電動汽車電池管理及無線充電技術(shù)課程報告

1、2017 年 春 季學(xué)期研究生課程考核（閱讀報告、研究報告）考核科目:電動汽車電池管理及無線充電技術(shù) 學(xué)生所在院（系）:電氣工程及自動化學(xué)院學(xué)生所在學(xué)科:儀器儀表工程學(xué) 生 姓 名:趙航宇學(xué) 號:16S101097學(xué) 生 類 別:應(yīng)用型考核結(jié)果閱卷人電動汽車的無線充電技術(shù)調(diào)研學(xué)習(xí)報告 趙航宇 院 （系）：電氣工程及自動化學(xué)院 專 業(yè)：儀器儀表工程學(xué)號：16S101097 指導(dǎo)教師：朱春波 魏國 2017年3月第一章 概述電能是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡哪茉粗?，我們?nèi)粘Ｉ钪芯哂须姵氐难b置有很多，手機(jī)、pad等電子設(shè)備快速發(fā)展，這些都是需要時常充電的設(shè)備，無線充電技術(shù)對電池設(shè)備的方便使用有著重要

2、的作用，當(dāng)前無線充電技術(shù)的發(fā)展中，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，把握相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)無線電技術(shù)的發(fā)展，為人類社會做貢獻(xiàn)是當(dāng)前相關(guān)研究人員的重要任務(wù)。無線充電技術(shù)指的是，電池設(shè)備在充電過程中不借助電能傳送導(dǎo)線，利用電磁波感應(yīng)原理或者其他相關(guān)的交流感應(yīng)技術(shù)，在電能的發(fā)送和接收處安裝相應(yīng)的設(shè)備，通過設(shè)備發(fā)送和接收產(chǎn)生的交流信號給設(shè)備進(jìn)行充電的一種新型充電技術(shù)，無線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不用電源線給設(shè)備進(jìn)行充電，極大地增加了充電的便利性，當(dāng)前無線充電技術(shù)的應(yīng)用還不夠廣泛，在其發(fā)展的過程中有機(jī)遇也有挑戰(zhàn)，我們應(yīng)當(dāng)積極了解無線電技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。1831年，邁克爾法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，電磁通量的

3、變化會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生一定的感應(yīng)電流，電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)對無線充電技術(shù)的產(chǎn)生有著重要的指導(dǎo)作用。19世紀(jì)90年代，尼古拉特斯拉提出了無線電力傳輸?shù)臉?gòu)想，這也是人類第一次的無線電力傳輸思想，所以人們稱之為無線電能傳輸之父。特斯拉在構(gòu)想中將地球作為內(nèi)導(dǎo)體，外導(dǎo)體是地球外的地球電離層，在內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間建立低頻共振的徑向電磁波振蕩模式，從而實(shí)現(xiàn)表面電磁波傳輸能量。特斯拉的大膽構(gòu)想雖然因?yàn)樨斄Φ雀鞣N原因沒有實(shí)現(xiàn)，但其無線電力傳輸?shù)乃枷雽χ鬅o線傳輸技術(shù)的發(fā)展有著重要的啟蒙作用。進(jìn)入21世紀(jì)以來，便攜類電子產(chǎn)品逐漸深入到人們的日常生活中，無線充電技術(shù)隨著電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用得到了快速發(fā)展，各種無

4、線充電產(chǎn)品的出現(xiàn)滿足了人們?nèi)粘ＴO(shè)備的充電需要，例如各研究機(jī)構(gòu)和公司研發(fā)的無線充電手機(jī)、便攜式電腦等。無線充電相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步。第二章 無線充電技術(shù)解決電動汽車發(fā)展難題受動力電池容量的限制，目前 EV 的續(xù)駛里程較短,電池充電站的建設(shè)成為制約 EV 應(yīng)用和發(fā)展的最大瓶頸。為此，各國均大力進(jìn)行充電站建設(shè)來推動EV的應(yīng)用，如美國計(jì)劃建設(shè)800萬個充電站；日本計(jì)劃于 2012在東京建成1 000個充電站。無線充電技術(shù)將是未來電動車充電的主要方式。當(dāng)前電動汽車主要的充電方式有3種，分別是普通充電的充電樁快速充電的充電站以及可更換電池的換電站。但是這 3 種方式都有一定的弊端。普通方式充電多

