電動汽車無線充電技術_李斌

1、低碳經濟核心是新能源技術與節(jié)能減排技術的應用，電動汽車能夠較好地解決機動車排放污染與能源短缺問題，是我國戰(zhàn)略性新興產業(yè)。作為電動汽車大規(guī)模推廣應用的重要前提和基礎，電動汽車充換電設施建設引起了各方廣泛關注。新能源產業(yè)的發(fā)展，尤其純電動汽車的快速增長，必然會對電動汽車的充電方式多樣化和方便性提出更高的要求。無線充電技術作為一項新興技術，目前商業(yè)化運作主要應用于手機、電腦、隨身聽等小功率設備的充電上，在電動汽車領域目前還是一個全新的概念。隨著無線充電技術的成熟，電動汽車將是無線充電設備最具潛力的市場。從無線充電技術的分類入手，分析了無線充電技術在電動汽車上的應用工作原理，并介紹了國內外電動汽車無線

2、充電技術的應用研究情況，同時對電動汽車無線充電技術的應用進行了深入思考，提出了一些建議，以利于該項技術的實用化和產業(yè)化應用。1無線充電技術無線充電技術引源于無線電力輸送技術。無線電力傳輸也稱無線能量傳輸或無線功率傳輸，主要通過電磁感應、電磁共振、射頻、微波、激光等方式實現非接觸式的電力傳輸。根據在空間實現無線電力傳輸供電距離的不同，可以把無線電力傳輸形式分為短程、中程和遠程傳輸三大類。（）短程傳輸。通過電磁感應電力傳輸（）技術來實現，一般適用于小型便攜式電子設備供電。主要以磁場為媒介，利用變壓器耦合，通過初級和次級線圈感應產生電流，電磁場可以穿透一切非金屬的物體，電能可以隔著很多非金屬材料進行

3、傳輸，從而將能量從傳輸端轉移到接收端，實現無電氣連接的電能傳輸。電磁感應傳輸功率大，能達幾百千瓦，但電磁感應原理的應用受制于過短的供電端和受電端距離，傳輸距離上限是左右。（）中程傳輸。通過電磁耦合共振電力傳輸（）技術或射頻電力傳輸（）技術實現，中程傳輸可為手機、等儀器提供無線電力傳輸。技術主要是利用接收天線固有頻率與發(fā)射場電磁頻率相一致時引起電磁共振，發(fā)生強電磁耦合的工作原理，通過非輻射磁場實現電能的高效傳輸。電磁共振型與電磁感應型相比，采用的磁場要弱得多，傳輸功率可達幾千瓦，能實現更長距離的傳輸，傳輸距離可達。主要通過功率放大器發(fā)射射頻信號，通過檢波、高頻整流后得到直流電，供負載使用。距離較

4、遠，能達，但傳輸功率很小，為幾毫瓦至百毫瓦。（）遠程傳輸。通過微波電力傳輸（）技術或激光電力傳輸（）技術來實現。遠程傳輸對于太空科技領域如人造衛(wèi)星、航天器之間的能量傳輸以及新能源開發(fā)利用等有重要的戰(zhàn)略意義。是將電能轉化為微波，讓微波經自由空間傳送到目標位置，再經整流，轉化成直流電能，提供給負載。微波電能傳輸適合應用于大范圍、長距離且不易受環(huán)境影響的電能傳輸，如空間太陽能電站等。是利用激光可以攜帶大量的能量，用較小的發(fā)射功率實現較遠距離的電能傳輸。激光方向性強、能量集中，不存在干擾通信衛(wèi)星的風險，但障礙物會影響激光與接收裝置之間的能量交換，射束能量在傳輸途中會部分喪失。2無線充電技術在電動汽車上

5、的應用無線充電技術在電動汽車上的應用，是通過埋設于地表的一次線圈與固定于車輛底盤的二次線圈的電磁耦合來傳輸電能，對動力電池進行充電，具有安全環(huán)保、全自動、免維護等一系列優(yōu)點。目前常用的種無線充電技術中，因為和在中等距離的傳輸效率較高，更適合于電動汽車充電。特別是東南大學采用的電磁耦合共振式技術，已能將無線傳輸的距離增加到左右，也是國內唯一實現以上收稿日期：-；修回日期：-李斌1，劉暢1，陳企楚1，林晶怡1，鄧小元2（中國電力科學研究院，北京；國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京）電動汽車無線充電技術摘要：電動汽車無線充電技術是一種新型的電動汽車能源供給方式。介紹了無線充電技術的分類、電動汽車無線

