电动汽车无线供电技术应用及商业运营模式研究科技项目申请书及可行性研究报告.docx
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电动汽车无线供电技术应用及商业运营模式研究科技项目申请书及可行性研究报告
公司科技项目
申请书及可行性研究报告
填写说明
一、请严格按照要求填写各项。
二、专业类别根据项目所属专业种类中选择。
三、项目摘要应简要说明项目研究内容和预期成果，字数要求500字以内。
四、项目申请单位指提出项目建议与申请的单位或部门，如总部各部门、直属机构、各分子公司及其所属基层单位等。
五、项目分工应主要描述项目申请单位与协作单位的任务划分，项目计划进度安排应按时间段列出研究推进计划，并明确各阶段交付物及标志性里程。
六、科技经费预算支出科目具体解释见附件2。
七、科技成果的成熟度水平评判标准见附件3。
项目简表
项目名称
电动汽车无线供电技术应用及商业运营模式研究
项目
负
责
人
姓名
工作单位
广西电网有限责任公司电力科学研究院
性别
年龄
职称
高级工程师
项
目
分
类
[]基础性研究
[]前瞻性研究
[√]应用性研究
[]发电技术[]输电技术[]变电技术
[]配电技术[√]用电技术[]电网运行技术
[]信息技术[]通信技术[]物资管理技术
[]电网建设[]继保自动化[]其它
项目起止时间
2017年1月——2019年12月
申请经费总额
556万元
是否重点项目
是
项目摘要（500字以内）：
当前大力推进电动汽车充电基础设施建设的紧迫任务下，电动汽车充电服务将是未来南方电网公司新业务的一个重要发展领域，给售电市场带来了新的增长点。
针对困扰电动汽车产业发展的电池瓶颈问题，在已经完成的南网科技项目《面向智能电网的无线电能传输关键技术研究》（K-GX2012-034）基础上，本项目拟通过设计高效高功率密度功率变换器模块及其并联扩容技术，进一步提升电动汽车无线供电功率；通过对整体系统进行系统参数优化设计以及最优效率跟踪，实现系统整体供电效率提升；优化导轨即电能发射线圈结构以及切换方式，进一步降低系统成本，同时提升电动汽车运动过程中的供电稳定性，并实现电磁防护；研究不同工作模态下的电能缓冲环节的控制方法，实现大功率用电设备移入移出工作模态切换后电压电流等参数的快速稳定；通过研究快速异物检测技术，进一步提升系统供电过程中的安全性。
基于上述理论与技术研究，开发整套高效大功率电动汽车无线供电装置，建设电动汽车无线供电示范工程，并在市场条件下，研究电动汽车无线供电技术带动的新增售电商业模式，为电动汽车无线供电技术应用奠定基础，为电网企业增加新的收益。
预期成果成熟度水平
6级（1—9级）
项目负责人意见：
（签字）年月日
申请单位意见：
（公章）年月日
总部部门、直属机构、分子公司意见：
（公章）年月日
项目分工与计划进度安排
1、项目相关单位及具体分工
单位
具体分工
广西电网有限责任公司
电力科学研究院
牵头单位，负责资料收集、整体等前期工作，以及整个项目的组织协调和研究工作。
协作单位1
负责任务1、任务2、任务4，协助任务3的开展实施。
协作单位2
作为本项目研究成果的工程化及应用单位，负责任务3的开展实施，协助任务2的开展，并负责落实无线供电汽车、改装、车体试验等的资金及人力资源。
协作单位3
2、计划进度安排
任务名称
开始时间
完成时间
主要内容及交付项
技术收资与调研
2017年1月
2017年4月
主要内容：
开展技术收资、调研
交付项：
电动汽车无线供电技术现状研究报告1份。
方案设计、原理设计
2017年3月
2017年5月
主要内容：
进一步明确项目目标、研究内容、总体技术方案和技术路线
交付项：
项目开题相关资料；投稿论文1篇。
高效高功率密度功率变换器模块及其并联扩容技术研究
2017年4月
2017年8月
主要内容：
