基于感應(yīng)充電的電動(dòng)車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 赟，朱發(fā)旺

(1.山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程系，山西太原030619；2.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院車輛工程系，山西太原030051)

基于感應(yīng)充電的電動(dòng)車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 赟1，朱發(fā)旺2

(1.山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程系，山西太原030619；2.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院車輛工程系，山西太原030051)

簡介了電動(dòng)汽車發(fā)展的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)背景，結(jié)合了現(xiàn)在電動(dòng)車充電站結(jié)構(gòu)及充電方式情況，用三維建模軟件設(shè)計(jì)出以太陽能為主要充電來源的充電站大致結(jié)構(gòu)。依據(jù)當(dāng)今電動(dòng)車充電方式所存在的弊端，結(jié)合超級(jí)電容技術(shù)設(shè)計(jì)出感應(yīng)充電方式的理念，介紹了太陽能充電與電力系統(tǒng)之間的相互影響。然后，對(duì)人機(jī)交互應(yīng)用等問題提出了研究意義。

電動(dòng)汽車；太陽能；超級(jí)電容；感應(yīng)充電；電力系統(tǒng)；人機(jī)交互

Abstract:The electric car development of economic and technical background was introduced.Combined with the current situation of electric vehicles charging structure and charging ways,three-dimensional modeling software was used to design the solar energy as the main source of charging station.According to today's the weakness of the electric vehicle charging ways,the concept of inductive charging mode was designed with super capacitor technology.The influence of solar charging and mutual influence between the power system was introduced.Then the research significance of the problems of interactive applications was put forward.

Key words:electric cars;solar energy;super capacitor;inductive charging;power system;human-computer interaction

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車的數(shù)量不斷增多，能源的不斷消耗和環(huán)境惡化問題日益尖銳，節(jié)能環(huán)保是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然要求。而從目前幾年，汽車行業(yè)發(fā)展的情況來看，改善這一問題的途徑大致有兩種：提高汽車的排放標(biāo)準(zhǔn)和采用新能源。前者雖然能在一定情況下改善環(huán)境問題，但仍要不斷消耗石油類等不可再生能源。這就需要我們不斷研究新技術(shù)來利用新能源。因此太陽能技術(shù)與電動(dòng)車技術(shù)的研究，是以后汽車行業(yè)發(fā)展的必然途徑。通過中國電動(dòng)車市場調(diào)研報(bào)告，電動(dòng)車的發(fā)展是我國乃至世界各國汽車發(fā)展的必然趨勢，而充電技術(shù)的研究是電動(dòng)車發(fā)展的重要因素，因此對(duì)電動(dòng)車充電系統(tǒng)這一主要環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是以后電動(dòng)車設(shè)計(jì)的重要組成部分[1]。

太陽能技術(shù)的應(yīng)用可以緩解能源緊缺的壓力，利用太陽能充電可以減少電動(dòng)車對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的消耗，同時(shí)還可以對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行一定程度的補(bǔ)充[2]。結(jié)合超級(jí)電容技術(shù)這一新興科技[3]，可以儲(chǔ)存大量的電能，延長電動(dòng)車蓄電池的使用壽命。而感應(yīng)充電的應(yīng)用是對(duì)普通充電技術(shù)的一大改革，會(huì)促進(jìn)電動(dòng)車充電技術(shù)從“有線”向“無線”發(fā)展[4]。

1 太陽能充電站設(shè)計(jì)

由于城市路況較為擁擠，車流量較多，可用來建設(shè)充電站的可利用面積很小。在進(jìn)行電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃時(shí)，應(yīng)該要同時(shí)兼顧充電站運(yùn)營商和電動(dòng)車用戶的雙方利益。如果把充電站建設(shè)在遠(yuǎn)離市中心的郊外，雖然可以一定程度上減少運(yùn)營商的設(shè)計(jì)投入成本，但會(huì)對(duì)電動(dòng)車用戶使用造成很大影響[5]。因此綜合雙方利益，可以設(shè)計(jì)充電站的結(jié)構(gòu)圖1所示。