6、充電技術的工作原理以及電動汽車無線充電技術的應用情況，對比分析電動汽車傳統能源供給方式及無線充電方式的優(yōu)缺點，并對電動汽車無線充電技術的實際應用提出了一些建議。關鍵詞：電動汽車；無線充電；無線電力輸送；電磁感應；電磁耦合共振中圖分類號：文獻標志碼：文章編號：（）國家電網公司科技項目（SG11071）。 年月江蘇電機工程第卷第期81江蘇電機工程千瓦級無線電能傳輸的研究成果。2.1無線充電技術工作原理工作原理是以耦合的電磁場為媒介實現電能傳遞，對于電動汽車用，是將變壓器原、副邊繞組分置于車外地面上和車內底盤上，通過高頻磁場的耦合傳輸電能。該系統主要由電源側發(fā)射端、無接觸變壓器和電動汽車側接收端組成

7、。其原理如圖所示。電源側發(fā)射端電源從電網獲取電能后經過整流濾波獲得直流電，進入逆變器中進行高頻逆變，產生的高頻交變電流在信號控制電路的控制下經過一次側補償電路后注入原邊繞組，在臨近空間產生高頻交變磁通；位于汽車底盤的副邊繞組在靠近原邊繞組空間通過感應耦合高頻交變磁通獲取感應電動勢，同時在信號控制電路的控制下經過整流濾波以及功率調節(jié)，從而實現為車載電池提供電能。此系統本質上相當于變壓器的疏松耦合系統，其一次側、二次側之間通過電磁感應實現電能傳輸，因氣隙導致的耦合系數的降低可以由提高一次側輸入電源的頻率加以補償。工作原理是采用個相同頻率的諧振物體產生很強的相互耦合，利用線圈及兩端的平板電容器，共同

8、組成諧振電路，實現能量的無線傳輸。該系統也主要由電源側發(fā)射端、發(fā)射接收線圈和電動汽車側接收端組成。其原理如圖所示。電源側發(fā)射端電源從電網獲取電能后利用振蕩器產生高頻振蕩電流，經過功率放大電路和阻抗匹配電路后，在發(fā)射線圈周圍形成非輻射磁場，從而將電能轉換為磁場；當位于電動汽車側的接收線圈的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時，接收電路中產生的振蕩電流最強，完成磁場到電能的轉換；同時電流經過整流濾波進入限流充電調節(jié)電路后就可為車載電池提供電能。系統中發(fā)射線圈和接收線圈都是自振系統，根據共振特性由發(fā)射端激發(fā)接收端的共振，以很小的消耗代價來傳輸能量。能量傳輸在共振系統內部進行，對共振系統外的物體不會產生影

9、響，其磁場強度和地球磁場強度相似，有效傳輸距離為幾十厘米到幾米。在能量傳輸過程中，電磁波的頻率越高其向空間輻射的能量越大，傳輸的效率就越高。2.2電動汽車無線充電技術應用情況當今，許多國家都在研制電動汽車無線充電技術，其中美國、英國、日本等是最早開始電動汽車無線充電技術研究的國家。日本長野無線公司于年月宣布開發(fā)出了基于磁共振的充電系統，可以在的傳輸距離內確保的傳送效率；但目前的傳送功率還比較?。s），擬定從叉車等使用范圍進入市場，伴隨著技術成熟程度和傳送功率的提高，有望很快進入電動汽車充電領域。英國公司于年月開發(fā)出一種新型無線充電系統，該感應式電能傳輸技術利用感應電荷的原理，將電源板埋藏于道路

