淺析電動汽車無線充電的關(guān)鍵技術(shù)

王艷芳

上汽大眾汽車有限公司南京分公司

電動汽車的出現(xiàn)，對實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保發(fā)展具有重要意義。基于電動汽車動力能源問題，現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)不斷增加充電電樁與充電站數(shù)量，但是為更好的應(yīng)對電動汽車充電問題，還需要從專業(yè)技術(shù)上進行優(yōu)化。其中，無線充電技術(shù)的應(yīng)用，可以更好的應(yīng)對電池容量限制問題，延長電動汽車續(xù)駛里程。

一、無線充電技術(shù)原理

無線充電可以說是近年來開發(fā)出的一種新型技術(shù)，在很大程度上改變了產(chǎn)業(yè)設(shè)備以及電動汽車的產(chǎn)品設(shè)計，開創(chuàng)出一片全新的市場。而無線充電技術(shù)的實現(xiàn)，即通過電磁場或電磁波來傳遞能量。其中無導(dǎo)線分為電磁共振式、電磁感應(yīng)式以及電磁輻射式，可將電磁感應(yīng)應(yīng)用于低功率、近距離傳輸；電磁共振則更適用于中等距離、中等功率的傳輸；電磁輻射則適用于大功率、遠距離傳輸。對于以往的出現(xiàn)方式來講，反復(fù)拔插不僅安全系數(shù)較低，并且磨損嚴重可使用時間較短，再加上市場上存在眾多類型的電線、充電器以及插座，造成嚴重的資源浪費。在此背景下無線充電技術(shù)在實際應(yīng)用中便具有較大的優(yōu)勢，不僅可以保證輸電過程的安全性，并且還可以排除電線架設(shè)作業(yè)。在實際應(yīng)用中，變壓器疏松耦合非接觸式可達到無物理連接下的電能傳輸，將系統(tǒng)變壓器緊密型耦合磁路分開，初、次級繞組繞在不同磁性結(jié)構(gòu)上，這樣便可以在進行物理連接的基礎(chǔ)上，完成電源與負載單元之間的能量傳遞[1]。并且，在一次側(cè)、二次側(cè)之間可通過電磁感應(yīng)來達到電能傳輸?shù)男Ч瑲庀对斐傻鸟詈舷禂?shù)降低，還可以通過一次側(cè)輸入電源頻率的提高進行補償。

二、主要無線充電技術(shù)類型

1.感應(yīng)式無線充電

現(xiàn)在電動牙刷、手機以及筆記本等無線充電均應(yīng)用的為感應(yīng)式無線充電技術(shù)，電能傳輸距離較短，在汽車無線充電中應(yīng)用還比較少。以功率為對象，可以將電動汽車感應(yīng)充電系統(tǒng)劃分為三個等級，即1～3kW的應(yīng)急用小功率充電器；5～25kW的中等功率充電器，可持續(xù)充電4～8h；75～300kW的快速充電器/柜[2]。將其應(yīng)用到電動汽車充電系統(tǒng)內(nèi)，可以將發(fā)射系統(tǒng)埋設(shè)在地面以下，并在汽車底盤設(shè)置接收線圈，充電時發(fā)射線圈將會與接收線圈之間產(chǎn)生感應(yīng)耦合，形成一個可分離變壓器，通過線圈之間的高頻電磁場實現(xiàn)電能的無線傳輸，達到充電目的。即電網(wǎng)工頻交流電經(jīng)過整流與逆變處理后，被轉(zhuǎn)化為高頻交流電，然后通過補償電路到達原邊發(fā)射線圈，同時形成高頻電磁場，最后電動汽車所設(shè)置的接收線圈便可以利用的電磁場的作用對原邊電能進行吸收，通過高頻整流、電池管理電路等環(huán)節(jié)，完成負載電池的充電。就實際應(yīng)用效果來看，感應(yīng)式無線充電技術(shù)在電動汽車上的應(yīng)用，工作頻率比較低，多為幾十到幾百kHz之間，可滿足kW級功率無線傳輸，尤其是較短距離的傳輸效率可以達到90%以上，可以將之作為電動汽車無線充電技術(shù)的主要研究對象。