设计一套高效高功率变换器，并将其模块化，然后通过并联扩容技术，搭建输出功率为60kW的电动汽车移动供电装置。
交付项：
研究报告2份：
高效高功率密度功率变换器研究报告、高效高功率密度功率变换器并联扩容技术研究报告；发明专利2项；投稿论文1篇；投稿南网技术论坛论文1篇。
大功率耦合机构优化、及切换策略以及电磁防护
2017年6月
2017年12月
主要内容：
针对大功率耦合机构的几何参数、电气化参数等建立电磁耦合机构参数优化模型，并利用交叉熵算法对所建立模型进行全局寻优求解。
此外采用多级导轨切换形式为电动汽车在线供电，通过系统的汽车位置传感器检测汽车位置与速度信息，并以此给出前方系列线圈导轨导通的时间策略。
交付项：
大功率耦合机构优化、及切换策略以及电磁防护研究报告1份；发明专利申请材料1项，实用新型专利申请材料2项；投稿论文2篇。
系统效率优化设计及控制方法研究
2017年5月
2018年5月
主要内容：
以最高效率为目标函数建立系统NLP模型，对系统参数进行优化；提出一种基于仿人智能控制的原边移相控制策略，使系统稳定的工作在最优效率点。
交付项：
系统效率优化设计及控制技术研究报告1份，投稿论文1篇，实用新型专利申请材料1项。
电能缓冲环节工作模态切换控制方法研究
2018年4月
2018年7月
主要内容：
针对系统的功率需求，设计缓冲电容的储能容量。
设计充电控制电路参数以及电能释放控制电路参数，并建立整体系统模型，在此模型基础上设计不同工作模态下的控制时间序列。
研究系统工作模态的频繁切换对器件电压、电流应力的影响，提出电压、电流应力的承压范围。
提出输出综合控制方法，保证系统电流电压特性的快速稳定。
交付项：
发明专利申请材料1项，实用新型专利申请材料2项；投稿论文1篇；投稿南网技术论坛论文1篇。
快速异物检测方法研究
2018年8月
2019年1月
主要内容：
分析金属异物或生物体入侵无线供电系统前后的系统能效特性，寻找两中运行状态下差异性较大的一个或一组特征量。
基于选定特征量设计异物检测算法以及实现方式。
考虑系统实际应用环境中常见的金属异物或生物体，选取具有代表性的金属或生物体模型作为实验样本，检测方法识别异物的准确度与灵敏度。
交付项：
基于能量传输通道的非法负载检测方法研究报告1份；投稿论文1篇；发明专利申请材料1项，实用新型专利申请材料各2项。
搭建整套额定输出功率为60kW的电动汽车移动供电装置的，开发电动汽车无线供电系统高级应用功能
2019年2月
2019年6月
主要内容：
构建电动汽车在线供电整套装置，完成系统模块功能调试整体系统联调及工业化设计。
完成系统传输功率、整体效率、各部分电压电流应力、系统快速响应能力的测试。
交付项：
大功率电动汽车无线供电装置研制报告、大功率电动汽车无线供电装置调试报告、大功率电动汽车无线供电装置检测报告各1份，实用新型专利申请材料3项。
示范工程建设
2019年7月
2019年11月
主要内容：
建设电动汽车无线供电示范工程。
交付项：
大功率电动汽车无线供电示范系统设计方案1份、大功率电动汽车无线供电示范系统建设方案1份、大功率电动汽车无线供电示范系统联调报告1份；投稿南网技术论坛论文1篇。
基于无线供电技术的电动汽车商业运用模式研究
2019年8月
2019年11月
主要内容：
在市场条件下，研究电动汽车无线供电技术带动的新增售电商业模式。
交付项：
基于无线供电技术的电动汽车商业运营模式研究报告1份。
结题评审
2019年11月
2019年12月
主要内容：
归纳整理项目验收资料，提交科技项目验收申请，完成项目验收工作。
交付项：
项目工作总结报告、项目技术研究报告各1份。
编写要求：
1.列出分时间段计划研究内容；
2.分时间段提供成果的内容和形式，要求具有可检查性。
项目组成人员情况
序号
姓名
年龄
职称、职务
工作单位
任务分工
1
高级工程师
