然而,由图26可知,减小发射端供电轨道的宽度同样会降低发射线圈和接收线圈之间的互感,使得输出电压降低 。
3)使用横向布置的多线圈接收端结构
KAIST的研究人员提出了一种自解耦的双线圈接收端结构(self-decoupled dual receiver coils)来改善偏移容忍度 。图27a和图27b分别给出了该接收端的结构示意图和等效电路 。
图27 KAIST提出的自解耦接收端
自解耦的双线圈接收端使用了两个并联的接收线圈,其工作原理如图27c所示 。在接收端偏移的过程中,始终由感应电压更高的接收线圈工作,而另一个接收线圈不工作 。通过两个接收线圈的整流后并联来提升接收端的偏移容忍度 。然而,该接收端需要使用两组整流桥装置,且同一时刻只能有一个接收线圈工作,因此该结构中接收线圈的利用率较低,这增加了系统成本 。
表5对提升偏移容忍度的方法进行了总结 。
表5 提升偏移容忍度的方法
4 关键问题
综合目前电动汽车动态无线供电系统中磁耦合机构的研究现状,可以看到各方面均已有较多研究和解决方案 。但这项技术实现产业化的进程才刚刚起步,磁耦合机构仍存在许多关键问题亟待解决,包括以下几个方面:
1)高效率
与传统有线充电方式相比,无线充电系统中增加了多级环节导致系统效率下降 。而动态无线供电系统由于工作时发射端导轨尺寸通常大于接收端,效率进一步降低 。
磁耦合机构的损耗占据了系统能量损失的主要部分,需要从多个方面研究减小损耗的方法,如材料角度,采用可以降低损耗或提升耦合性能的新型磁心材料或绕组线材;结构和参数优化角度,对磁心和线圈优化设计提升耦合性能,降低损耗 。实现高效率磁耦合机构可以有效提升充电效率,降低能量损失并减小温升,促进动态无线供电技术的实际应用 。
2)低成本
磁耦合机构占据了动态无线供电系统建设成本的主要部分,通常由铁氧体磁心和绕组利兹线组成 。由于供电路段均需要铺设发射端导轨会导致较高昂的前期基础建设投入 。而在设计时为了实现更高的传输功率,通常采用增加磁心、匝数等方式,这会导致成本进一步增高 。因此需要通过研究磁耦合机构的结构形式和参数设计方法来降低材料使用量,进而提升系统建设的经济性 。
3)高功率密度
磁耦合机构的功率密度可以分为发射端和接收端功率密度 。发射端功率密度反映了磁耦合机构对道路的影响,通过发射端导轨面积或体积功率密度体现;接收端功率密度反映了磁耦合机构对车辆的影响,通过接收端线圈面积、体积或质量功率密度体现 。在进行设计时为了提升传输性能,通常采用增大耦合面积或采用多线圈结构的方式,这会导致尺寸、重量增加,对车辆和路面影响增加 。因此,需要通过研究磁耦合机构的结构设计提升功率密度,为动态无线供电技术的推广应用提供必要条件 。
4)输出稳定性和侧移容忍度
与静态无线充电系统中车辆在固定位置静止充电不同,动态无线供电系统中车辆在行进过程中充电,接收端与发射端供电线圈的相对位置可能发生纵向和横向水平偏移或旋转偏移,导致输出波动和功率跌落;由于磁耦合机构结构特性,如纵向布置的双极型结构,在行进方向上存在固有输出波动;此外,由于固有参数,如电感、电容可能受外界环境影响发生变化,导致系统谐振状态和输出功率受到影响,产生波动 。
因此需要考虑上述不同情况,研究能够降低输出波动、提升输出稳定性、提高偏移容忍度的磁耦合机构结构和参数设计方法 。
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