基于無線充電道路的充電模型研究

吳新宇　劉望

摘 要：本文以基于無線智能充電道路的電動汽車為研究對象，采用對比分析、仿真設(shè)計等方法，研究無線充電、儲能技術(shù)。提出了一種解決電動汽車續(xù)航里程短及充電時間長的問題的方法，使汽車可以實現(xiàn)邊行駛邊充電，最終達到零充電時間、無限續(xù)航的目的。

關(guān)鍵詞：道路無線充電技術(shù) 零充電時間 無限續(xù)航

Automatic driving system based on wireless intelligent charging road

Wu Xinyu Liu Wang

Abstract：This article takes electric vehicles based on wireless intelligent charging roads as the research object， and uses comparative analysis， simulation design and other methods to study wireless charging and energy storage technologies. This subject aims to propose a method to solve the problems of short cruising range and long charging time of electric vehicles， so that the car can be charged while driving， and finally achieve the purpose of zero charging time and unlimited battery life.

Key words：road wireless charging technology; zero charging time; unlimited battery life; automatic driving

1 引言

全球近四分之一的能源用于交通運輸，以現(xiàn)有技術(shù)要想解決能源危機和環(huán)境污染問題，最佳選擇無疑是電能全面取代化石燃油的交通能源新格局。相比于充電樁，無線充電裝置的建設(shè)投入成本更加低，其中最顯著優(yōu)勢是無線充電裝置不受場地等因素的影響，也不占用任何空間，使得布局更加簡易靈活。

本課題旨在于解決電動汽車續(xù)航能力不足及充電耗時時長的問題，最終實現(xiàn)的是無限續(xù)航、充電時間為零，從而使電動汽車普遍被人們所接受，從而逐步替代傳統(tǒng)燃油汽車。

2 設(shè)計思路

針對新能源汽車發(fā)展中遇到的問題，本課題提出了一種簡易解決電動汽車續(xù)航里程短及充電時間長的問題的方法，采用互感式道路無線充電技術(shù)，汽車與道路進行通信，當檢測到有電動汽車通過時，發(fā)射線圈通電，電動車接收端把磁場能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆Υ妫瑢崿F(xiàn)邊行駛邊充電的目的。

通過對比電磁感應(yīng)、磁共振、無線電波三種無線充電方案，在目前技術(shù)發(fā)展水平上磁感式無線充電技術(shù)顯然占據(jù)較大優(yōu)勢，充電功率高達數(shù)千瓦已經(jīng)完全滿足電動汽車充電功率需求，在能量轉(zhuǎn)化效率上是最高的，能量轉(zhuǎn)化效率通常可達到95%以上，工藝性較低，可大規(guī)模生產(chǎn)。

綜合各類動力電池優(yōu)缺點分析，本課題儲能裝置最終選擇為超級電容為一級儲能裝置，其原因如下：大單體充放電電流可達到1000A，充電時間只需幾秒支持超級快充技術(shù)，不受大電流沖擊影響，放電循環(huán)壽命高達數(shù)百萬次，尤其適用于這種道路點鋪設(shè)無線充電的間斷性大電流充電，物理儲能能量效率近100%，自放率高;電容型三元鋰池（電池三元鋰電池并聯(lián)電容，降低大電流對鋰電池使用壽命影響）為二級儲能裝置直接作為電動汽車供能裝置，自放率低可以彌補超級電容缺陷，在電動汽車長期不使用的情況下仍然能夠保持充足電量。

3 設(shè)計原理

3.1 無線充電道路模型

無線充電道路模型：智能無線充電道路中間鋪設(shè)有電磁信號線，進行發(fā)射電磁導(dǎo)航信號;電磁信號線兩旁裝設(shè)電纜及無線充電發(fā)射端和無線通信裝置，檢測到有電動汽車通過時，電纜發(fā)射電磁信號，智能汽車接收端把磁場能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆Υ妫瑢崿F(xiàn)邊行駛邊充電的目的。智能無線充電道路如圖1所示。

