唐慧妍 陳亞杰 周晶 馬皓

【摘 要】 為解決有線充電存在的問題，提高運營安全性、減少維護成本，在分析船舶充電作業(yè)的特點、原理和技術(shù)需求的基礎(chǔ)上，選擇大功率無線充電系統(tǒng)，并介紹其關(guān)鍵設(shè)備松散耦合變壓器的優(yōu)化設(shè)計過程，并對線圈每層的結(jié)構(gòu)、材料、散熱、線圈繞法等多方面綜合計算。通過計算機仿真計算，模擬線圈發(fā)生平面X軸、Y軸向偏移時耦合系數(shù)的變化情況。仿真結(jié)果顯示，通過優(yōu)化設(shè)計副邊雙繞組與原邊繞組耦合性能互補，極大提高耦合系數(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果，給出上海某客渡船無線充電系統(tǒng)船端設(shè)備的設(shè)計方案，并結(jié)合具體應(yīng)用場景，設(shè)計1.2 MW無線充電系統(tǒng)方案。

【關(guān)鍵詞】 船舶;電動力船;大功率無線充電;感應(yīng)耦合;松散耦合變壓器;耦合系數(shù)

0 引 言

近年來電池/電容儲能船作為綠色環(huán)保的代表，成為解決沿海和內(nèi)河港口污染問題的最佳路徑，新能源船因此開始飛速發(fā)展。但目前，船用充電裝置面臨兩大難題：成熟充電產(chǎn)品功率（僅在100～200 kW）等級太低;功率等級的提升和港口海況的不穩(wěn)定，使得充電接口的對接問題（有的大功率插頭僅能工作次）凸顯。

有線充電系統(tǒng)存在以下缺點：接觸口老化容易出現(xiàn)電火花，壽命受到限制;大功率情況下需要多個人工進行操作，效率低;插電頭金屬裸露，存在較大安全隱患。無線充電系統(tǒng)不存在船岸之間線纜連接的需求，能實現(xiàn)更安全、更便捷的連接和斷開，可以很好地解決有線充電存在的問題，在提高運營安全性的同時，減少了維護成本。

在汽車領(lǐng)域，通用、奧迪、沃爾沃、豐田、上汽等汽車企業(yè)都進行了無線充電設(shè)施的研發(fā)。在樣車測試中，充電產(chǎn)品的最大功率為200 kW，充電距離在300 mm以內(nèi)。

與汽車領(lǐng)域不同，船舶因風(fēng)、浪、吃水和裝卸作業(yè)在碼頭處于自由浮動狀態(tài)，對充電系統(tǒng)的動態(tài)運行條件要求高，即系統(tǒng)對船舶較大位置變化具有容錯能力。船用儲能系統(tǒng)容量大，需要大功率充電系統(tǒng)。

瓦錫蘭與CONVTEC公司共同合作研發(fā)了世界第一套船用無線充電系統(tǒng)（見圖1），其已在挪威水域“MF Folgefonn”號混合動力渡船上應(yīng)用。這艘渡船長85 m、總噸，其充電功率達到1 MW。該系統(tǒng)基于感應(yīng)電力傳送，可在500 mm的距離進行無線充電。該系統(tǒng)的陸上發(fā)送側(cè)線圈安裝在液壓臂上，允許根據(jù)當(dāng)天的潮汐變化緩慢定位線圈。充電期間，液壓臂保持在固定位置，船舶在自由浮動期間的任何移動都通過功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的控制進行補償。

筆者介紹我國自主研發(fā)設(shè)計的1.2 MW船用無線充電系統(tǒng)方案，涉及系統(tǒng)工作原理、變壓器結(jié)構(gòu)選型、技術(shù)難點、結(jié)構(gòu)組成等內(nèi)容。