10、的瀝青之下，進行無線充電；同時由于電源板不暴露在外，既可以得到有效保護，減少磨損，又不會受到惡劣天氣的影響。日本株式會社于年月采用美國公司磁共振無線供電技術，研發(fā)出電動汽車無線充電系統，并已實施現場使用。該系統包含了安裝在電動汽車上的無線電能接收裝置及安裝在地面的無線供電裝置，適用于各種電動汽車及充電電池。電動汽圖1電動汽車ICPT 系統原理車載電池箱系統功率調節(jié)整流濾波信號控制電路電動汽車側接受端副邊繞組（底盤）（地面）原邊繞組空氣氣隙一次側補償電路高頻逆變整流濾波電網電源側發(fā)射端圖2電動汽車ERPT 系統原理車載電池箱系統限流充電調節(jié)電路整流濾波接收線圈發(fā)射線圈空氣氣隙阻抗匹配電路功率放大

11、電路振蕩器信號控制電路信號控制電路電動汽車側接受端信號控制電路電網電源側發(fā)射端李斌等：電動汽車無線充電技術車在充電點停車時，將自動予以充電，而汽車與充電設備之間并無接觸。公司表示，與電磁感應和微波等無線電能傳輸系統相比，該系統具有更高傳輸效率和更遠輸電距離，系統在傳輸距離可實現無線充電輸出功率，充電效率達以上。最近，美國斯坦福大學一個研究小組正在設計開發(fā)一種高效充電系統，可使電動汽車在公路上一邊行駛一邊自動充電。該充電系統的工作原理是將一系列接通電流的線圈埋入高速路面下，在汽車底部裝上感應線圈，當汽車通過該高速路時就會引起共振，產生的磁場將電力持續(xù)不斷地傳輸給電池，這種無線傳輸方案的充電效率可

12、達。3電動汽車能源供給方式及充電技術優(yōu)缺點分析3.1傳統電動汽車能源供給方式分類目前，電動汽車傳統能源供給方式主要有電池更換、交流慢充和直流快充種方式，均屬于有線接觸式充電。（）電池更換方式是用充滿電的電池組更換車輛上能量接近耗盡的電池組，一般在以內即可完成。該方式可有效解決續(xù)駛里程不足問題，同時通過對電池組的集中充電和專業(yè)維護以及梯次利用，延長電池壽命，提高電動汽車經濟性。對于用戶而言，可以買車不買電池，降低了一次性購買成本。此外更換電池方式可充分利用低谷電價優(yōu)勢，降低充電成本。但由于電池組較重，更換電池的專業(yè)化要求較強，需配備專業(yè)人員借助專業(yè)機械來快速完成電池的更換、充電和維護，如何實現電

13、池箱的標準化及電池快速更換的實用化是此模式普及的關鍵所在。（）交流慢充方式由交流充電樁提供電能，車載充電機完成交直流變換，充電功率一般不大，充電時間通常為。該方式充電電流較小，可降低電池在充電過程中的發(fā)熱量，提高充電效率和延長電池的使用壽命，但其問題是充電時間過長。（）直流快充方式由非車載充電機完成交直流變換，充電功率較大，通常情況下常規(guī)充電時間在左右；也可提供之內。以較大電流提供快速充電，一般充電電流為。經常性大電流快速充電會大大縮短電池使用壽命，對充電接頭的規(guī)格、充電設施的容量也提出了更高的要求。另外，快速充電引起的大電流變化將對電網造成沖擊，引起公共電網電壓波動，大功率充電機產生的大量諧

14、波，也會影響公共電網的電能質量。3.2有線和無線充電技術優(yōu)缺點分析有線充電技術具有如下優(yōu)點：能源轉換一次性獲得，電能損失小，節(jié)能環(huán)保；交直流轉換一次性，不存在中高頻電磁輻射；充電樁及充電機等充電設備技術門檻不太高，經濟投入不大，維修方便；充電功率調節(jié)范圍較寬，適合多種不同電壓和電流等級的動力電池儲能補給。其缺點是：充電設備的移動搬運和電源的引線過長，人工操作繁瑣；充電站及充電設備公共占地面積過大；人工操作過程中，極易出現設備的過度磨損等不安全性隱患。無線充電技術具備如下優(yōu)點：使用方便、安全，無火花及觸電危險，無積塵和接觸損耗，無機械磨損和相應的維護問題，可適應多種惡劣環(huán)境和天氣。其缺點是：設備