广西电网有限责任公司电力科学研究院
项目负责人，负责项目技术路线把关、项目实施及过程管理
2
高级工程师
广西电网有限责任公司电力科学研究院
项目领导小组组长，负责项目技术路线把关和技术成果审核
3
工程师
广西电网有限责任公司电力科学研究院
项目实施小组组长，负责项目实施过程管理及具体实施
4
高级工程师
广西电网有限责任公司电力科学研究院
项目领导小组副组长，负责项目技术路线把关和技术成果审核
5
高级工程师
广西电网有限责任公司
项目领导小组成员，负责技术成果审核
6
高级工程师
广西电网有限责任公司电力科学研究院
项目实施小组成员
7
工程师
广西电网有限责任公司电力科学研究院
项目实施小组成员
8
工程师
广西电网有限责任公司电力科学研究院
项目实施小组成员
9
工程师
广西电网有限责任公司电力科学研究院
项目实施小组成员
10
工程师
广西电网有限责任公司电力科学研究院
项目实施小组成员
11
工程师
广西电网有限责任公司电力科学研究院
项目实施小组成员
一、目的和意义
1.描述与项目研究内容紧密相关的公司实际生产力水平和今后的发展方向；
当前大力推进电动汽车充电基础设施建设的紧迫任务下，电动汽车充电服务将是未来南方电网公司新业务的一个重要发展领域。
以电替代燃油的电动汽车充分发挥了电能便捷、安全、清洁、高效的优势，给售电市场带来了新的增长点。
作为全球汽车领域的热点之一，电动汽车的研发日益成熟，相关技术难点包括电力驱动、协调控制、能量管理以及整车集成等均得到极大改善。
目前，电动汽车定点无线充电技术解决了有线充电桩存在的安全隐患（比如接触打火、线缆燃烧、忘记拔掉插头启动电动汽车等）、气候适应性差、需要有露地部分（充电桩需要接插头，目前有些公司为了解决这个问题研发无桩充电比如特来电公司，但其仍然有较小的充电插座）、灵活方便性差等问题，是对电动汽车停车充电技术质的飞跃。
然而电能供给作为制约电动汽车行业发展的重大瓶颈仍然存在，为了保证电动汽车续航所采用的大容量电池供电方式存在高成本、低能量密度等问题，这些问题极大地限制了电动汽车领域的产业化和推广应用。
因此项目申请团队在调研了电动汽车车企、超级电容等储能设备企业及交通系统管理部门后，拟围绕电动汽车无线供电技术展开研究。
在已经完成的中国南方电网有限责任公司科技项目《面向智能电网的无线电能传输关键技术研究》（K-GX2012-034）围绕电动汽车无线供电提出了一定的解决方案，有较好的研究基础。
在此基础上，本项目拟通过设计高效高功率密度功率变换器模块及其并联扩容技术进一步提升电动汽车无线供电功率；通过对整体系统进行系统参数优化设计以及最优效率点跟踪实现系统整体供电效率提升；优化导轨即电能发射线圈结构以及切换方式，进一步降低系统成本，同时提升电动汽车运动过程中的供电稳定性；通过在电网与供电系统之间设置能量缓冲模块合理降低大功率用电设备的频繁移入移除对电网稳定性造成的冲击性影响；通过研究快速异物检测技术进一步提升系统供电过程中的安全性。
基于该模式的研究目前无论在国际上还处于初期阶段，而项目申请团队在该方面进行了一定的前期研究，目前已经建成了电动汽车定点无线充电和电动汽车无线供电示范工程，为本项目的研究奠定了坚实的基础。
2.阐述项目成果对该现状和技术发展的作用；
与无线通信的要求一样，人们期望着，能量供应能够摆脱电缆的限制。
因此，人们研究了许多种方法，根据传能机理及介质的不同，无线供电技术可分为基于电场耦合原理的无线电能传输技术、基于微波传能原理的无线电能传输技术、基于激光传能原理的无线电能传输技术、基于超声波传能原理的无线电能传输技术、基于电磁感应耦合的无线电能传输技术等。
作为中小尺度空间传能技术，最为普遍也是相对成熟的是基于电磁感应耦合原理的无线电能传输技术。
该无线传能技术属于一种近空间电能接入技术。