圖1 太陽能充電站結(jié)構(gòu)簡圖

由圖1可知，設(shè)計(jì)的充電站主體結(jié)構(gòu)上方是一個(gè)大的太陽能接收板，底座的占地面積為1 m2，避免了多度的利用空間資源。可以布置在城市的中心地帶，有利于電動(dòng)車用戶使用充電站，節(jié)省了不必要的浪費(fèi)。

因?yàn)榧竟?jié)和每天時(shí)刻的不同，太陽光照射角度在不停地變化。為了使陽光始終垂直照射在太陽電池板上[6]，在電池板線路上安裝光敏傳感器。利用傳感器的逐光性，可以隨時(shí)調(diào)整電池板和陽光的所成角度，保證陽光的充分利用，最大限度地吸收太陽能，提高充電效率。

2 電動(dòng)車基本原理簡介

從目前電動(dòng)車市場上來看，電動(dòng)汽車充電方式主要分為充電模式和更換電池模式兩種。充電模式分為普通充電和快速充電。普通充電這種充電模式一般每次充電所消耗的時(shí)間較長，快速充電由于采用大電流給電動(dòng)汽車充電，所以充電時(shí)間相對(duì)較短。而更換電池模式是將空電池從電動(dòng)車取出，留在充電站利用小電流來進(jìn)行長時(shí)間充電，再給電動(dòng)車換上新的電池[7]。

使用太陽能充電時(shí)，太陽能接收板在光敏傳感器的作用下始終與太陽照射方向成垂直角度，電池板內(nèi)部建立電場變感應(yīng)電流，將產(chǎn)生的電流傳送到蓄電池，并儲(chǔ)存起來。由于有時(shí)太陽能接收板產(chǎn)生的電流過多，為了充分利用能源，使用超級(jí)電容來儲(chǔ)存部分電能，這是由于超級(jí)電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲(chǔ)能元件，具有比靜電電容器高得多的比能量和比電池高得多的比功率，不僅適合于作短時(shí)間的功率輸出源，而且超級(jí)電容具有內(nèi)阻小，充放電效率高，約為90%以上，循環(huán)壽命長、無污染等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[8]。

由于天氣氣候的影響，在給電動(dòng)車充電時(shí)，光照充足的情況下，太陽電池板將收集的太陽光及其他形式的光照，一方面用于充電，多余的部分一部分給超級(jí)電容和蓄電池儲(chǔ)存起來，多余的補(bǔ)償給電網(wǎng)；當(dāng)在陰天時(shí)則由平時(shí)蓄電池儲(chǔ)存的能量或直接從電網(wǎng)接電用于電動(dòng)車充電[9]。這樣可以充分發(fā)揮充電站的作用，避免影響電動(dòng)車用戶的使用。具體流程如圖2所示。

圖2 充電流程圖

3 感應(yīng)充電設(shè)計(jì)

當(dāng)今市場上，電動(dòng)車充電大體分為更換電池和充插電式兩種方式。這兩種方式主要存在以下問題：(1)更換電池較為麻煩，首先針對(duì)不同類型的電動(dòng)車有相應(yīng)的蓄電池，電動(dòng)車用戶對(duì)于電池的品牌價(jià)格及新舊程度都有著不同的接受程度。如果針對(duì)不同的電動(dòng)車制造不同大量的電池，隨著電動(dòng)車數(shù)量的不斷增多，這對(duì)于制造商是一種巨大的負(fù)擔(dān)，違背了市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式，不利于電動(dòng)車行業(yè)的發(fā)展；(2)充電站的建設(shè)存在弊端，大多充電站采用充插式充電，充電站占地面積過于龐大，不利于城市建設(shè)規(guī)劃。而建在相對(duì)偏遠(yuǎn)的郊區(qū)，不利于電動(dòng)車用戶的使用。而且，不同的電動(dòng)車對(duì)充電站的要求不同，為了滿足不同的充電要求，只能建設(shè)大量的充電樁，這不利于資源的規(guī)劃與充分利用；(3)充電站充電線路布置太多，針對(duì)一定規(guī)模的充電站，地下線路放置的太多，充電站在電動(dòng)車充電時(shí)接口插拔過程中必然出現(xiàn)電火花，這會(huì)造成一定的安全隱患。運(yùn)營商在線路維護(hù)上面也會(huì)花費(fèi)一定數(shù)量的費(fèi)用。

