電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)探討

電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)探討作者：劉崇凱羅康駿來源：《科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)》2015年第7期劉崇凱羅康駿(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院湖北武漢430070)摘要：二氧化碳等溫室氣體排放過多導(dǎo)致的環(huán)境惡化以及能源危機(jī)的來臨，原有的汽油汽車急需要新型能源汽車來取代，其中以電動(dòng)汽車的研究最為熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車的充電方式選擇，對其普及性有著至關(guān)重要的作用。除了傳統(tǒng)有線接插頭充電方式外,電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的研究也越來越收到國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)的重視。該文詳細(xì)介紹了電動(dòng)汽車上常用的三種無線充電方式，即電磁感應(yīng)式、強(qiáng)耦合電磁共振式、無線電波式，并對各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了較詳細(xì)的說明，最后對電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車無線充電中圖分類號(hào)：TM461文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2015)03(a)-0098-02傳統(tǒng)電動(dòng)汽車的主要充電方式為用電纜線利用充電樁充電或直接更換電池，但是在操作上存在諸多不便。插頭在使用中會(huì)存在磨損，并且若是在雨天工作的話，還會(huì)存在安全隱患。無線充電技術(shù)作為一種新型充電技術(shù)，無需用電纜將汽車與供電系統(tǒng)相連，可將充電源埋于地面之下，能夠有效減少雨水帶來的危害以及電器接觸磨損。將無線充電設(shè)備安裝在停車場、小區(qū)道路下，電動(dòng)汽車停車即可充電，能夠大大提高充電效率。1無線充電技術(shù)介紹目前常用的無線充電技術(shù)包括電磁感應(yīng)式無線充電、電磁共振式無線充電、無線電波式。下文將分別介紹這三種技術(shù)在電動(dòng)汽車上應(yīng)用的原理，以及在應(yīng)用中的實(shí)例，并分析各方式在電動(dòng)汽車上應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)。1.1電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)電磁感應(yīng)式無線充電的媒介為磁場，利用松耦合變壓器原理，原邊產(chǎn)生高頻變換的磁場，副邊線圈就會(huì)生成感應(yīng)電流，來給負(fù)載供電。由于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(jìn)行傳輸，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端，實(shí)現(xiàn)無電器連接的電能傳輸。但由于松耦合變壓器一般具有較大氣隙,有的甚至沒有磁芯,只有兩個(gè)線圈,所以變壓器勵(lì)磁電感相對較小、漏感相對較大、耦合系數(shù)較低,一般在0.5以下。因此在工頻情況下很難傳遞能量,所以要加入高頻逆變環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償,使原邊獲得高頻電壓,保證功率傳輸。電動(dòng)汽車電磁感應(yīng)無線充電技術(shù)的過程如圖1：電源側(cè)發(fā)射端電源從電網(wǎng)獲取電能后經(jīng)過整流濾波獲得直流電，進(jìn)入逆變器中進(jìn)行高頻逆變，產(chǎn)生的高頻交變電流在反饋控制信號(hào)的作用下通過補(bǔ)償電路的作用流入一次側(cè)繞組在空氣氣隙中產(chǎn)生高頻交變磁通；位于汽車底盤的二次繞組通過感應(yīng)空氣氣隙內(nèi)的交變磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，同時(shí)在信號(hào)控制電路的控制下經(jīng)過整流濾波以及功率調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)為車載電池提供電能。同時(shí)反饋機(jī)構(gòu)對輸出量進(jìn)行采樣,把采樣信號(hào)反饋給控制單元,對頻率或者開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)等進(jìn)行控制。

電磁感應(yīng)式無線充電是目前有較多應(yīng)用在電動(dòng)汽車上實(shí)例的技術(shù)，如今年9月中國第一條投入商用的無線充電公交路線一一湖北襄陽新能源汽車大功率無線充電系統(tǒng)公交商用示范線，其充電技術(shù)就是由中興通訊通過電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的。電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)在應(yīng)用到電動(dòng)汽車中也還存在許多問題需要解決。由于系統(tǒng)采用的是松耦合變壓器原理，線圈一次側(cè)與二次側(cè)之間擁有較大的空氣氣隙，這必將導(dǎo)致系統(tǒng)存在較大的漏磁，影響充電的效率。為了保證充電系統(tǒng)擁有90%以上的效率，必須減小空氣氣隙，這就使得汽車無線充電距離十分有限，一般只能在15cm以下。變壓器線圈的對應(yīng)位置如圖2,在二次線圈從A移動(dòng)到B的過程中，一次線圈產(chǎn)生的磁通向上穿過二次線圈到向下穿過二次線圈，當(dāng)在A、B之間的某個(gè)位置時(shí)，穿過二次線圈的磁通量會(huì)為0,不能完成充電。所以這對線圈的相對位置有很高的對應(yīng)性，允許的位置偏移很小。害怕金屬異物進(jìn)入空氣氣隙。當(dāng)有金屬異物進(jìn)入氣隙時(shí)，會(huì)發(fā)生渦流現(xiàn)象，產(chǎn)生局部發(fā)熱，嚴(yán)重影響效率和安全。