5、為交流充電，電壓 220 V 或 380 V，一次需要 810 h才能充滿，一個有 10個位置的電站一天充 30 輛汽車，10 萬輛汽車需要大量充電站，將占用大量用地?？焖俪潆姺绞蕉酁橹绷鞒潆?，一次充電需要 1020 min。數(shù)據(jù)顯示，把 35 kWh的電池充電完畢大約需要 250 k W 的充電功率，一次快速充電消耗的電能是一棟辦公大樓用電負(fù)荷的 5倍。一個充電站開 4個充電機(jī)，功率就達(dá)到“兆瓦”級，快速充電對城市電網(wǎng)的沖擊非常大。動力電池的電氣充電方法包括接觸式充電和無線充電。接觸式充電采用插頭與插座的金屬接觸來導(dǎo)電；無線充電或稱無線供電（WPT）是以耦合的電磁場為媒介實(shí)現(xiàn)電能傳遞。對于

6、EV 用WPT，即將變壓器原、副邊繞組分置于車外和車內(nèi) 通過高頻磁場的耦合傳輸電能。與接觸式充電相比，WPT 使用方便、安全，無火花及觸電危險，無積塵和接觸損耗，無機(jī)械磨損和相應(yīng)的維護(hù)問題，可適應(yīng)多種惡劣環(huán)境和天氣。由于動力電池組輸出電壓較高，帶來的安全隱患較多，高安全性、方便性是人們早期關(guān)注汽車 WPT 的主要原因。 隨著研發(fā)的深入, 人們認(rèn)識到 WPT 便于實(shí)現(xiàn)無人自動充電和移動式充電，在保證所需行駛里程的前提下，可通過頻繁充電來大幅減少 EV 配備的動力電池容量，減輕車體質(zhì)量，提高能量的有效利用率；并有助于降低 EV 初始購置成本，解決其受制于大容量電池的高成本問題，推進(jìn)EV 的市場化。

7、一般來說，實(shí)現(xiàn)無線充電主要通過 3 種方式，即電磁感應(yīng)、電磁共振和無線電波。 電磁感應(yīng)原理的應(yīng)用受制于過短的供電端和受電端距離,而另外 2 種方式則可能突破這一制約。 國外對 EV 用 WPT 技術(shù)的研究已經(jīng)取得了較好的成果。 相比于接觸式充電器，兩者的 PFC（功率因數(shù)校正）技術(shù)、動力電池充電控制及單體電池電壓均衡技術(shù)基本相同； 不同點(diǎn)在于非接觸變壓器的設(shè)計(jì)、變換器拓?fù)浼捌淇刂坪头墙佑|反饋技術(shù)。 此外，非接觸反饋還可以采用磁隔離方式來實(shí)現(xiàn)。 雖然,無線能源在電動汽車領(lǐng)域目前還是一個全新的概念,但商業(yè)化運(yùn)作已經(jīng)在手機(jī)、MP3 及電腦等小容量電源中使用。 隨著無線充電技術(shù)的成熟，電動汽車將是無線

8、充電設(shè)備最具潛力的市場。 無線充電技術(shù)是近幾年才開始發(fā)展起來的一個新興行業(yè)，未來有著廣闊的發(fā)展空間?？焖俪潆姾头墙佑|充電技術(shù)的進(jìn)步可能會大大改變包括產(chǎn)業(yè)設(shè)備及電動汽車在內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)， 并開創(chuàng)出新的市場。 快速充電的鋰離子充電電池在電動汽車等領(lǐng)域推進(jìn),或?qū)⑼苿臃墙佑|充電的引用。 采用快速充電電池的電動工具市場在迅速成長。 產(chǎn)業(yè)設(shè)備及電動汽車使用電線的充電方式較為麻煩，與非接觸充電相結(jié)合是擴(kuò)大市場的關(guān)鍵。 具體而言，無人搬運(yùn)機(jī)、產(chǎn)業(yè)機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)設(shè)備，和新一代有軌電車、巴士和商用車輛等在固定線路運(yùn)營的電動汽車等將對非接觸充電的應(yīng)用起到推動作用。 這是由其充電安全性的提高和方便省事的優(yōu)點(diǎn)所決定的。 目

