现代电能传输在交通应用的趋势外文翻译资料

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现代电能传输在交通应用的趋势

摘要-感应电能传输(IPT)已发展成一个为现代自动化系统特别是在严格环境下提供巨大利益的配电系统。在这里,可以使用相同的技术在恶劣的环境和一个舒适的环境里生产。这篇论文回顾了简单工厂自动化（FA)IPT系统目前复杂的应用程序和系统的发展以及走向一个更具挑战性的IPT装置的道路。所有IPT的核心技术是两个强耦合线圈工作在共振下高效地传输功率。随着时代进步，气隙、效率、耦合系数、和电能传输能力有了显著提高。允许偏差的新的磁概念的提出,使IPT系统从高架单轨轨道迁移到地面。然而,IPT的要求带来了巨大挑战。在这里,与最好的简单工厂自动化（FA）实践相比,气隙需要增大100倍,电能等级需增大十倍,使系统损失低十倍,以满足效率要求,并且来自不同制造商的系统必须在操作的范围进行充分的交互。本文描述了过程中遇到的挑战，概述了仍然存在的问题和正在寻找的解决方案。

关键词：电能感应传输(IPT) 动力电动汽车道路 强耦合磁共振 无线充电系统

I.介绍

电能感应传输系统(IPT)在安培、法拉第提出他们电气工程的基础定律后不久开始被提及到。在这之后,最重要的进展是由特斯拉提出在交流频率下使用高谐振线圈[1],[2]进行电能传输。这种在很低的成本和规则下的传输方式,仍然是一个难以克服的技术挑战。因此,IPT一段时间被认为是不可行的,直到二十世纪结束，这种观念才被打破,真正的商业IPT系统出现[3]。

IPT涉及两个或两个以上的线圈的耦合:当耦合在一个线圈电流引起的感应电压，会引起另一个线圈上产生感应电压，因此在正确的条件下,可以使用电压给一些装置供电并且在这种情况下从一个线圈感应到另一个的传输时没有物理接触。这种电能传输是清洁的,不受化学物质或泥土影响,有能力改变很多制造过程。

早期商业IPT系统发现在汽车的组装厂,刷油漆和焊接烟雾的应用[4]-[8]和经皮的医学设备[3]是非常有价值的。在生产应用程序中,一个主电路能够推动大量的二次回路使用新的解耦控制器,通断一个副边的接受回路，电路开关在主节点上而不会将VAR负载电路覆盖[7]。然而,IPT系统发现他们应用清洁的工厂自动化(CFA)制造平的显示器和电脑芯片在严格的清洁下比其他任何竞争技术有实现更高的收益率的条件[3]。技术继续发展包括更大更强大的系统,在困难的全球环境的应用下操作。

或许目前IPT系统的最大挑战是世界上每一个国家的铁路和公路的交通网络多有公共和私人汽车交通工具。IPT使用地下电线通过磁耦合方式把板子放置在交通工具下面能够为电力交通工具供电、充电和对设置方式[9]-[45]，IPT使之成为可能。如果用固定车辆和电池完成电能传输,它被称为无线充电电池的电动汽车(BEV),并且在过去十年加速发展[9]-[34];如果它是移动时完成它被称为动态驱动，虽然概念是在70年代早期开始研究[35],[56],[79],但是直到最近才开始受到新的关注，这是由于部分固定充电的发展和汽车制造商支持这种技术[36]-[45]的意愿。除了个别以外，BEV目前正在挑战内燃机(ICE)车辆在我们社会中的所有交通应用;除了原料采购成本，充电电动汽车(EV)将与内燃机（ICE）车辆性能的所有方面竞争:他们更清洁、更安静、更高效，并且在适当的道路结构下拥有无限的行驶范围[40]。

BEV目前可以操作在插入电池充电或感应充电:动态驱动的车辆只能操作在IPT连接和扩展连接下才能维持未来的供电。

IPT是一个时代的技术,完全依赖最近在磁性材料的事态发展:利兹线,嵌入式控制器,特别是电力电子。在过去30年，～1 - 10千瓦的电能传输工作频率从一般10 - 20 kHz小气隙(相对局限)增加了，但是现在在更大的谐振耦合空间中能达到85千赫以上。额定功率也在3 - 100千瓦及以上不断增加，越来越多的技术开发出来了。小功率IPT系统用于手机充电、医疗设备和其他小型设备开发。在一个相似的时期,最初在100 - 400千赫区域使磁系统较小而不过于关心效率,但最近～1 - 10 MHz已经开发了，并且更高的频率被提出来但又局限于非常低的功率接受能力[2]。

