大功率船用无线充电系统及其关键设备设计
来源:用户上传
作者:唐慧妍 陈亚杰 周晶 马皓
【摘 要】 为解决有线充电存在的问题，提高运营安全性、减少维护成本，在分析船舶充电作业的特点、原理和技术需求的基础上，选择大功率无线充电系统，并介绍其关键设备松散耦合变压器的优化设计过程，并对线圈每层的结构、材料、散热、线圈绕法等多方面综合计算。通过计算机仿真计算，模拟线圈发生平面X轴、Y轴向偏移时耦合系数的变化情况。仿真结果显示，通过优化设计副边双绕组与原边绕组耦合性能互补，极大提高耦合系数。根据仿真结果，给出上海某客渡船无线充电系统船端设备的设计方案，并结合具体应用场景，设计1.2 MW无线充电系统方案。
【关键词】 船舶;电动力船;大功率无线充电;感应耦合;松散耦合变压器;耦合系数
0 引 言
近年来电池/电容储能船作为绿色环保的代表，成为解决沿海和内河港口污染问题的最佳路径，新能源船因此开始飞速发展。但目前，船用充电装置面临两大难题：成熟充电产品功率（仅在100～200 kW）等级太低;功率等级的提升和港口海况的不稳定，使得充电接口的对接问题（有的大功率插头仅能工作次）凸显。
有线充电系统存在以下缺点：接触口老化容易出现电火花，寿命受到限制;大功率情况下需要多个人工进行操作，效率低;插电头金属裸露，存在较大安全隐患。无线充电系统不存在船岸之间线缆连接的需求，能实现更安全、更便捷的连接和断开，可以很好地解决有线充电存在的问题，在提高运营安全性的同时，减少了维护成本。
在汽车领域，通用、奥迪、沃尔沃、丰田、上汽等汽车企业都进行了无线充电设施的研发。在样车测试中，充电产品的最大功率为200 kW，充电距离在300 mm以内。
与汽车领域不同，船舶因风、浪、吃水和装卸作业在码头处于自由浮动状态，对充电系统的动态运行条件要求高，即系统对船舶较大位置变化具有容错能力。船用储能系统容量大，需要大功率充电系统。
瓦锡兰与CONVTEC公司共同合作研发了世界第一套船用无线充电系统（见图1），其已在挪威水域“MF Folgefonn”号混合动力渡船上应用。这艘渡船长85 m、总吨，其充电功率达到1 MW。该系统基于感应电力传送，可在500 mm的距离进行无线充电。该系统的陆上发送侧线圈安装在液压臂上，允许根据当天的潮汐变化缓慢定位线圈。充电期间，液压臂保持在固定位置，船舶在自由浮动期间的任何移动都通过功率转换系统的控制进行补偿。
笔者介绍我国自主研发设计的1.2 MW船用无线充电系统方案，涉及系统工作原理、变压器结构选型、技术难点、结构组成等内容。
1 系统工作原理
由于风、浪和吃水的联合作用，以及装载和卸载引起的倾斜和吃水的变化，停靠船舶在装载作业期间可以随着陆上相对固定的设备移动，移动包括上下、左右、横（纵）倾、横（纵）摇等。船舶无线充电系统（见图2）必须经过精心设计，以确保在这种运动状态下其传输的功率及工作效率和安全性都不会受到影响。船舶无线充电系统有其自身特性，系统应对气隙距离的未对准和变化具有较高的容忍度，通过对其进行控制以自动补偿相对位置变化产生的影响。
解决船舶无线充电系统较大位置变化的容忍度问题有两种方式：（1）线圈利用机械定位系统，以保持两个线圈的相对位置固定;（2）相对位置变化的公差应包含在系统的设计和控制中。
根据应用需求，无线充电系统希望达到宽气隙范围和高水平错位耐受量、高效率水平。无线充电系统主要结构原理见图3。
感应耦合式非接触电能传输系统的工作原理是变压器呈松散耦合，原副边之间通过空间磁场耦合来实现能量的传输。系统主要由原边高频变流器、谐振补偿电路、耦合变压器线圈、副边高频变流器、副边谐振补偿电路组成。在大功率情况下，还应配有用于线圈及系统冷却的冷却系统。
谐振补偿电路采用串联-串联（SS）补偿。SS拓扑允许基于用于驱动功率传输的标准H桥电压源转换器拓扑设计系统。SS拓扑还具有谐振频率不受负载条件的影响、对两个线圈之间耦合条件的变化不敏感等优点。
松散耦合变压器形成的是一个发散式的磁场，线圈的结构决定了磁通路径方向，通过合理的线圈设计可以在原有磁芯基础上有效提高原边与副边的耦合程度和变压器的水平错位耐受量。
2 系统设计
2.1 松散耦合变压器结构设计
汽车与火车领域已开展了非接触电能传输系统的研究和应用示范，分别有长导轨结构耦合变压器、圆盘结构耦合变压器、“DD”结构耦合压器、电场和磁场双耦合通道电能传输等多种模式。圆盘状、方形、“DD”和“DDQ”及Bipolar、螺线管等各种耦合变压器性能对比见表1。
以上变压器型式各有优缺点。作为无线充电系统的核心部分，松散耦合变压器设计的好坏决定了原边与副边的耦合程度、原边与副边线圈的水平错位耐受量，直接影响系统空间传输范围的大小。[1-2]松散耦合变压器形成发散式的磁场，线圈结构决定了磁通路径方向，优化设计变压器线圈结构，可以对磁场中的磁通进行导向作用，从而提高空间传输范围。
船舶大功率充电系统在满足偏移容错能力高的要求的同时也需控制体积成本和复杂度;因此，变压器的设计，一方面考虑到船端接收侧线圈面积大于岸侧，需采用延长线圈;另一方面原边与副边采用不同的绕组结构，可以达到在偏移条件下，副边与原边绕组耦合性能互补，始终保持较高的耦合度。以上两个方面可以在不增加过多成本和保持变压器小尺寸的情况下，提高系统偏移容错能力。
由松散耦合变压器结构（图4）可以看出，此松散耦合变压器的原边采用螺线管结构，副边采用双解耦绕组结构，工作时副边双绕组分别接收磁场能量。利用Maxwell仿真软件模拟线圈发生平面X轴、Y轴方向偏移的情况，耦合系数随偏移量的变化情况见图5、图6。仿真结果显示，副边双绕组与原边绕组耦合性能互补，极大地提高了耦合系数。
nlc202208312013
转载注明来源:https://www.xzbu.com/3/view-15438965.htm
