2.2能量传输鲁棒控制技术
在动态无线电能传输控制技术方面,主要分为原边控制、副边控制和双边控制三种方式。奥克兰大学提出通过调节逆变器驱动信号占空比来控制原边谐振电流的方式,简化了系统的结构[29].KAIST在系统设计上采用原边恒流控制,即在逆变器前端加入DC/DC变换器,通过调节原边直流母线电压来实现逆变器输出恒流控制。原边控制的目的主要在于能够使供电导轨上产生恒定的交变磁场,进而实现对输出功率的鲁棒控制[30].东京大学采用副边控制策略,在整流电路后加入Buck变换器,利用状态空间平均法建立小信号模型,基于极配置法设计比例-积分(PI)控制器,实现恒功率或最大效率控制[5,31].此外,东京大学还提出基于可控整流和滞后比较器的副边控制方法,对输出功率或最大效率进行控制[32].双边控制分为双边通信控制和双边无通信控制。美国橡树岭国家实验室将原副边相结合,提出基于工作频率调制和双边无线通信的闭环控制方法,实现对电池的无线充电[3].香港大学研究人员提出无需双边通信的功率和最大效率双参数同步控制方法,通过DC/DC变换器调节副边等效交流阻抗实现最大效率控制,通过搜索原边输入功率最小值实现输出恒功率控制[33].表2总结了各类控制策略的部分优缺点。
对于动态无线电能传输的鲁棒控制策略,国外研究人员普遍采用PI控制算法,控制参数一般通过极点配置法选取,较为简单且 易于实现[5,31,33].但是现有的建模与控制研究通常忽略电动汽车动态无线供电实际应用中的多种不确定扰动信息,系统动态响应特性以及多参数扰动下快速鲁棒控制器设计的研究亟待进行。
2.3电磁兼容技术
动态无线电能传输利用高频强磁场实现电能的无线传输,自身工作频率较高,电磁环境复杂,因此电磁兼容设计是一项重要内容,具体包括磁屏蔽设计、频率配置、接地设计、剩磁设计、软件抗干扰设计等。根据国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的标准,在100kHz电 流 密 度 公 众 暴 露 限 值 为200mA/m2,如附录A表A1所示,其值过高可能对人体神经系统功能造成影响;比吸收率(SAR)限值为2 W/kg,功率密度限值为10 W/m2,二者值过高将导致人体局部组织过热。
电动汽车无线电能传输电磁干扰抑制可分为主动屏蔽与被动屏蔽两类。被动屏蔽方面,主要是通过铁磁性材料为磁通提供一个可替代路径或者利用低磁导率金属导体材料产生一个 与漏磁相 反的磁场[4,34].利用铁磁性材料可改善磁耦合线圈的自感和互感系数,在增强耦合性能的基础上进一步优化磁场空间分布约 束,磁路损 耗 较小,但屏蔽效果有限。金属屏蔽广泛应用于射频场合中,可抑制高频磁场电磁干扰。KAIST和橡树岭国家实验室的研究人员开展了金属导体材料磁屏蔽方面的研究,利用低磁导率金属导体来降低电磁干扰,该方案优点为设计简单、易于操作,但其局限性在于无法将发射线圈与接收线圈全部覆盖,导电材料在地面上的暴露 磨 损 及 存 在 的 涡 流 损 耗 直 接 影 响 系 统 的 性能[35-36].2015年KAIST提出了一种新型的被动屏蔽方法,将传统的铁氧体板嵌入一系列的周期金属片 作 为 一 种 新 型 屏 蔽 结 构,可 有 效 降 低 磁 场 干扰[37].
主动屏蔽方面,主要通过在耦合机构附近放置一个有源或无源主动屏蔽线圈,用以产生抵消磁场,相比 于 金 属 屏 蔽,所 占 空 间 更 小。KAIST在2013年发表的文章中,提出了一种加入谐振线圈的主动磁场抵消方法,并在一个绿色公交系统中进行了实验。在此基础上,2015年又提出了一种基于双线圈和相位调节的谐振式无源主动屏蔽方案,将屏蔽线圈放置在耦合机构的一侧,通过漏磁场产生感应电流,生成一个与原磁场相反的抵消磁场,实现磁屏蔽功能[38].然而由于受到控制因素制约,要产生一个与原磁场相位相反、幅度完全相同的抵消磁场难度较大,且引入的屏蔽线圈带来的系统整体效率的降低成为不可忽视的短板。表3总结了四种屏蔽方法的部分优缺点。