这样的IPT系统不同名字也不同,包括非接触式电力系统(CPS),无线电力传输(WPT)、无线能量传输、强耦合磁共振、高效感应电力分配和其他的;然而,必不可少的原则是相同的给定距离电能是耦合的总是在四分之一个波长,因此,这些系统所有的基本操作可以通过简单的耦合模型进行描述。

本文综述开发大功率IPT系统所需的基本要素和对必须考虑的关键指标作出评价,包括安全、漏磁和加热。它还描述了其最新的挑战，作为电动汽车的关键驱动因素，增加范围和对插入需求的消除。

II.IPT系统的功率

IPT系统其最简单的形式是由两个线圈L1和L2以及互感M组成 .对于在L1中频率omega;的电流I1,电压在L2 中为Voc = jomega;MI1,通常被称为耦合系统开路电压。

如果副边(接受)短路，短路电流Isc = Voc / jomega;L2 = M / L2·I1。从第一原则,短路电流的乘积Isc乘以开路电压Voc的结果是副边的最大VA评级，被叫做Psu,用来衡量特定的驱动条件下功率耦合磁系统的好坏。

系统可以传输的最大功率在这儿被称为Pout，如下:

Pout=Psu*Q2=omega;（M²/L2）*I1²*Q2 (1)

其中因子Q2是副边系统的负载Q，它由调优电容器补偿，因此它工作在谐振状态下,适用于特斯拉定律。对于各种各样的IPT系统，这个功率方程是有效的，但是在基本的线路系统中，当电感L1非常大，电流源驱动时有一些较小的调整。在线路

系统中的副边通常是与线路有密切的关系，可以部分接近线路电感并给出高的k值(k = M /radic;L1L2磁耦合系数)底座上的系统,如自主移动小车、或可移动机器人是不可实现的。不过无论k的值怎样变化，分析可以以同样的方式进行。

在(1)之后,IPT系统功率传输可以通过增加omega;,M,I1、Q2来提高。

然而,所有的可能性既有优点也有缺点。通过增加频率来增加功率是一种错觉,可能不会带来预期的收益。系统显然对频率是敏感的，但它不是一个简单的依赖,因为它出现在这里,这个限制将在下一节中描述。增加相互耦合无疑是最好的解决方案,因为它涉及到使磁感应更好,因为这是一个磁耦合,这是真的最理想的方法,但就每个应用中必须被考虑的耦合器大小和体积的材料而言有所限制。增加励磁电流是一个强制的解决方案，通常会导致效率低下。在这个过程中，它将给予更多的功率,但它对所有的组件构成更大的压力。增加Q2的副边电路是一个好的解决方案,但如下所述，这样增加副边的VA，缩小了它的带宽(有着与调节一个无线电接收器相似的感觉)。它不能进行过量调整或系统变得太难以调整和随着时间继续

调整(因为衰老会影响电容器)或不受控制的环境中(材料或存在的

运动可以改变电感值)。这些可能性在下一节中进行研究。

A.功率在电和磁的角度的质量因素

系统通常在充电应用中有一个原边,一个副边,(1)可以写成如下:

Pout=omega;L1I1*I1*（M²/L1L2）*Q2=V1I1*k²*Q2. （2）

在这种形式下,电能传输可以被视为输入VA,乘以磁耦合系数k²，乘以电气副边加负载电路的品质因数Q2,而不依赖于omega;,它现在包括在电压L1的输入中。换句话说,传输的功率通过增加NI的结果或原边频率，直到VA原边系统到达极限,之后可能需要额外的补偿(然后会加入到系统成本中)。如果电力需求是固定的,而且没有达到它的极限,然后在相同的电压下降低B的磁场来使频率增加，在气隙和任何领域可能存在的铁素体,能使铜的体积更小，都会被使用。

