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用于电池、电动和插电式混合动力容器的大功率感应充电。
copy;istockphoto.com/Ian Dyball
电池驱动的船舶推进系统
船舶推进系统目前正在经历转变，以不断降低成本的高储能锂离子电池的可用性为基础。由于可以节省燃料，将电池安装在具有高度可变负载剖面的自耦电力推进系统中已被证明具有经济效益。再者，在环境敏感地区、港口和人口密集地区附近使用电池有可能实现无排放作业。对于短途，基于路线的运输，在船上
只要电池在每一站都能以足够的能量充电，电池存储还可以实现零排放操作。
在挪威，政府已经推动了短程沿海运输的真正零排放运营。因此，政府开发的合同对海洋工业提出了挑战，使得他们开发电池型的双头渡船技术，用于州际公路上的短峡湾道口。由于成功的技术演示，挪威的许多渡轮航线预计将在未来转换为完全基于电池或插入式混合动力
IEEE电气化杂志/ 2017年9月
图1所示。瓦锡兰的零排放渡轮与感应充电的概念可以看到充电板在船侧的中间。(图片由Wartsila Norway AS提供。)
渡轮的靠泊时间可低至4-5分钟。
为了提高可用停靠时间的利用率，已经开发了特定的连接技术，并在第一艘电池驱动的渡轮上进行了测试。例如，MS Ampere是第一艘开始投入常规运行的全电池驱动的挪威汽车轮渡，它配备了两种可互换的定制充电装置。其中一种解决方案使用一个基于重力的插头，它被放入一个特殊形状的插座中，而另一种解决方案依赖于一个带有a的三相受电弓
年。使这一过渡到零排放操作的工业发展也有望在世界各地得到广泛应用。
虽然短途渡轮可以使用电池作为唯一的船上能源，但这种安排给电池充电技术带来了前所未有的挑战。一般来说，这类船的运行时间很紧，停靠时间很短，这意味着充电时间受到严重限制，而每一站提供给电池的能量必须足够维持正常和连续的运行。这意味着需要高功率充电。然而，许多挪威渡轮在偏远和农村地区运营，当地的配电网络容量有限。因此，在充电过程中，可能需要局部的陆上储能来提供必要的电能，而不会造成现有电源过载或造成局部电压质量问题。考虑到特定的能量需求，在每一个有时间限制的码头充电，这是至关重要的是有效地利用可用的停泊时间转移电力到船上的电池。充电设备的连接和断开所花费的时间将减少传输能量的可用时间，从而增加陆上和船上设备所需的额定功率。更高的充电功率要求也可能对电池寿命产生不利影响。
已建立的船舶电力输送系统主要用于从岸上提供电力，使船上的发电机在船舶在港口停留几个小时或更长时间时停止工作。在这样的应用中，动态电缆与机械插头手动或自动连接所需的时间对整体运行没有明显的影响，即使连接和断开的有效时间可以达到几分钟。但是，灵感来自铁路系统的设计其连接时间超过一分钟是不能接受的
。
传统的电池充电方法可以应用于电动渡轮，但都依赖于机械接点或插头。因此，他们都将面临机械磨损和消耗，需要相对精确的定位，这可能是很难实现在恶劣天气条件下的操作。此外，沿海渡轮在恶劣和盐碱的环境中运行，可能对电力安全构成挑战。可靠的快速和自动断开充电系统的机制也是必要的，以确保渡轮在紧急需求时可安全离开码头。
为了避免在海洋环境中进行大功率电池充电的机械连接系统的挑战和限制，挪威的一项工业计划已经开始开发向船舶传输非接触感应功率的技术。虽然无线感应功率传输是众所周知的，并在越来越广泛的应用中得到利用，随着电动汽车、公共汽车和轨道车辆的电池充电的快速发展，但对于船舶大功率应用这是仍一个新的概念。
利用感应功率传输实现无线电池充电的动机，在船舶应用中与在电动汽车中的新兴应用中是相同的。事实上，没有任何机械接触的感应充电适合于不需要任何暴露在机械磨损下的电气和机械接口的完全自动化的操作。此外，感应功率转移消除了直接的电接触和挑战有关的存在大量的雪，冰，或其他污垢，以及潜在的泄漏电流和盐环境中的腐蚀。这可以通过避免位置敏感的移动部件来提高充电方案的安全性和可靠性。在陆地上的充电设备和板载电气系统之间也固有地提供了电流隔离。最后，最主要的优势之一是不需要任何机械连接程序就能输送电力，
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允许更好地利用有限的停泊时间进行电池充电。感应电力输送的解决方案可以设计为当船舶进入码头的位置时，直到船舶开始下一次航行时，立即将功率转移到船舶上。
