基于电气化公路的移动无线供电技术

潘露扬 门晓飞 刘仲豪

移动无线供电技术，是指在公路上铺设利用互感耦合原理的无线供电发射装置，同时将接收线圈置于电动汽车底部，实现完全或高度依赖外部能源驱动行驶的新型运输方式。移动无线供电技术可以有效的解决固定式充电方式在时间和空间的束缚问题，同时减少了车载电池重量甚至可以完全移除车载电池，并实现零排放。本文从互感耦合理论出发，建立电动方程及电路模型，模拟应用实际场景。

随着人类社会的不断发展，对能源的需求日益旺盛。化石燃料作为不可再生资源，储量的减少给未来能源供应埋下危机。我们所面临的问题中不仅仅只有能源问题需要我们特别的注意，环境污染问题也同样严峻。环境污染问题关系到国计民生，是阻碍经济健康发展的拦路虎。交通运输行业是能源消耗大户，同时也是污染物排放大户，可以说若想解决能源和环境两大问题，对交通运输行业的改造将不可回避。电动汽车作为节能环保的新兴产品将成为未来汽车发展的必然趋势，目前充电问题是制约电动汽车发展的关键技术难题。目前市场中普遍应用的是有线充电，即充电桩式充电。但这种充电方式费时费力，限制了电动汽车的行驶里程，还导致了电动汽车必须携带大质量的电池。无线供电技术可以很好地解决有线充电带来的诸多不便，在道路上加装无线供电设备，电动汽车在道路上行驶完全使用无线供电设备提供的外部能源。这种运行模式类似于电气化铁路的运行模式，汽车本身不携带能源，续航里程接近于无限，完全依靠电力运行，实现零排放。因为道路运输和铁路运输有着本质的差别，所以电气化公路区别于电气化铁路的关键技术就是移动无线供电技术。

一、国内外发展现状

移动无线供电技术的不断积累相关专利也不断出现，对移动无线供电技术专利数量进行统计，就能展示出应用情况和未来研发方向。从历年来国内外专利的申请数量和变化规律能够有效的认识国内外技术发展状况，把握技术环境变化规律就可以很好的了解技术的动态，了解技术的竞争优劣势。在移动无线供电技术领域专利申请方面，国内要比国外落后近十年。这说明国内该领域研究开展较晚。从申请量方面来看，在2010年前后，国内的申请量和国外持平并超越，而且申请量成增长趋势。国外从2012年开始申请量趋于平稳，并出现略微下滑的态势。国内的研究起步时间虽然要比国外晚了十年，但近年来国内的研究势头已超越国外。从技术成熟度来看，国外的已经达到了很高的水平，他们更倾向于技术向实际应用的过度，已经不局限于通过大量的申请专利来扼制潜在对手。

我国极大的内部市场和巨大的发展潜力都需要更加完备的交通基础设施建设来配合。进三十年来发达国家进入创新经济，大量制造业进行外包，这就是我国成为世界工厂的历史契机。现在以我国为中心的东亚制造业经济中心已经形成，这对交通运输行业又提出新的更高的需求。此消彼长，需求决定创新方式，未来电气化公路的发展方向很可能由中国主导，现在积累技术人才，为未来做准备。

二、移动无线供电系统的建模

移动无线供电技术的理论基础是互感耦合理论，利用这种方式可以在一米范围内进行高效的无线电力输送。这个距离完全可以满足在路面上铺设无线供电发射装置，同时将接收线圈置于汽车底部的要求。

利用互感耦合原理，分析接收端和发射端反映出的阻抗特征，并且进一步推导出发射功率与接收功率的关系，得到动态变化方程。从中比较就能得到传输效率和输出线圈组功率比。

图为无线供电设备及电动汽车电能接收设备等效电路图，其中，u为高频变压设备输入电源端，11、12和1分别为无线供电设备发射端线供电设备发射端两发射器电流值，L1、L2、L、C1、C2、和C分别为无线供电设备发射端、电动汽车电能接收设备电感值和补偿电容器电容值，M1、M2和M分别为无线供电设备发射端与电动汽车电能接收设备之间的互感。

互感耦合原理方程。根据系统状态可得：

式中Z1、Z2和Z分别为无线供电设备发射端与电动汽车电能接收设备阻抗，分别表示为：

三、结语

电气化公路无疑是一种面向未来的交通运输方式，在缓解环境压力，节约能源等方面都十分优于现有方式。我国正处在由交通大国向交通强国迈进的路上，将来我们将引領新的发展潮流，贮备新技术是必须做的准备。移动无线供电技术作为电气化公路的核心技术，是下一个阶段的发展和研究重点。目前来看，短时间内还不会出现大规模的电气化公路的实际应用，即便移动无线供电技术能够解决实际问题，但现在的能源结构，基础设施配套以及电动汽车的普及率都远远没要达到商业化应用程度。历史经验来看，每一次重大技术的变革都是被强大实际需求推动产生的，有朝一日电气化公路的大规模应用的根本原因也将是从实际需求中产生的。如今的技术储备就是为需求爆发的时刻做准备，在技术迭代越来越快的今天，先发优势将在将来产生决定性优势，我们应做的就是未雨绸缪，为明天筹划。