綜上所述，為了避免上述制約電動(dòng)車發(fā)展的不利因素，我們結(jié)合感應(yīng)充電技術(shù)在一定程度上完善充電技術(shù)。首先由太陽電池板接受光照產(chǎn)生電流，沒有電動(dòng)車充電的時(shí)候，由超級(jí)電容來儲(chǔ)存電能。當(dāng)有電動(dòng)車充電時(shí)，感應(yīng)線路接通[10]。無線感應(yīng)充電系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成，安裝在充電站地面下主線圈和安裝在車輛底盤下的線圈[11]。當(dāng)電動(dòng)車用戶需要給電動(dòng)車充電的時(shí)候，可以將電動(dòng)車移動(dòng)到指定位置，當(dāng)兩個(gè)線圈靠近的時(shí)候由于線路的接通，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈就會(huì)相互感應(yīng)，自動(dòng)進(jìn)行對(duì)接[12]。通過電磁感應(yīng)原理來給電動(dòng)車蓄電池充電，這樣可以節(jié)省空間，減少線路的布置。在有光照的情況下，充電原理示意圖如圖3所示而當(dāng)光照不足的時(shí)候，充電原理示意圖如圖4所示。

圖3 有光照時(shí)感應(yīng)充電原理圖

圖4 無光照時(shí)感應(yīng)充電原理圖

由于電動(dòng)車底盤位置裝有次級(jí)線圈，在充電線路接通時(shí)，初級(jí)和次級(jí)線圈發(fā)生感應(yīng)充電時(shí)，為了充分利用電能可在充電線路中添加儲(chǔ)能元件—超級(jí)電容，組成蓄電池復(fù)合電源。目前，世界各國爭相研究超級(jí)電容，并越來越多地將超級(jí)電容技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)車使用上，超級(jí)電容已經(jīng)成為電動(dòng)車發(fā)展的新趨勢。由于超級(jí)電容具有比功率高、比能量大、一次儲(chǔ)能多等優(yōu)點(diǎn)，與蓄電池組成聯(lián)合體工作時(shí)，蓄電池和超級(jí)電容將具有相同的電壓，導(dǎo)致超級(jí)電容僅在蓄電池電壓發(fā)生快速變化時(shí)輸出和接收功率，從而減弱了超級(jí)電容的負(fù)載均衡作用，可以實(shí)現(xiàn)能量回收利用、降低污染，大大地提高電動(dòng)車一次充電的續(xù)駛里程[8]。鑒于蓄電池都有一定的使用壽命，通過增加電動(dòng)車的一次充電行駛里程，可以減少蓄電池充放電次數(shù)，延長其使用壽命，減少了生產(chǎn)成本和環(huán)境污染，符合環(huán)保的要求。