3.2 最高充電效率模型

研究最高充電效率模型：此模型建立的基本原理是電磁互感效應(yīng)，考慮到電流的“趨膚效應(yīng)”為進一步降低導(dǎo)線內(nèi)阻，在線圈選擇時應(yīng)以較細導(dǎo)線多股纏繞為宜，發(fā)射線圈用直徑為1.1mm的漆包線多股繞制并聯(lián)4.6nF電容完成電流諧振，諧振電壓為12V，640kHz交流電。

確定發(fā)射線圈與接收線圈效率最高位置，接收端線圈（內(nèi)徑70mm外徑93mm），發(fā)射端線圈（直徑260mm），輸出功率：P=UI，在輸出功率一定時，接受端線圈電流與電壓成反比，實驗發(fā)現(xiàn)接受端線圈與發(fā)射端線圈在一定范圍內(nèi)隨著接收端線圈高度增加電壓升高，電流減小，接收端線圈距離發(fā)射端線圈-5～5cm的高度時傳輸功率最大，根據(jù)電流、電壓計算出內(nèi)阻，再通過接收端線圈電流、電壓計算出接收端功率P2=U2I2。

通過MATLAB控制電子升降臺和電子負載，利用步進電機控制接收端線圈沿直徑方向勻速移動，可以測量出接收線圈每一個位置的電壓-電流，進行繪制的無線充電效率測試圖如圖2所示。

綜上分析可知接收線圈并不是處于發(fā)射端線圈正中心位置時傳輸效率最高，而是在偏離接收端線圈中心位置處50mm輸出功率最大。

3.3 無線充電自動調(diào)整裝置

無線充電自動調(diào)整裝置主要包括：無線充電接收線圈、X軸滑軌、Y軸滑軌、電動滑輪。本裝置設(shè)計目的保證無線充電裝置時刻處于能量傳輸效率最佳狀態(tài)，根據(jù)上述實驗所得出的結(jié)論，設(shè)定無線充電高效充電區(qū)域，并以此區(qū)域邊界處的沖電效率作為閾值，無線充電自動調(diào)整裝置安裝在汽車底盤處，接收線圈可以沿著X軸滑軌和Y軸滑軌自由移動，當接收線圈充電效率大于等于閾值時，處理器判斷接收線圈進入高效充電區(qū)域，此時電動滑輪停止運轉(zhuǎn);若接收線圈充電效率小于閾值時，電動滑輪不斷沿著X軸滑軌和Y軸滑軌以平面掃描方式運動直到進入高效充電區(qū)域為止，所以無線充電自動調(diào)整裝置能夠自動追蹤最佳充電效率，無線充電自動調(diào)整裝置如圖3所示。

3.4 儲能方案選擇

采用超級電容直接從道路獲能，電能累積達到設(shè)定值后給電容型三元鋰電池充電，使電池組使用壽命進一步增加。根據(jù)電容充放電特性：電壓越高電容自放速率就越快，電容在一定的放電條件下隨著放電時間增加電壓降低的速率逐漸減緩。

根據(jù)以上特性，本課題設(shè)計使用四個100F的法拉電容進行串聯(lián)連接，電容的額定電壓為2.7V、耐壓值3.3V。由于電容單體擊穿電壓非常低，通常都會設(shè)計防過充過壓保護電路如圖4所示。根據(jù)超級電容放電規(guī)律，要想充分利用超級電容內(nèi)儲存的電能，不能直接穩(wěn)壓輸出而是采取先升壓再穩(wěn)壓的策略，其目的是最大可能把超級電容中的電能釋放出來，升壓模塊如圖5所示。

4 結(jié)論

通過對比現(xiàn)有的各類無線充電技術(shù)方案，選擇互感式無線充電技術(shù)。用CAD軟件繪制無線充電道路模型、研究無線充電高效率模型，自動調(diào)整裝置使充電效率時刻保持最佳狀態(tài)。設(shè)計無線充電自動調(diào)整裝置，使充電效率時刻保持最佳狀態(tài)。分析各類儲能裝置優(yōu)缺點，設(shè)計最優(yōu)儲能方案，超級電容為一級儲能裝置，電容型三元鋰池為二級儲能裝置。通過Altium Designer 14.3軟件對電路系統(tǒng)設(shè)計，使其在安全范圍內(nèi)充分釋放出電能，進一步提高能量利用率。

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