本项目拟研究的高效高功率密度功率变换器模块及其并联扩容技术、系统效率优化设计及控制、大功率耦合机构优化及切换策略、基于超级电容的供电侧能量缓冲机制研究、快速异物检测方法对电动汽车无线供电技术有着积极的促进作用，具有很广阔的应用前景。
3.分析成果应用和推广的途径；
该系统可用于多种种类的电动汽车无线供电，从本质上解决了电动汽车续航能力差、蓄电池体积重量大、价格昂贵等问题，为电动汽车提供一种便捷的、安全可靠的供电方式。
此外该技术可向其他领域进行推广应用，也具有较高的使用价值与经济效益，具体领域如下：
（1）高铁列车无线供电。
目前的高铁列车受电是通过受电弓滑板与接触网导线相接触，在静止或滑动状态下获取电能。
在高速运行状态下，弓网关系受到摩擦、磨损、离线、振动、电弧和环境等多方面挑战，各因素之间既有区别又相互联系，它们的共同作用使弓网问题更为突出。
（2）巡检机器人的供电。
应用无线能量传输装置对巡检机器人进行供电，避免了传统充电方式引起的插头磨损和变形，保证了复杂工作环境下供电的稳定与安全。
相比传统的充电装置能够有效地提高装置可靠性和使用寿命；且使用方便高效。
（3）用于电力系统。
在配电网中安装有很多户外电力设备，如FTU、RTU等，目前这些设备的供电电源一般是采取在线路上安装PT的方式，增加了线路的成本和能量的损耗。
采用高压取电，能够将高压线路的电能直接转换成设备所需要的电压等级，再加上无线能量传输装置，能够更好更有效地为这些设备提供电源。
这种方案对于输电网的设备也同样能够得到有效的应用。
（4）能够对危险场所进行供电。
对于某些危险场所，线路不能方便地安装和维护，对在其中工作的设备进行供电则是一个难题，使用无线能量传输装置对其进行供电，能够有效地解决这个难题，并且大大地节约线路的成本。
4.分析成果推广后的直接和间接效益。
经济效益：
（1）无线充电电动汽车完全使用电能为汽车提供能量，不需要使用燃油。
而燃油的价格远远高于电能，而且随着化石燃料的消耗，燃油的价格势必上涨，且最终必然转化为其他能量供能，这一点上尤为重要。
从长远角度看，无线充电电动汽车能够比普通燃油汽车节约更多的成本，也带来更大的经济效益；
（2）无线充电电动汽车的国家支持和补贴。
目前国家正在大力支持发展新能源汽车，而电能作为一种极为优秀的清洁能源，受到了国家和社会的大量关注和全力支持。
目前国家对生产和购买电动汽车都有较高的补贴，所以其效益非常可观；
（3）无线充电电动汽车环境维护成本低。
燃油在使用过程中会产生各种废弃的固、液、气体，使生产车间和车辆本身环境变得非常差，不仅会花费大量经费维护，还需要对工厂人员的安全支付大量的金钱，而无线充电电动汽车则对环境非常友好，没有多余的污染，为企业节省大量的经费；
（4）无线充电电动汽车车辆本身后期维护成本低。
目前电力电子器件已经发展到了相对成熟的地步，在器件的额定范围内使用，其损坏几率极小。
而且，本项目所设计的电路中加入了过压、过流等各种保护措施，安全系数非常高。
同时，大部分部件都是经过标准化设计的或者是模块化设计的，这就意味着损坏的器件在市面上很容易购买到，而且可以很简单地更换。
因此，本项目所设计的无线充电电动汽车后期维护成本很低；
（5）无线充电电动汽车潜在客户多，市场广。
本节前文所述是目前电动汽车发展阶段使用电动汽车较多的场合，随着产业的发展和技术的成熟，电动汽车的市场势必会越来越大。
而且，目前电动汽车的总体销量不足燃油汽车的零头，其整体市场极大，几乎是空白状态。
所以抢先发展无线充电电动汽车，其后期的销量和市场可以保证的，其经济效益也是非常理想的；
（6）电网发电峰值和用户用电谷底的时候可以通过无线充电电动汽车调节。
社会效益：
缓解加油站及附近路段的排队堵车现象，促进社会的和谐、稳定；进一步改善了城市形象；减轻了频繁加油或充电给驾驶员带来的烦恼。
同时，伴随着环境污染、温室效应等社会问题，企业在考虑自身发展的同时，还要考虑对环境的影响。