图2展示了最初设想的用于在码头向船舶传输无触点感应功率的系统。只要船舶能保持在其预期位置附近的合理范围内，动力传递不需要机械连接。因此，在落潮和涨潮之间有很大差异的地方，陆上系统只需要非常缓慢的机械定位。然而，开发这种技术的挑战之一是，其功率水平显著高于公路或铁路应用的普遍水平。此外，由于船舶相对于码头的部分自由漂浮运动，由于船舶的风、浪、吃水和装卸，船舶应用系统的动态操作条件可能更具挑战性。
大功率船用感应充电技术
在过去几年中，大量的研究和开发工作都指向了无触点感应功率转移技术上。电动汽车无线充电系统一直是学术界和工业界研究的热点。然而，用于汽车工业的概念主要是为了通过允许无线操作来提高用户的便利性而开发的。因此，公众和学术研究的大部分注意力都集中在旨在替代几千瓦功率水平的传统插拔式充电器的配置上。
与此同时，为了在公共交通系统如公共汽车、有轨电车和火车上应用高功率系统，人们做出了显著的工业发展努力。例如，导电瓦姆普(后来的IPT技术)为电动巴士提供了无触点感应充电技术，这种技术早在2002/2003年就在意大利得到了证明。庞巴迪Primove随后演示了为公共汽车和有轨电车进行感应充电，充电功率可达200千瓦左右。韩国的韩科院(KAIST)也在寻求类似的发展，那里也在考虑公交车和火车的申请。基于韩科院的工作，韩国铁路研究所提出了一个设计和一个完整的演示系统，该系统具有1兆瓦发射机和200千瓦范围内的多个接收单元的并行操作，以获得大约820千瓦的总功率传输能力。然而，这些系统的规格和设计并不直接适用于大功率船舶应用的特殊挑战。
将感应充电技术引入海洋领域带来了一些具体的挑战。第一个也是最明显的:与城市公共汽车或有轨电车相比，渡轮在两个充电端口之间运行需要更高的能量和功率水平。因此，感应充电器必须能够提供兆瓦功率范围内的电力，最好是在一个单元。
此外，对于触电式的大功率电池充电，公路或铁路车辆在充电时通常处于静止位置。相比之下，在充电作业过程中，由于船舶的风、浪、吃水的共同作用，以及装卸过程中倾斜度和吃水的变化，船舶可以相对于固定的岸上充电结构进行移动。充电系统的设计必须保证传输的电量、运行的效率和安全性不受影响。这意味着该系统应具有较高的公差和变化的气隙距离，并应在这种变化的相关位置控制自动补偿的影响。
一般来说，可以用两种方法来处理对较大位置变化的公差。其中一个感应功率传输系统线圈可能需要一个机械定位系统来保持两个线圈的相对位置固定。另外，在系统的设计和控制中应该考虑相对位置的变化。这种静态布置线圈的方法，无论是在船上还是在岸上，都是非常可取的，因为它避免了复杂和庞大的动态定位设备，这些设备具有跟踪船舶运动所需的6个自由度。这是特别重要的，因为系统应该具有高可靠性和在恶劣天气条件下操作的能力，这可能会干扰可靠、快速和准确的位置控制。另一方面，对充电器必须能够承受的距离和位置的最大变化率提出了一些苛刻的要求
~
~
电感耦合器
= ~
电池
图2。设想的概念为无线感应充电的电池动力船。
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，同时保持足够的高效率。
考虑到上述各方面，以及本地航运业的经验，双方同意为渡轮设计第一个实用的固定式感应充电器，以符合下列要求:
xxpower传输能力至少1mw
当在20到50厘米之间改变气隙距离时，能够在与耦合条件范围相对应的任何位置变化时进行全功率转移。
如果所开发的感应功率转移系统能够以电力电子转换器技术为基础，适用于具有690-Vac或1,000-Vdc配电系统的船舶驱动应用，则更好。但是，如果预期的位置变化必须由尺寸过大的系统组件来补偿，则兆瓦级的功率水平意味着在成本方面的一个重大劣势。因此，设计和开发工作的目标是获得一个简单的系统配置，包含很少的组件，并且对每个组件的评级要求最低。
选择的拓扑和系统配置
由于发射线圈和接收线圈之间有相当大的气隙距离，因此感应功率传输系统可以看作是一个具有非常高的磁化电流的变压器，与线圈之间可以传输的有功功率相比，这就造成了高的无功功率消耗。因此，高效率和
接收
侧面dc-Bus或电池
逆变器
=
~
电感耦合
发送端
