《無線充電系統(tǒng)探究文獻綜述》3700字

無線充電系統(tǒng)研究文獻綜述1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀早在18世紀，英國的物理學家麥克斯韋建立了麥克斯韋方程組，開通了電學與磁學的聯(lián)系，成為了后人研究電磁學的堅實基礎(chǔ)。尼古拉·特斯拉于1893年運用電磁感應(yīng)原理點亮了磷光燈泡，從此無線電能傳輸技術(shù)開始進入人們的視野。1990年，新西蘭的奧克蘭大學開始研究電磁感應(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導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，也有適用于電動汽車無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，成功實現(xiàn)了對60W燈泡的無線充電。在實驗中，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增大能量的傳輸距離，這一發(fā)現(xiàn)使無線電能傳輸技術(shù)的研究邁入了一個新的高度[12,13]。2008年，日本的科研團隊開始將無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用到電動汽車中，開發(fā)了使用電磁感應(yīng)技術(shù)進行無線充電的電動汽車，充電功率可達30kW[14]。2013年，德國龐巴迪公司將研究的無線充電系統(tǒng)PRIMOVE成功應(yīng)用于純電動巴士的充電過程中。同年，日本豐田公司推出了使用磁場共振技術(shù)的電動汽車，有效解決了無線充電過程中水平偏移的問題[15]。2015年，美國高通公司研發(fā)了Halo無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于寶馬i8汽車中，充電效率可達90%以上。2003年，重慶大學的孫躍教授帶領(lǐng)的團隊開始研究無線電能傳輸技術(shù)，發(fā)表了關(guān)于松耦合設(shè)計，軟開關(guān)技術(shù)等一系列成果[16]。2012年，東南大學的黃學良研究小組利用電動汽車在電網(wǎng)上產(chǎn)生的“削峰填谷”效應(yīng)，實現(xiàn)了電動汽車與電網(wǎng)的良性交互。該團隊除了對電磁場耦合進行深入探究，還在積極探索超聲波和電場的耦合能量傳遞機理[17-19]，并于2013年進行了無線充電系統(tǒng)裝車實驗，此輛電動汽車成為了我國首輛可無線充電的汽車。天津工業(yè)大學楊慶新教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊運用頻率跟蹤方法來提高系統(tǒng)的傳輸效率[20-22]；并研究了諧振系統(tǒng)的各個參數(shù)對功率和效率的影響[23,24]，其團隊成功研發(fā)出了使用超級電容器的電動汽車無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)快速充電，充電范圍能夠達到一米，充電效率可達92%。在2014年，我國正式投入使用電動汽車無線充電示范線路，這套公交用無線充電裝置的充電功率可達到3kW-300kW[25]。2015年，中興通訊與比亞迪等汽車公司建立了非營利性無線電能傳輸產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，促進了我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展[26]。1.2高效率傳輸技術(shù)研究現(xiàn)狀隨著電動汽車的普及，無線充電亟待解決的問題便是電能高效率傳輸問題，各高校和科研機構(gòu)對無線充電技術(shù)可以提升效率的各個環(huán)節(jié)進行了研究。文獻[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)加入一個功率因數(shù)校正電路（PFC）模塊來提升系統(tǒng)效率。使用有源因數(shù)校正（APFC），通過對電壓電流閉環(huán)控制，使輸入電壓與電流同相位，進而提升功率因數(shù)，可使得功率因數(shù)接近1。同時為了進一步提升整個系統(tǒng)的效率，引入軟開關(guān)技術(shù)，此技術(shù)不僅提高了開關(guān)頻率，而且可以降低甚至是消除開關(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。針對這一問題，文獻[28]提出了四線圈的無線電能傳輸系統(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[29]對四線圈系統(tǒng)建立二端口模型，分析了四線圈系統(tǒng)的傳輸特性，從補償電容的角度入手，探究實現(xiàn)功率優(yōu)化的方法，通過開關(guān)控制電容結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)達到電容的最優(yōu)匹配組合，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定運行并進行功率優(yōu)化。