1 系統(tǒng)工作原理

由于風(fēng)、浪和吃水的聯(lián)合作用，以及裝載和卸載引起的傾斜和吃水的變化，?？看霸谘b載作業(yè)期間可以隨著陸上相對固定的設(shè)備移動，移動包括上下、左右、橫（縱）傾、橫（縱）搖等。船舶無線充電系統(tǒng)（見圖2）必須經(jīng)過精心設(shè)計，以確保在這種運動狀態(tài)下其傳輸?shù)墓β始肮ぷ餍屎桶踩远疾粫艿接绊憽４盁o線充電系統(tǒng)有其自身特性，系統(tǒng)應(yīng)對氣隙距離的未對準(zhǔn)和變化具有較高的容忍度，通過對其進行控制以自動補償相對位置變化產(chǎn)生的影響。

解決船舶無線充電系統(tǒng)較大位置變化的容忍度問題有兩種方式：（1）線圈利用機械定位系統(tǒng)，以保持兩個線圈的相對位置固定;（2）相對位置變化的公差應(yīng)包含在系統(tǒng)的設(shè)計和控制中。

根據(jù)應(yīng)用需求，無線充電系統(tǒng)希望達到寬氣隙范圍和高水平錯位耐受量、高效率水平。無線充電系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)原理見圖3。

感應(yīng)耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的工作原理是變壓器呈松散耦合，原副邊之間通過空間磁場耦合來實現(xiàn)能量的傳輸。系統(tǒng)主要由原邊高頻變流器、諧振補償電路、耦合變壓器線圈、副邊高頻變流器、副邊諧振補償電路組成。在大功率情況下，還應(yīng)配有用于線圈及系統(tǒng)冷卻的冷卻系統(tǒng)。

諧振補償電路采用串聯(lián)-串聯(lián)（SS）補償。SS拓撲允許基于用于驅(qū)動功率傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)H橋電壓源轉(zhuǎn)換器拓撲設(shè)計系統(tǒng)。SS拓撲還具有諧振頻率不受負載條件的影響、對兩個線圈之間耦合條件的變化不敏感等優(yōu)點。

松散耦合變壓器形成的是一個發(fā)散式的磁場，線圈的結(jié)構(gòu)決定了磁通路徑方向，通過合理的線圈設(shè)計可以在原有磁芯基礎(chǔ)上有效提高原邊與副邊的耦合程度和變壓器的水平錯位耐受量。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 松散耦合變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計

汽車與火車領(lǐng)域已開展了非接觸電能傳輸系統(tǒng)的研究和應(yīng)用示范，分別有長導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)耦合變壓器、圓盤結(jié)構(gòu)耦合變壓器、“DD”結(jié)構(gòu)耦合變壓器、電場和磁場雙耦合通道電能傳輸?shù)榷喾N模式。圓盤狀、方形、“DD”和“DDQ”及Bipolar、螺線管等各種耦合變壓器性能對比見表1。

以上變壓器型式各有優(yōu)缺點。作為無線充電系統(tǒng)的核心部分，松散耦合變壓器設(shè)計的好壞決定了原邊與副邊的耦合程度、原邊與副邊線圈的水平錯位耐受量，直接影響系統(tǒng)空間傳輸范圍的大小。[1-2]松散耦合變壓器形成發(fā)散式的磁場，線圈結(jié)構(gòu)決定了磁通路徑方向，優(yōu)化設(shè)計變壓器線圈結(jié)構(gòu)，可以對磁場中的磁通進行導(dǎo)向作用，從而提高空間傳輸范圍。

船舶大功率充電系統(tǒng)在滿足偏移容錯能力高的要求的同時也需控制體積成本和復(fù)雜度;因此，變壓器的設(shè)計，一方面考慮到船端接收側(cè)線圈面積大于岸側(cè)，需采用延長線圈;另一方面原邊與副邊采用不同的繞組結(jié)構(gòu)，可以達到在偏移條件下，副邊與原邊繞組耦合性能互補，始終保持較高的耦合度。以上兩個方面可以在不增加過多成本和保持變壓器小尺寸的情況下，提高系統(tǒng)偏移容錯能力。

由松散耦合變壓器結(jié)構(gòu)（圖4）可以看出，此松散耦合變壓器的原邊采用螺線管結(jié)構(gòu)，副邊采用雙解耦繞組結(jié)構(gòu)，工作時副邊雙繞組分別接收磁場能量。利用Maxwell仿真軟件模擬線圈發(fā)生平面X軸、Y軸方向偏移的情況，耦合系數(shù)隨偏移量的變化情況見圖5、圖6。仿真結(jié)果顯示，副邊雙繞組與原邊繞組耦合性能互補，極大地提高了耦合系數(shù)。

