淺析電動汽車無線充電的關鍵技術

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)在國內已經不斷增加充電電樁與充電站數(shù)量，但是為更好的應對電動汽車充電問題，還需要從專業(yè)技術上進行優(yōu)化。其中，無線充電技術的應用，可以更好的應對電池容量限制問題，延長電動汽車續(xù)駛里程。

一、無線充電技術原理

無線充電可以說是近年來開發(fā)出的一種新型技術，在很大程度上改變了產業(yè)設備以及電動汽車的產品設計，開創(chuàng)出一片全新的市場。而無線充電技術的實現(xiàn)，即通過電磁場或電磁波來傳遞能量。其中無導線分為電磁共振式、電磁感應式以及電磁輻射式，可將電磁感應應用于低功率、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在實際應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作業(yè)。在實際應用中，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構上，這樣便可以在進行物理連接的基礎上，完成電源與負載單元之間的能量傳遞[1]。并且，在一次側、二次側之間可通過電磁感應來達到電能傳輸?shù)男Ч瑲庀对斐傻鸟詈舷禂?shù)降低，還可以通過一次側輸入電源頻率的提高進行補償。

二、主要無線充電技術類型

1.感應式無線充電

現(xiàn)在電動牙刷、手機以及筆記本等無線充電均應用的為感應式無線充電技術，電能傳輸距離較短，在汽車無線充電中應用還比較少。以功率為對象，可以將電動汽車感應充電系統(tǒng)劃分為三個等級，即1～3kW的應急用小功率充電器；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]。將其應用到電動汽車充電系統(tǒng)內，可以將發(fā)射系統(tǒng)埋設在地面以下，并在汽車底盤設置接收線圈，充電時發(fā)射線圈將會與接收線圈之間產生感應耦合，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。即電網工頻交流電經過整流與逆變處理后，被轉化為高頻交流電，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。就實際應用效果來看，感應式無線充電技術在電動汽車上的應用，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的主要研究對象。

2.諧振式無線充電

此種技術的實現(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。在實際應用中，系統(tǒng)通過電網來獲取電能，通過整流濾波和高頻逆變后，工頻交流電將會產生高頻交流電，再經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，便會通過磁場產生很強的耦合，達到高效傳輸電能的目的。對于此種技術來講，接收線圈內的電能經過整流濾波與調節(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。對比感應式無線充電技術，諧振式無線充電技術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、無線充電技術優(yōu)化

1.磁耦合機構優(yōu)化

動態(tài)無線供電導軌主要分為連續(xù)單線圈、雙磁極以及矩形長線圈幾種類型。其中，矩形長線圈導電導軌存在不同形式的接收端結構，為改善側移能力的缺陷，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橫向偏移容忍度。雙磁極型供電導軌可以對磁通路徑進行調整，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，側移適應性更強。

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，自身工作頻率比較高，電磁環(huán)境復雜度高，在對整個系統(tǒng)進行設計時，需要綜合頻率配置、磁屏蔽設計、剩磁設計、接地設計以及軟件抗擾設計等方面進行分析。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期。現(xiàn)在金屬屏蔽方法已經被廣泛的應用到射頻場合內，能夠有效抑制高頻磁場電磁干擾。

結束語：

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。無線充電技術的應用，應綜合分析各項條件，對其存在的缺陷進行調整和完善，促使無線充電技術可以得到更好的發(fā)展。

[1]朱春波，姜金海，宋凱，張千帆.電動汽車動態(tài)無線充電關鍵技術研究進展[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鍵技術的研究[D].合肥工業(yè)大學，2016.

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