磁感应的大小在一个充电应用的板上在很大程度上取决于他们的预期的容忍偏差。对于200毫米的偏差,至少一块板子必须在400毫米左右，因此在偏差的条件下,能量可以存在重叠传输。与频率无关，对于一个给定的功率，一个给定的板需要本质上相同的输入VA。对于一个给定的功率和VA评等级,增加频率要求减少分区垫板电感的线段和增加串联补偿管理电压。简单地减少N使绕组稀疏，并且漏通量可能会增加。铁氧体的面积也可能减少但它必须包含磁通量。它可能变得更细，但它更有可能断开。一个好的有效缩减是由两个双线线圈减少NI的结果，但是电源现在必须供应两倍的电流。电子电路的供应功率的效率和副边电路在低频频率通常是在频率很高时工作的。在理想的条件下工作时，电源效率通常～95%,副边电路和控制效率高达96% - -97%。通常不需要强制冷却，有一个自然的期望使得耦合功率能够的效率asymp;90%,并且因此,耦合器效率也需要达到～96%—97%。出于这个原因,大多数耦合器使用铁氧体和利兹线形状,确保传导损失较低。设计这种耦合器的开发与应用已经进化了,但在80年代从第一个商业系统有一个清晰的理解,所有的耦合器必须低损耗。任何调整线圈的损失是线圈的功率除以Q[30]因此,所有商业系统使用带有高Q的谐振耦合线圈(电感器在这个式子中是QL =omega;L / rac,rac是在工作频率下线圈电感器的内阻)。因此,原边或副边的磁损耗在给定的功率传输等级下都可以定义如下:

P_loss=VA/Q (3)

对于一个并联谐振的副边来说，副边的功率是P_outradic;² 1, 或者对于串联谐振的副边来说是P_outQ2,大多数系统在额定功率运行的名义负载Q2近似于PoutQ2 gt; 3，都接近于P_outQ2。因此,磁功率损耗在额定功率附近传输如下:

P_loss=VA₁/Q_L1 VA_2Lasymp; P_outQ2（1/(kQ2)²/Q_L1 1/Q_L2）_. (4)

IPT系统设计通常这样工作的，在原边的VA有效值通常是大于副边的有效值(或结合副边)[7],[47],但是必须注意,当这些有功功率密切匹配时，如果系统在可变频率的条件下工作,鉴于这是名义上的分歧可能发生并且功率会下降。在固定频率系统工作下，通常接近这个点是最佳的工作条件，并且能够保证良好的效率。在充电系统中,类似大小的耦合器(通常有类似的有功功率限制)通常被设计工作在最大的有功功率条件下,而且以最大侧向位移和清关提供额定功率。因此,在这一点上kQ2asymp;1，于是，原边和副边在额定功率下的磁损失,与Q2 / QL成正比。随着更多的位移有必要降低输出功率或风险操作，以避免板损坏和缩短他们的寿命。

如果理想磁损失被定为为2%,然后在一个适合的线圈系统的工作条件都是接近额定有功功率,每个系统应该采用asymp;1%的损失。这相当于一个期望来操作,这样使得QL / Q2 gt; 100。作为一个典型的商业设计的例子,王等描述了一个20千瓦的系统,原边电路QL1=148[48],胡同样描述了一个400米的跟踪系统，并且在15 kHz下进行传感器操作,QL1=195,QL2=565[49]。

在这个应用中,每个传感器被Conductix-Wampfler AG 设计为提供10千瓦的正在开发的电力轻轨列车，预计将在德国带有Q2～4的负载下工作。因此,磁损失或者每个副边～1%。类似这样设计的例子，如2001年Vahle CPS系统，他和de-Boeij等自2001年以来已经在德累斯顿操作测量QL gt; 200[50]。[51]还分别在原边和副边显示了耦合器系统QL1= 308.6,QL2= 314。

因此,高品质因数线圈保证低损耗的基础，但文献中的术语是相当令人困惑的最近科尔等人的研究[52]似乎推测出了他们的区别，他们贴上强耦合磁共振和商业谐振电感系统的标签,甚至和上面描述的一样早。在[52]里面[53]有两个带有内在损失率的耦合谐振器Г1和Г2以耦合率k 耦合在一起。每个谐振器谐振品质因数QL =omega;/ 2Г。WPT的最优值是U = K /radic;Г1Г2。在传统电气工程术语中,相同的声明可能会写成:有两个调谐耦合电路带有耦合系数k和WPT品质因数U = kradic;Q_L1Q_L2，在这里，k、QL1、QL2都是前面定义的。正如上文所述,每个线圈的品质因数QL =omega;/ BW(这里BW指调谐电路的带宽),也可以说与每个电路的阻尼因子或前面描述的电路的电气参数相关。

这种命名法[53]广义上适用于任何类型的谐振器,而电一只适用于电气谐振，这个在所有实际的谐振器中形成了压倒性的数量。这两种形式表达了图的优点，U = 2 k /omega;oradic;QL1QL2= kradic;QL1QL2，表明这两个电路的空载品质因数一直都是重要

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