15、的經濟成本投入較高，維修費用大；實現遠距離大功率無線電磁轉換，能量損耗相對較高；無線充電設備的電磁輻射會對環(huán)境造成污染。4電動汽車無線充電技術應用思考在電動汽車無線充電技術的實際應用中，有一些問題值得思考和注意。（）電動汽車無線充電技術中最常用的種技術相比較而言，比更具有優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?。要求電動汽車側接收端非?？拷l(fā)射端感應線圈，由于磁場能量會隨距離的增加而迅速衰減，因而在傳統的電磁感應中，距離只能通過增強磁場強度來增加。而使用匹配的諧振天線，可使磁耦合在幾英尺的距離內發(fā)生，而且不需要增強磁場強度；同時由于是形成非輻射磁場，從而大大降低了能源損耗。（）對電動汽車無線充電技術的應用安全性一定要進

16、行試驗驗證，尤其是人身安全、電池充電、電磁輻射對人類及環(huán)境的影響等問題。（）在實際應用中，要重點考慮電動汽車無線充電設施的安全保護及應用設計問題。例如發(fā)射端裝置安裝在地下，要注意保護措施；同時無論是地面安裝的發(fā)射端裝置還是車輛接收端裝置都應該考慮防水問題，以應用于雨天及潮濕環(huán)境。（）無線充電技術雖然具有靈活方便的使用特點，但從電能轉換效率相對較低及能源損耗較大的角度看，還需要對電磁轉換能效提升等關鍵技術進行進一步研究，以推進該技術的實用化和產業(yè)化應用。（）在電動汽車無線充電系統的安全性和可靠性問題上，可以考慮射頻識別（）技術的嵌入式應用。無線充電系統可通過內置的芯片，實現電能發(fā)送端對電動汽車充

17、電電池箱的身份驗證，以保證不會對未經認證的電動汽車電池箱進行充電，從而保證充電的安全性。但也要認識到技術和無線充電系統的電磁場耦合技術，可能存在著干擾問題。（）對于電動汽車無線充電系統應統一制定和實83江蘇電機工程頁巖氣是怎么產生的？天然氣是現今世界上極為重要的能源和化工產品的原料之一，它是古生物的遺骸長期沉積地下，經過各種地質作用慢慢轉化而成的一種氣態(tài)碳氫化合物，生成的氣體不斷地運移到一個封閉的儲藏空間中，越積越多，等達到一定規(guī)模時就成了可供開采的天然氣藏。然而，并不是所有的天然氣都儲藏在固定的封閉空間里。有一些比較特殊的天然氣，當它生成之后便吸附在產生這種氣體的巖石周圍，或呈游離狀態(tài)藏在巖

18、石的裂隙中間。頁巖氣就屬于這樣一類。當我們在山區(qū)行走的時候，在山體裸露的地方就經常會看到一層層像棉被一樣疊加起來的巖石，這就是沉積巖，因為成層性就是沉積巖最典型的特征。沉積巖一般形成于地表和地表以下不太深的地方，僅占地殼巖石總體積的5%，但由于它在陸地表面和海洋盆地中廣泛分布，所以它占據了地表面積的75%，在我國大陸沉積巖的覆蓋面積則達到了77.3%沉積巖的形成是在有豐富的水、氧、二氧化碳和生物參加的條件下完成的，因此它的礦物組合成分比較簡單，粘土礦物、鹽類礦物以及煤、石油等有機物質都是沉積巖所特有的。而且，沉積巖中顆粒之間總是有孔隙的存在，這就給油、氣等資源以儲藏空間。如果仔細觀察，就可能會進一步地發(fā)現，有些山體裸露巖石的層理極薄，厚度僅為幾毫米甚至1mm 左右，疊加起來就像書頁一樣，用錘子敲打的話很容易分裂成薄片，這就是沉積巖中最豐富的一類巖石：頁巖。頁巖氣形成于頁巖當中，按照我國學者張金川的觀點，頁巖氣的形成是天然氣生成之后沒有遠距離運移，而在該頁巖層內就近聚集、滯留的結果。當聚集達到現有技術水平能夠開采的規(guī)模時，就形成了頁巖氣資源。摘自國家電力信息網施無線充電通信標準，逐步制定行標、國標，以保證電動汽車無線充電設施與電動汽車無線充電接口的通用互聯和一致性。5結束語電動汽車無線充電技術具有方便、快捷的優(yōu)點，但目前還處于研