环境变差、气候变暖将逐渐成为地方经济发展的沉重负担，严重制约地方经济发展。
可见，发展电动汽车将成为降低环境负担、加快经济发展的重要支撑。
发展低碳经济，通过产业结构调整、政策制度创新、清洁能源开发等来推动经济发展，可以尽可能的减少高碳能源消耗，降低温室气体排放，达到经济发展和环境保护的双赢效果，实现经济的可持续发展，提高绿色GDP占比。
但电动汽车充电难以及续航能力有限成为了消费者主要关注的焦点以及电动汽车发展的主要瓶颈问题。
电动汽车无线供电技术可以实现电动汽车不停车供电，解决了充电难的问题；同时在线供电在理论上也无限延长了汽车的续航能力，从而进一步拉动电动汽车市场。
二、项目研究的背景
1.国内外研究水平的现状和发展趋势；
基于电磁感应原理的无线电能传输实用化技术的研究与开发始于20世纪90年代，由新西兰奥克兰大学波依斯（JohnBoys）教授为首的课题组率先开展，深入研究了基本原理及系统构架、高效能电能变换拓扑、工作频率优化及频率稳定性控制策略、能量与信号混合传输以及系统能效提升及稳定性问题等关键技术，并就应用技术及示范系统的开发和推广开展了大量的工作。
随后德国Wampfler公司围绕大功率电能传输系统中的磁路设计、电磁机构传输特性等问题开展了研究。
香港许树源教授围绕小功率系统中的发射线圈PCB集成及磁场均匀问题，提出基于PCB线圈阵列的解决方案。
随着研究的深入，日本、韩国、新西兰、美国、德国等国家相继投入大量人力与物力开展该领域研究，取得了大量的研究成果。
2007年，美国麻省理工学院（MIT）的MarinSoljacic研究小组在Science期刊上发表论文，阐明了通过磁共振原理可实现2米范围内60W无线电能传输，虽然整个系统的效率只有约40%但该研究成果的发表，引起了全世界的关注，更是把无线电能传输技术的研究以及实用装置的开发推向了一个新的时代。
2007年8月，在日本召开了“无线电源革命研究会--电源线消失之日”研讨会，着重讨论了无线电能传输发展的前沿动态及研究现状，专家们在会上预言：
无线电能传输时代即将到来。
2010年8月，国际无线充电联盟在北京发布Qi无线充电国际标准，在手机、数码相机等数码产品上大规模推广应用无线电能传输技术。
由此，无线电能传输技术进入一个新的发展阶段。
在国内，重庆大学、天津工业大学、武汉大学、华南理工大学、东南大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、中科院电工研究所、清华大学，浙江大学、西安交通大学、上海交通大学等高校和科研院所相关研究团队也积极开展无线电能传输技术的研究与开发工作，相继在高效传输模式及新型系统架构、系统非线性建模与优化控制、系统能效提升及稳定性问题、中尺度空间无线电能传输等方面取得了显著的研究成果，并在中小容量应用方面做了大量工作，为中国的无线电能传输技术发展奠定了坚实的基础。
2014年9月，中兴通讯在湖北襄阳发布了定点式无线充电公交示范点，10月份在成都西博会发布了无线充电纯电动社区巴士，2015年1月，成都社区巴士成为国内首条正式载人商用的无线充电汽车。
中兴通讯无线充电技术原理为通过非接触的电磁感应方式进行电力传输，和传统的电动汽车充电桩、充电站不同，无线充电装置被埋入停车位或者路面的地下，整个系统只有充电器、发射垫，以及车辆底盘上的接收端。
车辆仅需开到发射垫上方，无线充电即可开始。
2009年奇瑞汽车股份有限公司在专利中阐述了电动汽车无线充电系统的结构。
该系统的发射线圈埋在地下，接收端放置在车身底部，且接收线圈离地高度小于10cm。
另外，能量发射端和能量接收端均有无线通讯单元，可以完成汽车端和电网端的通讯。
就目前的研究和开发应用现状来看，目前的研究均围绕电动汽车的定点无线充电问题而展开。
然而上述研究仍存在一些不足，首先无法实现大功率情况下的无线供电，因此无法解决电动汽车对车载电池依赖大以及续航能力弱等问题。
