qiáng)浩,黃學(xué)良,譚林林,等.基于動(dòng)態(tài)調(diào)諧實(shí)現(xiàn)感應(yīng)耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的最大功率傳輸[J].中國(guó)科學(xué)，2012，42(7)：830-837.[20]張獻(xiàn),楊慶新,陳海燕,等.電磁諧振耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(21):153-158.[21]張獻(xiàn),楊慶新,陳海燕,等.電磁諧振耦合式傳能系統(tǒng)的頻率分裂特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(9):167-172.[22]李陽(yáng),楊慶新,閆卓,等.磁諧振耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的頻率特性[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012,16(7):7-11.[23]李陽(yáng),楊慶新,陳海燕,等.無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中影響傳輸功率和效率的因素分析[J].電工電能新技術(shù),2012,31(3):31-34.[24]李陽(yáng),楊慶新,閆卓,等.無(wú)線電能有效傳輸距離及其影響因素分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(1):106-112[25]曲曉東.基于磁諧振耦合的電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)研究[D]