高頻下電磁輻射對人體的影響。由于電動(dòng)汽車充電設(shè)備離人體較近，并且充電功率非常大，一般都超過10KW，其產(chǎn)生的電磁輻射量將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體的安全值，需采取有效措施來減小影響。1.2強(qiáng)耦合電磁共振式無線充電技術(shù)強(qiáng)耦合電磁共振式無線充電技術(shù)是由麻省理工學(xué)院的索爾季喜科科研團(tuán)隊(duì)在2006年提出的,它是以電磁諧振原理為理論基礎(chǔ)，通過實(shí)驗(yàn),該團(tuán)隊(duì)通過試驗(yàn)成功點(diǎn)亮了相隔兩米以外的燈泡，此試驗(yàn)的成功標(biāo)志著無線充電技術(shù)的又一次飛躍，新型無線充電技術(shù)誕生。此種無線充電技術(shù),是基于電磁諧振理論，在發(fā)送端與接收端配置相同諧振頻率的諧振線圈,當(dāng)兩者距離適當(dāng)時(shí)，給發(fā)送端輸送與諧振線圈諧振頻率相同頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及能量，兩者便會(huì)產(chǎn)生共振，能量便可以源源不斷從發(fā)射線圈傳輸?shù)浇邮站€圈，通過這種形式電能便可在兩個(gè)設(shè)備間進(jìn)行無線傳輸。電動(dòng)汽車強(qiáng)耦合電磁共振式無線充電技術(shù)過程如圖3：電源側(cè)從電網(wǎng)獲得電能后，經(jīng)過振蕩器形成高頻振蕩電流，然后經(jīng)過功率放大電路、阻抗匹配電路，經(jīng)發(fā)射線圈形成非輻射磁場,當(dāng)接受線圈的固有頻率與發(fā)射線圈發(fā)出的電磁頻率相同時(shí)，接受線圈內(nèi)將產(chǎn)生最強(qiáng)的振蕩電流,然后振蕩電流經(jīng)過整流電路、電池管理電路來給電池組進(jìn)行充電。BUSnt應(yīng)共孤電磁共振式無線充電技術(shù)相較與電磁感應(yīng)方式存在著以下的優(yōu)勢。電磁共振式無線充電技術(shù)是運(yùn)用共振特性來進(jìn)行能量傳輸?shù)模淠芰繐p耗較小，傳輸距離大，一般能夠達(dá)到50cm以上。能量傳輸只在共振系統(tǒng)中進(jìn)行，不會(huì)影響共振系統(tǒng)以外的其他物體，不用擔(dān)心異物進(jìn)入氣隙引起損害。不要求發(fā)射線圈與接收線圈有很強(qiáng)的對應(yīng)位置關(guān)系，允許合理范圍的位置偏移而保持傳輸效率。盡管共振式無線充電技術(shù)有如此多的優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用到電動(dòng)汽車方面仍然存在著許多不足。共振無線充電效率高指的是共振線圈之間的能量傳輸效率高，但由于共振的激勵(lì)頻率很高，故高頻振蕩電路損耗很大，系統(tǒng)的整體效率仍然偏低，應(yīng)研究其低頻化。而且為了防止與其他系統(tǒng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，必須對工作頻率進(jìn)行隔離。高頻率共振產(chǎn)生的輻射對人體的危害還有待于研究。1.3無線電波式無線充電技術(shù)無線電波式無線充電技術(shù)，是以無線電波即微波(頻率在300MHz?300GHz之間的電磁波)為載體在自由空間內(nèi)傳輸能量。無線電波傳輸因具有“定向、可穿透電離層”等特性，故其傳輸距離可以很遠(yuǎn)。微波無線充電技術(shù)的流程圖如下圖4：從電網(wǎng)獲得電能后，經(jīng)過整流電路將交流變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)過高頻逆變和調(diào)制電路形成微波，經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射出去，經(jīng)過長距離的傳輸，由接收天線接收，通過解調(diào)電路將微波變成電能，再經(jīng)整流電路、功率調(diào)節(jié)電路模塊將電能變成所需的電流給電池充電。電動(dòng)汽車無線電波式無線充電技術(shù)也有實(shí)例存在：三菱重工曾運(yùn)用無線電波傳能原理，開發(fā)出了微波電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)。采用與微波爐相同的2.45GHz電波發(fā)生裝置“磁控管”，可經(jīng)由“整流天線”向車輛傳輸1kW的電力，但其傳輸效率僅為38%。由于微波是全向輻射，并且系統(tǒng)發(fā)射頻率很高，系統(tǒng)的損耗非常大，無法達(dá)到高效率的能量傳輸，故目前還不適合應(yīng)用在電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)上。2結(jié)語相比較與電動(dòng)汽車的有線充電電動(dòng)汽車無線充電具有使用起來更加安全、方便、可靠，無機(jī)械損耗，維護(hù)起來更加方便。電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)發(fā)展前景非常廣泛，從上文的分析可以看出電磁感應(yīng)式與電磁共振式更適合應(yīng)用在電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)上，各研究機(jī)構(gòu)應(yīng)重點(diǎn)在這兩種方式上進(jìn)行突破。同時(shí)我國應(yīng)加大對電動(dòng)汽車及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研究投入，如研究高效電機(jī)、解決電動(dòng)汽車的續(xù)航能力、優(yōu)化電機(jī)控制策略與電池管理系統(tǒng)等，在傳統(tǒng)汽車行業(yè)落后他國的情況下，抓住電動(dòng)汽車發(fā)展契機(jī)，打一個(gè)完美的翻身仗。參考文獻(xiàn)XunL,HuiSY.Simulationstudyandexperimentalverifi-cationofauniversalcontactlessbatterychargingplatformwithlocalizedchargingfeatures[J].IEEETransonPowerElectr,2007,22(6):2202-2210.王天宇.基于松耦合變壓器的大功率感應(yīng)電能傳輸技