其次，定点无线充电的抗偏移能力较弱，需要车辆非常精确地停止在充电线圈上方才能够进行充电，这对驾驶技术较弱的驾驶员而言并不方便。
此外，目前充电的效率较低，对于电动汽车而言，本身属于较大功率应用，效率较低会导致成本较高，浪费能源。
综上所述，高效大功率电动汽车无线供电技术的研究是电动汽车发展的需求，具有重要的实用价值。
2.介绍国外研究机构对本项目的研究情况；
目前，在国外，新西兰奥克兰大学（TheUniversityofAuckland）、韩国高等科学技术学院（KoreaAdvancedInstituteofScienceandTechnology，KAIST）、日本琦玉大学（SaitamaUniversity）、东北大学（TohokuUniversity）、早稻田大学（WasedaUniversity）、美国橡树林国家实验室（OakRidgeNationalLaboratory）、麻省理工学院（MassachusettsInstituteofTechnology，MIT）等国外研究团队对电动汽车无线供电电磁耦合机构进行了相关的研究。
韩国的专家和学者最近几年也开始展开了对电动车动态无线供电技术的研究，他们将这种采用动态无线供电技术的电动车称为在线电动车（OnlineElectricalVehicles，OLEV），主要也是采用基于电磁感应耦合原理的无线电能传输技术，其研究重点主要集中在电磁耦合机构的优化设计与电磁场屏蔽技术等方面。
韩国高等科学技术学院提出了一种用于在线电动车感应供电的“I”型窄导轨-宽拾取的电磁耦合机构，导轨的宽度为10cm，整个导轨分为多个磁极，且各磁极交替反向（相邻两个磁极的磁场方向相反）。
每个磁极由一个“I”型磁芯和相应的导轨缆线组成。
拾取机构由两个80cm×50cm（长×宽），且反向绕制的线圈构成。
由于拾取线圈的宽度是导轨宽度的8倍，因此能够承受较大的横向偏移量。
通过在路面下的导轨周围埋设横向和纵向的金属屏蔽板，并使用金属刷连接汽车底盘和路面的纵向金属屏蔽板等措施，明显降低了车内空间的电磁场强度。
新西兰奥克兰大学针对能量发射机构采用集中式线圈阵列的电动车动态感应供电系统，提出了一种双极性导轨线圈（BipolarTrackPad）结构，这种结构可以消除相邻两个线圈之间的相互影响，通过调整叠加距离能够使相邻线圈的互感为零；并提出一种双D形正交（Double-D-Quadrature，DDQ）拾取线圈结构。
为了解决电动车动态取电过程中的横向偏移问题，提出了一种多相导轨式感应耦合电能传输系统，该系统可以在更宽的范围内产生相对比较均匀的磁场；并提出一种可以同时接收横向和纵向磁场的正交拾取线圈。
德国法勒（VAHLE）公司，自20世纪末开始研发非接触电能系统（ContactlessPowerSystem，CPS），并先后发布了应用于地面输送线、电动单轨行车系统和运输车等领域的非接触式电能接入解决方案及相关产品。
该公司的常规取电装置的功率容量为500W~3kW。
美国北卡罗莱纳州立大学（NorthCarolinaStateUniversity）的ZelikoPantic等对采用电池供电和超级电容供电的电动车的动态无线充电技术进行了研究，对这种技术在城市交通领域中的应用前景进行了探讨，他们的研究也是基于感应耦合电能传输技术。
美国橡树岭国家实验室的的JohnM.Miller博士领导的课题小组提出了“蛛网线圈”的高品质因数的磁耦合机构绕制方法，验证了双发射线圈、单接收线圈的结构方案，实现了功率5kW以上，DC-DC效率约85%的无线充电系统设计，其中磁耦合机构的效率在97%以上，还在控制策略方面提出动态调整系统的工作频率以使接受功率
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