大功率松散耦合變壓器冷卻散熱方式為：線圈繞組內(nèi)部中空使用液體冷卻，采用可微管道換流的銅管;磁芯的材料采用納米晶或非晶材質(zhì)，通過導(dǎo)熱膠進行固定安裝，散出熱量。國外第一套無線充電設(shè)備充電10 min需要散熱20 min;采用以上兩種冷卻散熱方式，可以充電10 min散熱10 min，大大縮短了散熱時間。

線圈背后的區(qū)域可以通過磁性背板和導(dǎo)電屏蔽完全屏蔽磁場。采用鋁板進行屏蔽，鋁板厚度對屏蔽效能影響較大，鋁板越厚，屏蔽效果越好，船上乘客不會因為金屬外殼外部的感應(yīng)充電器的工作而暴露在任何磁場中。在岸側(cè)，則根據(jù)安裝在船舶外殼外部和充電器周圍的陸上區(qū)域的屏蔽量，在發(fā)送側(cè)線圈周圍施加一定的安全距離，以確保符合規(guī)定。

2.2 功率補償設(shè)計

由于發(fā)射線圈與接收線圈之間有相當(dāng)大的氣隙距離，相較于在線圈之間傳輸?shù)挠泄β?，感?yīng)功率傳輸會浪費大量的無功功率。在充電系統(tǒng)的兩側(cè)使用具有電容補償?shù)闹C振網(wǎng)絡(luò)來提供線圈的無功功率，可實現(xiàn)高效率和合理的功率電子轉(zhuǎn)換器額定值。采用SS補償通常是大功率應(yīng)用的首選。

由于感應(yīng)耦合式電能傳輸在不同工作狀態(tài)（電池充電狀態(tài)變化等）下會呈現(xiàn)不同的負載特性，且船舶停靠時與無線充電設(shè)備的空間偏移會造成耦合系數(shù)等不確定因素的改變，從而引起系統(tǒng)工作狀態(tài)大幅改變，使系統(tǒng)對自身的參數(shù)適應(yīng)性提出了較大的要求。為實現(xiàn)系統(tǒng)高效率工作，采用原邊諧振補償技術(shù)并控制電源輸出電壓電流零相角諧振頻率，避免出現(xiàn)頻率分叉等穩(wěn)定性問題，可以有效提高系統(tǒng)傳輸性能并降低系統(tǒng)的維護成本。

采用連續(xù)自適應(yīng)諧振補償常用拓撲結(jié)構(gòu)（見圖7），在變壓器原邊、副邊均接入串聯(lián)的諧振電感和諧振電容，使得反向工作狀態(tài)與正向工作狀態(tài)一致。該方案在實船應(yīng)用中是簡單可行的。

3 實船應(yīng)用

某全電動車客渡船，用于上海長江兩島之間車輛和人員運輸擺渡工作。該船設(shè)置有620 kWh的超級電容，每天需要充電達20次以上。如采用MW級以上的有線充電方式，需要通過電纜絞車將直流電纜接口連接至渡船上的插座箱，需使用4個400 A、 V直流插座，其中2個插座用于接直流正極、2個插座用于接直流負極。直流插座插拔壽命為次，相當(dāng)于使用大約7個月就要更換直流接插件。同時需要配置2名工作人員，在渡船靠岸時進行充電接口插拔工作。

面對人員操作疲勞、全天候露天作業(yè)安全隱患、充電線纜操作不便等多方面的不足問題，項目組提出采用1.2 MW無線充電系統(tǒng)方案，以增強充電系統(tǒng)和設(shè)備的安全性，延長使用壽命。方案中采用機械臂追蹤船舶?？繒r的位置偏移。