由于本文使用太陽電池的單位面積較小，所以把電池的單位面積作為最小光電轉(zhuǎn)換單元，一般使用最小轉(zhuǎn)換單元面積為4～100 cm2，產(chǎn)生的電壓值大約為0.45～0.5 V，對(duì)應(yīng)的電流大小為20～25 mA/cm2，由于單元單位面積提供的電壓遠(yuǎn)低于充電所需要的實(shí)際電壓，因此可將多塊面積小的電池板件串聯(lián)使用。據(jù)報(bào)道，目前國際上非晶硅／微晶硅疊層薄膜太陽電池的實(shí)驗(yàn)室最高效率已達(dá)到14.7%；我國單室沉積非晶硅／微晶硅疊層電池效率達(dá)到10.6%，單室高速沉積單結(jié)微晶硅電池效率達(dá)到9.3%，疊層電池效率達(dá)到11.3%，在柔性不銹鋼襯底上非晶硅/微晶硅疊層電池效率達(dá)到9.5%。假設(shè)初級(jí)線圈端電壓值為U，取光電轉(zhuǎn)換效率為10%，則源電壓為10U，為了保證產(chǎn)生足夠電壓值，取單個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生電壓值為0.45 V，則串聯(lián)的單元數(shù)為10U/0.45個(gè)。

通過查閱相關(guān)資料總結(jié)得出，市場上電動(dòng)車充電裝置中存在著不同程度的人機(jī)交互問題：(1)缺乏功能指示性標(biāo)志，容易造成用戶的誤操作[13]，例如不能實(shí)時(shí)告知充電情況；(2)系統(tǒng)不夠完備，不能完全滿足用戶需要。因此，在汽車充電線路上安裝信號(hào)發(fā)生器，在手機(jī)上或者別的通信工具上安裝接收器，充電過程中信號(hào)發(fā)射器，給接收裝置發(fā)射充電信號(hào)，可以實(shí)時(shí)了解充電情況，避免充電過度，造成對(duì)蓄電池的損害。

4 總結(jié)

本文針對(duì)電動(dòng)車充電方式的不同模式存在的問題，提出了感應(yīng)充電技術(shù)與太陽能技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。該應(yīng)用首先提出以充分利用太陽能資源為前提，對(duì)現(xiàn)在常規(guī)電動(dòng)車充電站進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的充電站占用更小的面積，便于充電站布置在城市中心路段，方便電動(dòng)車用戶隨時(shí)充電。

同時(shí)，添加光敏傳感器的太陽能接收板可以在有光照的前提下，始終保持與光線垂直，充分利用太陽光，通過提高光照輸入量來提高產(chǎn)生電流量。并且通過超級(jí)電容的使用，有以下兩個(gè)好處：(1)可儲(chǔ)存一部分電能，在光照不足的時(shí)候，可配合電網(wǎng)接電來給電動(dòng)車蓄電池充電，在光照充足的時(shí)候，可將多余的電能反饋補(bǔ)償給電網(wǎng)，彌補(bǔ)電網(wǎng)的損耗；(2)超級(jí)電容與蓄電池的組合工作，通過超級(jí)電容儲(chǔ)能特性，可一定程度上增加電動(dòng)車一次充電的續(xù)駛里程，減少蓄電池充放電次數(shù)，延長蓄電池的使用壽命，減少蓄電池的生產(chǎn)成本。

感應(yīng)充電技術(shù)的應(yīng)用，可以減少充電線路的布置，降低線路維護(hù)的成本，充分利用城市空間資源。隨著電動(dòng)車數(shù)量的不斷增加，感應(yīng)充電這一先進(jìn)技術(shù)會(huì)更好應(yīng)用到電動(dòng)車上面。為了更好地利用感應(yīng)充電技術(shù)，充分發(fā)揮人機(jī)交互性原則，下一步的改進(jìn)思路是如何更好地實(shí)時(shí)監(jiān)測充電過程，同時(shí)調(diào)節(jié)太陽能充電和電網(wǎng)供電的分配關(guān)系，以便更好地利用能源，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能環(huán)保”的目標(biāo)。

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Electric vehicle charging system design based on inductive charging

LI Yun1,ZHU Fa-wang2
(1.Shanxi Institute of Technology of Profession of Traffic Engineering Vehicles,Taiyuan Shanxi 030619,China;2.School of Mechanical and Power Engineering,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China)

TM 914

A

1002-087X(2017)09-1364-02

2017-02-23

李赟(1965—)，男，山西省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檐囕v電器控制應(yīng)用。