9、前，可為電動汽車等充電的大功率非接觸充電技術(shù)的開發(fā)比以往任何時候都興盛。其中，共振方式的非接觸充電技術(shù)引起了極大關(guān)注。第三章 電動汽車無線充電裝置的類型及工作原理無線電能傳輸就是借助于電磁場或電磁波進(jìn)行能量傳遞的一種技術(shù)。 無導(dǎo)線分為：電磁感應(yīng)式、電磁共振式和電磁輻射式。 電磁感應(yīng)可用于低功率、近距離傳輸；電磁共振適于中等功率、中等距離傳輸；電磁輻射則可用于大功率、遠(yuǎn)距離傳輸。 電源電線頻繁地拔插，既不安全，也容易磨損。 一些充電器、電線、插座標(biāo)準(zhǔn)也并不完全統(tǒng)一，這樣即造成了浪費(fèi)，也對環(huán)境造成了污染。 而在特殊場合下， 傳統(tǒng)輸電方式在安全上存在隱患，采用架設(shè)電線的傳統(tǒng)配電方式很困難。 因此，無

10、導(dǎo)線便愈發(fā)顯得重要和迫切。電磁感應(yīng)式充電是由初級線圈一定頻率的交流電， 通過電磁感應(yīng)在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端；磁場共振是由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當(dāng) 2 個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量；無線電波式（電磁輻射式）充電是類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主要由微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，接收電路可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在負(fù)載作出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。 電動汽車不但充電時間長，更換電池或利用充電樁等通過電纜充電的模式，也存在操作上的不便，而且雨天作業(yè)的安全性問題，更是令人擔(dān)憂。相比而言，非接觸

11、充電裝置不需要用電纜將車輛與供電系統(tǒng)連接，便可以直接對其進(jìn)行快速充電。 加之非接觸快速充電能夠布置在停車場、住宅及路邊等多場所，又可以為各種類型的電動汽車（包括插電式合動力汽車）提供充電服務(wù)，使電動汽車隨時隨地充電變?yōu)榭赡堋?對于公交車，可以將充電設(shè)施布置在終點(diǎn)站、樞紐站及換乘站等地點(diǎn)，利用短暫的停車時間便可以完成快速充電。電磁感應(yīng)通過送電線圈和接收線圈之間傳輸電力，是最接近實(shí)用化的 1 種充電方式。當(dāng)送電線圈中有交變電流通過時，發(fā)送（初級）、接收（次級）兩線圈之間產(chǎn)生交替變化的磁束， 由此在次級線圈產(chǎn)生隨磁束變化的感應(yīng)電動勢， 通過接收線圈端子對外輸出交變電流。目前存在的問題是：送電距離比較

12、短（約 100 mm），并且送電與接收兩部分出現(xiàn)較大偏差時， 則電力傳輸效率就會明顯下降；功率大小與線圈尺寸直接相關(guān)，需要大功率傳送電力時， 須在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和電力設(shè)備方面加大投入。無線電能傳輸原理：變壓器的疏松耦合非接觸式實(shí)現(xiàn)了電能的無物理連接傳輸。 它將系統(tǒng)的變壓器緊密型耦合磁路分開，初、次級繞組分別繞在具有不同磁性的結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)在電源和負(fù)載單元之間進(jìn)行能量傳遞而不需物理連接。 其一次側(cè)、二次側(cè)之間通過電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能傳輸，因氣隙導(dǎo)致的耦合系數(shù)的降低由提高一次側(cè)輸入電源的頻率加以補(bǔ)償。 理論和經(jīng)驗(yàn)都表明：當(dāng)原邊電流頻率幅值越高，原副邊距離越小，與空氣相比， 磁芯周圍介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率越大時，