該無線充電系統(tǒng)輸入輸出電力配置為岸側(cè)（輸入）950 V DC母線（？%）、船側(cè)（輸出）950 V DC母線（+10%～8%）。船側(cè)最大傳輸功率 kW，輸入側(cè)到輸出側(cè)額定工作傳輸效率大于90%。在船側(cè)浮動較小時，無線充電系統(tǒng)輸出全部功率;船側(cè)浮動較大時，無線充電系統(tǒng)限制功率輸出。

該無線充電系統(tǒng)在設(shè)計時考慮到改變氣隙距離，即使與耦合條件范圍相對應(yīng)的位置發(fā)生任何變化，系統(tǒng)都具有全功率傳輸?shù)哪芰?。系統(tǒng)可容忍的偏移具體范圍見表2。

系統(tǒng)主要包括線圈、岸側(cè)送電柜、船側(cè)受電柜、機械臂傳感器系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。原邊將直流母線電壓變換為交流電給原邊線圈供電，副邊線圈接收能量后經(jīng)整流為直流電。系統(tǒng)方案見圖8。

線圈是無線充電系統(tǒng)的功率傳輸部分，其利用電磁耦合通過岸側(cè)發(fā)送線圈將能量傳輸至船側(cè)接收線圈。線圈由繞組、磁芯、屏蔽及防護殼組成，其中繞組部分內(nèi)部中空使用液體冷卻，并采用鋁板進行屏蔽處理，防護等級在IP56。散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用電磁場―溫度場―流體場耦合仿真;通過對線圈線距進行優(yōu)化，不宜采用均勻線距方式實現(xiàn)偏移容差。

原邊送電柜是無線充電系統(tǒng)的配電核心部分，將直流母線電壓變換為交流電給原邊線圈供電，在船體波動過程中實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓和功率傳輸緊急情況下的相關(guān)保護。柜內(nèi)包含直流斷路器、輸入端支撐電容、濾波電容、DC/AC逆變器、諧振電容及冷卻裝置等。

船側(cè)受電柜在副邊線圈接收能量后將其整流電路為直流電，并實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓控制、偏移兼容性控制及功率傳輸緊急情況下的相關(guān)保護功能。

原邊線圈安裝在X、Y、Z3個軸桁架機械臂上，機械臂進行柔性跟隨運動，防止原邊和副邊線圈進行功率傳輸時由于船身隨水波運動產(chǎn)生偏離而導(dǎo)致傳輸效率降低。機械臂通過傳感器檢測X、Y、Z3個方向的偏移，測算出機械臂3個軸需要補償?shù)木嚯x和速度，由控制器發(fā)出控制信號控制桁架機械臂實現(xiàn)自動追蹤，使得兩個線圈的偏移保持在較小范圍內(nèi)。

控制系統(tǒng)根據(jù)負載的功率需求，實現(xiàn)電能傳輸過程中的穩(wěn)壓及功率控制。控制系統(tǒng)能夠在原編和副邊線圈發(fā)生一定偏移時，實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的功率傳輸，并且在整體系統(tǒng)發(fā)生故障時，進行故障報警和保護處理?？刂葡到y(tǒng)為整體系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和可靠性提供保障。原邊主控制器和副邊控制器采用無線通信傳輸控制信息。

4 結(jié) 語

新能源船舶的電池容量在100～ kWh，充電系統(tǒng)常面臨著高溫、高濕、高腐蝕性、大負荷沖擊等惡劣使用環(huán)境。這就要求充電系統(tǒng)具有快速充電能力，充電功率通常在100～ kW。目前快充充電樁最大支持功率僅為250 kW，功率太小，無法滿足船用需求。大功率無線充電系統(tǒng)，能彌補有線大功率充電系統(tǒng)的剛性連接、接插件磨損和腐蝕及大功率插頭接口操作性不便等缺陷，提高了運營安全性，減少了維護成本。

通過Maxwell軟件模擬仿真，核心設(shè)備松散耦合變壓器的設(shè)計滿足大功率（1 MW以上）下結(jié)構(gòu)緊湊、散熱快、耦合系數(shù)高、安全可靠的設(shè)計要求。

作為一種非接觸式、連接快速便捷的充電方式必將是未來船用充電的發(fā)展趨勢，且會有廣闊的市場應(yīng)用前景。

參考文獻：

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