文獻[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[31]探究了耦合線圈非同軸放置時，對系統(tǒng)傳輸效率的影響，發(fā)現(xiàn)處于這種情況時，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)動態(tài)調(diào)節(jié)方法，該方法通過多級調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)達到最優(yōu)匹配，有效提高了線圈處在偏移狀態(tài)時系統(tǒng)的傳輸效率。針對無線電能傳輸過程中的頻率分裂現(xiàn)象，文獻[32，33]提出了一種跟蹤頻率的方法，即在發(fā)射端安裝一個射頻通信監(jiān)測器，以實時監(jiān)控系統(tǒng)的輸出功率和頻率。當系統(tǒng)參數(shù)更改并導(dǎo)致頻率偏移時，可以實時對發(fā)射線圈上的輸入電壓和輸入頻率進行調(diào)整。調(diào)整后可確保當前的工作頻率使系統(tǒng)達到最大輸出功率。但是，該方法的頻率調(diào)節(jié)范圍相對較小，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[34]為了抑制系統(tǒng)在過耦合區(qū)域時產(chǎn)生的頻率分裂，在發(fā)射線圈加入反向環(huán)來減小耦合系數(shù)，使系統(tǒng)退出過耦合區(qū)域。但在無線電能傳輸系統(tǒng)的耦合線圈相距較遠時，運用此種方法會縮短系統(tǒng)的最大傳輸距離。文獻[35]提出利用雙PI控制器來實時調(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控制策略來實時調(diào)節(jié)逆變器工作頻率，使得和諧振頻率達到一致，從而使傳輸效率優(yōu)化。文獻[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，進而優(yōu)化系統(tǒng)控制策略來提升效率。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)的變化對傳輸效率的影響，仍然需要進一步優(yōu)化。文獻[37]提出了一種雙邊控制方法，該方法適用于在無線充電過程中負載和耦合系數(shù)變化很大的情況?？刂葡到y(tǒng)采集二次側(cè)的移相信號和輸出電壓值，并通過無線通信將其傳輸?shù)揭淮蝹?cè)，計算得到初級側(cè)逆變器的移相信號。該方法不僅能使系統(tǒng)在負載變化時穩(wěn)定運行，而且耦合系數(shù)變化時系統(tǒng)能達到最大功率傳輸。但是在一次側(cè)和二次側(cè)設(shè)備中有很多硬開關(guān)過程，因此系統(tǒng)的整體效率很低。文獻[38]對無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，通過在一次側(cè)和二次側(cè)分別增加變換電路來提升系統(tǒng)應(yīng)對不同負載類型和電壓要求的能力。一次側(cè)的變換器對系統(tǒng)進行阻抗匹配，二次側(cè)的變換器對輸出電壓和電流進行調(diào)節(jié)，使用兩級變換提升系統(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，進而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。缺點是功率變換級數(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[39]提出了一種模式切換控制方法，通過初級側(cè)控制器來調(diào)節(jié)逆變器工作在全橋，半橋和自由振蕩模式下的時間控制輸出電壓值。該方法可以保證系統(tǒng)具有較大的軟開關(guān)工作范圍，達到穩(wěn)定輸出電壓的效果，并且系統(tǒng)效率較高。雖然眾多學者在研究效率提升技術(shù)中取得了相當可觀的研究成果，但是目前對電磁諧振式無線充電系統(tǒng)中經(jīng)常存在的頻率分裂現(xiàn)象的解決方案仍然欠佳，缺乏一種高效且簡化的方法來抑制頻率分裂。而且目前的研究方向主要是在效率方面，對于電磁諧振式無線充電系統(tǒng)的提高輸出功率方面的研究，至今還沒有得到很多研究者的關(guān)注。參考文獻[1]王人潔,王堃,張帆,等.中國國道和省道機動車尾氣排放特征[J].環(huán)境科學,2017,38(09):3553-3560.[2]迎九.無線充電的安全、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]黃學良，譚林林，陳中．無線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J]．電工技術(shù)學報，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)的無線充電方法[J].北京信息科技大學學報:自然科學版,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展[J].電波科學學報,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.DevelopmentofaS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