整流器
~
=
空隙
图3。一个ss补偿的感应功率传输系统的电路图。
图4。线圈的主要布局。
合理的电力电子变流器额定值只能通过充电系统两侧的电容补偿谐振网络来满足线圈的无功功率需求。如图3所示，串联(SS)补偿通常是高功率应用程序的首选，所开发系统的基本设计假设采用这种拓扑结构。在SS拓扑结构中，谐振电容对线圈施加高压，与并联补偿相比，降低了线圈和电容的额定电流。此外，SS拓扑允许设计基于标准h桥电压源转换器(VSC)拓扑的系统来驱动功率传输。SS拓扑还具有谐振频率不受加载条件影响、对两线圈耦合条件变化不敏感的优点。
由于串联电容与线圈电感之间的谐振，所假设的感应功率转移电路结构具有很强的滤波效果，对于接近谐振频率的电流，其表现为带通滤波器。因此，即使发送端逆变器产生的电压输入是方波信号，图3所示的配置中的电流也将接近正弦。接近谐振频率的操作也意味着系统两端的电压和电流是相位的。因此，发送端变换器的方波操作将导致半导体器件的近零电流切换，从而限制了系统的转换损耗。
为了保持尽可能简单的拓扑结构，可以在接收端使用直接连接到电池或调节直流母线的二极管整流器，如图3所示。然而，如果板载电力系统需要一定程度的控制，可以在二极管整流器和接收侧dc-bus之间插入dc-dc变换器。
线圈设计
双头渡船停靠时，其位置通常在经度方向上有小的变化。因此，充电过程中预期的位置变化主要与船舶装卸过程中持续的上下运动有关。根据系泊系统的不同，侧移会增加或减少气隙的长度，以及由于风、浪和吃水而产生的滚转/俯仰。为了考虑到在上下方向上可能出现的较大范围的偏差，轮渡应用中首选延长线圈的设计，如图4所示。
线圈的设计，包括线圈匝数的选择、工作频率、主要尺寸和所需的磁性后板厚度，都是基于计算磁场、所需体积和由此产生的效率的分析模型
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并通过有限元分析进行了验证。一般来说，根据现有的材料和线圈的冷却要求，功率转移能力约为500 kW/m2是合理的，工作频率在2-8 kHz范围内。工作频率的选择范围还取决于对使用来自基于1.7 kv绝缘门极双极晶体管(IGBT)的标准690 v VSC驱动器的可用h桥模块的偏好。
图5为两种不同工况下两线圈间截面的能量密度(以色标表示)和功率流(以白线表示)的有限元分析实例。图中所示的两种情况都对应于1mw的额定功率传输。图5(a)显示了两个线圈在绕组之间的最大气隙距离为50cm时的工作情况。或者，图5(b)显示了在相同的功率流下，但在未对准的位置和略微减小的气隙距离下的操作，与预期的最坏情况下前后方向的未对准相对应。
类似的有限元分析已用于验证系统在不同位置的电气参数，并设计满足磁场标准所需的屏蔽。一般情况下，线圈后面的区域可以通过磁性背板和导电屏蔽完全屏蔽磁场。因此，乘客在船上将不会暴露在任何磁场由于操作感应充电器在金属外壳。然而，在岸上，为了确保符合规定，发送端线圈周围应该有一定的安全距离，这取决于安装在船体外面和充电器周围岸上区域的屏蔽量。
系统设计和最小化
等级的要求
对于ss补偿的感应充电系统，传输特定功率所需的电流通常会随着传输距离的增加而增加。由于气隙距离增大导致的耦合减小，也会导致等效磁化电感减小，这意味着驱动功率传递所需电流所需的电压将减小。忽略系统中的损耗，假设在与发送端和接收端同相位的电压和电流发生共振的情况下运行，电流和电压的乘积必须保持恒定，才能独立于磁耦合条件传递恒定的功率。因此，如果增加气隙距离使耦合系数减半，则所需电流将增加一倍，所需电压将减半。对于具有谐振频率跟踪的常规操作，系统的所有组件都必须设计成在最小气隙距离时所需的电压和在最低期望耦合条件(即，最大气隙距离)。作为设计要求的气隙距离的变化是对应于耦合系数范围的选定概念，其中最大值大约是最小值的三倍。对于常规的谐振操作，这意味着所有的线圈、电容器、电线和半导体器件都必须在额定电压下额定三倍的额定电流。这种级别的额定电流将对系统的费用和材料需求产生重大影响。
电容补偿电路用于感应功率传输的一个重要特性是，存在一组特定的工作条件，在这些工作条件下，输入阻抗的频率特性，即,
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