13、可分離式變壓器的傳輸效率越高。 但實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，原副邊距離不可能無限小，必須對原副邊采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，這種無線電能傳輸效率較低。 電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。第四章 電動汽車無線充電裝置的應(yīng)用前景雖然這項(xiàng)技術(shù)用于電動車充電剛剛興起， 但是對電磁之間的關(guān)系，科學(xué)家早已不陌生。電動汽車無線充電方式一經(jīng)問世，便得到了世界各國的普遍關(guān)注，同樣也值得國內(nèi)同行學(xué)習(xí)與借鑒。與充電站、充電樁的建設(shè)投資相比成本較低，并且免去了接線所需的操作和等待的時間，具有布置靈活、使用便利及安全可靠等絕對優(yōu)勢。 2009 年 7 月， 日產(chǎn)與昭和飛行機(jī)公司公開了電磁感應(yīng)式非

14、接觸充電系統(tǒng)， 其傳輸距離為 100 mm 左右，傳輸效率可達(dá) 90%。 但是，當(dāng)停車位置出現(xiàn)偏差而導(dǎo)致發(fā)送與接收盤之間出現(xiàn)較大誤差時， 則會嚴(yán)重影響電力傳送效率。 目前，研究人員正在致力于停車的橫、縱向偏差在 200300 mm 范圍內(nèi)，同樣確保其具有90%以上傳輸效率的研究。 此外，上述 2 家公司對傳送、接收裝置之間進(jìn)入動物以及金屬碎片等造成的不良影響也進(jìn)行了研究。 因?yàn)椋@類異物會在二者之間產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致發(fā)熱并影響傳送效率。日本長野無線公司于 2009 年 8 月宣布開發(fā)出了基于磁共振的充電系統(tǒng)。 與電磁感應(yīng)方式相比，磁共振方式具有傳送距離長、停車誤差要求低等優(yōu)點(diǎn)。 可以在600

15、mm 的傳輸距離內(nèi)確保 90%的傳送效率。 但目前的傳送功率還比較?。s 1 k W），擬定從叉車等使用范圍進(jìn)入市場，伴隨著技術(shù)成熟程度和傳送功率的提高，有望很快進(jìn)入電動車充電領(lǐng)域。 三菱重工開發(fā)的微波式非接觸充電系統(tǒng)，將一組共 48 個硅整流二極管作為接收天線，每個硅整流二極管可產(chǎn)生 20 V 的電壓和一定的直流電， 能夠?qū)㈦妷禾嵘脸潆娝璧闹笜?biāo)并可實(shí)現(xiàn) 1 k W 的功率輸出。 其優(yōu)點(diǎn)是成本低，整套費(fèi)用約合人民幣 2 萬元。 缺點(diǎn)是傳輸效率低，目前的傳輸效率只有 38%。 對此，三菱重工認(rèn)為：“雖不適于快速充電，但作為夜間谷區(qū)充電， 電費(fèi)只有傳統(tǒng)燃料費(fèi)的 10%20%。 如果將發(fā)熱過大的

16、磁控管用于生活用水加熱，則綜合效率可到 70%。 此外，在安全方面也有防止微波泄露裝置， 使用中不會給車輛上的電子設(shè)備和周邊人員身上的心臟起搏器造成影響。2010 年 11 月， 英國 Halo IPT 公司利用其最新研發(fā)的感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)為電動汽車無線充電。電能接收墊安裝于 1 臺雪鐵龍電動汽車車身下側(cè)， 通過無線充電系統(tǒng)對電池進(jìn)行充電。該公司表示，這種感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)的另一個好處是可以讓汽車駕駛員根本無須擔(dān)心忘記為電動汽車充電。據(jù)透露，這種感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)將于 2012 年開始實(shí)現(xiàn)商業(yè)化推廣應(yīng)用。目前這項(xiàng)無線充電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，同時，在成本上，無線充電設(shè)備為幾千元，而有線充電樁則要上