2.諧振式無線充電

此種技術(shù)的實現(xiàn)，主要是通過電磁諧振無線電能傳輸，即具有相同自振頻率的兩個線圈之間可以通過電磁場進行高效傳能，但是對于頻率不同的物體，不會受到磁場影響，可以將其看作為一種近場非輻射電能傳輸技術(shù)。在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)通過電網(wǎng)來獲取電能，通過整流濾波和高頻逆變后，工頻交流電將會產(chǎn)生高頻交流電，再經(jīng)過功率放大電路以及阻抗匹配電路發(fā)送到發(fā)射線圈，如果發(fā)射線圈與系統(tǒng)的諧振頻率相同，則發(fā)射線圈電流將會達到最大，產(chǎn)生最強磁場。假如接收線圈具有相同自振頻率，便會通過磁場產(chǎn)生很強的耦合，達到高效傳輸電能的目的。對于此種技術(shù)來講，接收線圈內(nèi)的電能經(jīng)過整流濾波與調(diào)節(jié)電路，便可以實現(xiàn)負載電池的充電[3]。并且，整個充電系統(tǒng)還能夠通過反饋控制環(huán)節(jié)來維持系統(tǒng)運行的可靠性與高效性，在電動汽車無線充電中具有較高的效率。對比感應(yīng)式無線充電技術(shù)，諧振式無線充電技術(shù)可以滿足更遠距離的充電，小范圍的位置變化敏感度較小，傳輸效率也更高。

三、無線充電技術(shù)優(yōu)化

1.磁耦合機構(gòu)優(yōu)化

動態(tài)無線供電導(dǎo)軌主要分為連續(xù)單線圈、雙磁極以及矩形長線圈幾種類型。其中，矩形長線圈導(dǎo)電導(dǎo)軌存在不同形式的接收端結(jié)構(gòu)，為改善側(cè)移能力的缺陷，可以通過雙D形式與新型雙極型接收端改善。另外，三相交流激勵能量發(fā)射導(dǎo)軌作為一種新型形式，可有效消除三相交流電源存在的交叉耦合問題，并增加了能量拾取機構(gòu)橫向偏移容忍度。雙磁極型供電導(dǎo)軌可以對磁通路徑進行調(diào)整，將與車輛行進方向垂直改變?yōu)榕c車輛行進方向一致方式，可有效提高功率密度，尺寸也更為緊湊，并且還降低了絲攻難度，側(cè)移適應(yīng)性更強。

2.電磁兼容動態(tài)

無線電能傳輸?shù)膶崿F(xiàn)，主要是通過高頻磁場作為基礎(chǔ)，自身工作頻率比較高，電磁環(huán)境復(fù)雜度高，在對整個系統(tǒng)進行設(shè)計時，需要綜合頻率配置、磁屏蔽設(shè)計、剩磁設(shè)計、接地設(shè)計以及軟件抗擾設(shè)計等方面進行分析。一般可通過鐵磁性材料，來對磁耦合線圈自感與互感系數(shù)進行調(diào)整，不僅可以增強其耦合性能，同時還可以對磁場空間分布約束進行優(yōu)化，降低磁路損耗，但是無法保證屏蔽效果達到預(yù)期。現(xiàn)在金屬屏蔽方法已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到射頻場合內(nèi)，能夠有效抑制高頻磁場電磁干擾。

結(jié)束語：

電動汽車使用數(shù)量在不斷增加，而提高其續(xù)航里程數(shù)，必須要解決充電問題。無線充電技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)綜合分析各項條件，對其存在的缺陷進行調(diào)整和完善，促使無線充電技術(shù)可以得到更好的發(fā)展。

[1]朱春波，姜金海，宋凱，張千帆.電動汽車動態(tài)無線充電關(guān)鍵技術(shù)研究進展[J].電力系統(tǒng)自動化，2017，41(02)：60-65+72.

[2]張坤.電動汽車無線充電關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]孔杰.具有反饋調(diào)節(jié)功能的電動汽車無線充電關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2013.