無線供電在軌道交通中的應用（大功率軌道交通無線充電技術的研究進展）

2023-05-31 16:45:14

軌道交通包含了高鐵、地鐵、輕軌、城市有軌電車、磁浮列車等多種形式，是我國最重要的交通運輸方式之一。目前電氣化軌道交通的供電方式大都採用接觸式供電，如架空接觸網或第三軌供電等。但隨著列車提速和應用場景的拓寬，傳統接觸式供電開始顯現出諸多限制。

滑動接觸在高速運行狀態下的安全性、穩定性以及製造精度等問題，是限制車速提升的一個重要因素；受電弓或集電靴的日常磨損導致其維護成本增加；大風、沙塵天氣會導致弓網接觸出現振動、離線，進而引發電弧；在高寒覆冰等惡劣天氣下還容易產生刮弓、脫弓等事故。

城市軌道交通

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術在近年來得到了極其迅猛的發展，為上述供電問題提供了一種全新的解決方案。隨著近年來其理論基礎趨於成熟，相關應用研究得以迅速開展。具體到電氣化交通領域，面向電動汽車的無線充電技術已邁入實用化階段，其在便利性、安全性、緊湊性等方面都展現出了明顯的優勢。而將WPT應用於軌道交通，可有效解決上述接觸式供電的問題，提升其安全性和可靠性、降低維護成本、放寬供電系統對車速的限制，是我國軌道交通發展的重要推動力。

作為近年來的研究熱點，WPT在電氣化交通中的應用研究得以廣泛開展，但目前該領域的主流研究範疇尚集中在電動汽車無線充電領域，而軌道交通應用具有其特點和難點，包括：

（1）功率遠超當前WPT研究的主流等級。一般來說，列車所需功率可達數百kW至MW等級，與當前電動汽車無線充電領域數kW至數十kW的主流功率等級存在較大技術跨度。這對系統中高頻電能變換、磁耦合機構乃至整個系統架構等方面均帶來了巨大挑戰。

（2）軌道限制所帶來的準一維運動模式，使其磁耦合機構的設計思路與常規電動汽車不盡相同，而大功率的需求也進一步加劇了磁耦合機構功率密度、電磁兼容性、絕緣散熱等方面的設計難度。

（3）列車功率大、尺寸長，適合採用模塊化組合供電方式，對應到無線傳輸架構上也將出現多發射多接收架構，並且還需應對與電動汽車動態充電類似的分段切換問題。這些都將導致系統階數和複雜度劇增，系統分析、設計和控制難度增加。

鑑於此，WPT技術由當前電動汽車應用跨入軌道交通領域存在多方面的技術臺階。當前國內外已有若干研究機構正致力於攻克這一臺階，包括韓國鐵道研究院、奧克蘭大學、西南交通大學、中科院電工所、天津工業大學、湖南大學、國防科技大學、哈爾濱工業大學、清華大學等，均取得了許多有價值的理論與技術成果，但整體而言，技術成熟度仍然不高，尤其在實際裝置層面，具有代表性的大功率實現案例屈指可數。

此處將文獻中公開發表的典型案例部分列舉如下，大功率軌道交通WPT典型案例如圖1所示。

圖1 大功率軌道交通WPT典型案例

國際方面，目前已報導的最高功率等級WPT系統即應用於軌道交通領域，為韓國鐵道研究院（Korea Railroad Research Institute, KRRI）在2015年發表的高鐵動態無線供電系統，實測輸出功率為818kW，系統效率82.7%，並且在型號為HEMU 430x的高鐵上進行了10km/h車速的實車實驗，如圖1a所示。此項研究在功率等級方面具有開創性意義，但其在控制性能、系統效率等方面仍有較大的改善空間。

龐巴迪（Bombardier）公司的PRIMOVE系統也是大功率WPT應用的一個典型案例，其採用單個100kW的接收單元模塊，可組合為100～500kW的充電/供電系統，應用於從小型乘用車到電動大巴，乃至公共軌道交通的各類電動車輛，如圖1b所示。但受商業保密限制，其相關技術細節未見發表，且自2012年之後，就未曾有更進一步的信息披露。

德國Conductix-Wampfler公司（現IPT Technology）亦致力於軌道運行裝置的WPT技術，並將其應用於工業、物流等行業。在軌道交通領域，此前有報導其搭建了系統總功率為150kW的軌道車試驗線，其中接收端由6套25kW裝置組成。但該案例同樣缺乏更為詳細的報導。

國內方面，此前學術文獻中已公開發表的百千瓦以上裝置僅兩例，分別為湖南大學的非接觸牽引供電系統，如圖1c所示，設計功率150kW，實際輸出功率約136kW，系統效率91.6%；西南交通大學的非接觸供電軌道車模擬實驗平臺，如圖1d所示，功率等級100kW，系統效率約85%。此外中科院電工所曾報導了一套設計功率為200kV·A的軌道交通非接觸供電樣機，但其文獻記載的運行功率最大為30kW，故此處暫未列入。

由此可見，在軌道交通WPT領域，當前國外研究相對領先，但其大功率實現案例依然不多，且大都有產業界深度參與，存在技術保密問題，系統性能亦有待提升；而國內方面則仍處於起步階段且以原理性研究居多，但其發展勢頭不可忽視。

表1 各團隊實際裝置對比

總體而言，無線電能傳輸（WPT）技術應用於軌道交通領域，可解決傳統接觸式供電在安全性、可靠性和經濟性等方面的問題。但相比於當前主流WPT研究，該應用場景所涉及的功率大、系統複雜、實現難度較高，且在運動、機械等方面亦具有自身特徵，存在諸多關鍵技術問題有待解決。該領域的功率等級、系統效率和技術成熟度都遠未達到實用化水平，尚需持續性的研究攻關。

電力系統及發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室（清華大學電機系）的研究人員陳凱楠、蔣燁、檀添、林秋瓊、李劍超、趙爭鳴，從拓撲架構、磁耦合機構、系統建模與參數優化、控制策略等方面對其開展研究，取得了若干階段性成果，並基於此研發350kW軌道交通無線充電系統樣機，其在額定輸出功率下的系統效率可達94.3%，最高效率達95.4%。樣機在功率傳輸能力、系統效率、輸出特性等方面均取得了較好的效果。尤其在系統效率方面與同類裝置相比表現突出。