無線技術(shù)在新能源汽車能源補(bǔ)給中的應(yīng)用

古云峰

(廣州市公用事業(yè)技師學(xué)院,廣東 廣州 510000)

0 引言

面對(duì)日趨嚴(yán)峻的全球能源危機(jī)及環(huán)境污染問題,以及隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐步增強(qiáng),全球范圍內(nèi)越來越多的汽車廠商加入了新能源汽車的研發(fā)、應(yīng)用行列之中,這推動(dòng)了新能源汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展。 對(duì)于新能源汽車的使用,人們尤為關(guān)注人性化、智能化的問題,然而受電池技術(shù)影響,新能源汽車每充完一次電所行使的距離有限,難以保證長(zhǎng)途行駛,由此一定程度上影響了新能源汽車的發(fā)展。 加之大批量新能源汽車接入電網(wǎng),勢(shì)必會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大的挑戰(zhàn),所以需要對(duì)新能源汽車開展全面深入研究,確保大規(guī)模新能源汽車接入電網(wǎng)不會(huì)對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)有序運(yùn)行造成影響的同時(shí),滿足新能源汽車的充電需求。 傳統(tǒng)有線充電存在易產(chǎn)生火花,漏電引發(fā)安全隱患,充電樁難以滿足汽車數(shù)量較多、規(guī)模較大情況下汽車充電需求等問題。 而無線充電技術(shù)則能有效解決這些問題,充電迅速、充電距離遠(yuǎn)、范圍廣也成了無線充電技術(shù)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。 與此同時(shí),無線充電技術(shù)的安全性、穩(wěn)定性也更為符合今后新能源汽車行業(yè)的發(fā)展要求[1]。 近年來,無線充電技術(shù)已在我國(guó)一些城市地區(qū)得到推廣使用,且主要通過電磁感應(yīng)、電磁共振或其他無線電能傳輸技術(shù)完成對(duì)新能源汽車的充電。 因此,本文將對(duì)新能源汽車無線充電技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行探索研究。

1 無線充電技術(shù)概述

根本上而言,無線充電即為對(duì)電磁感應(yīng)原理的應(yīng)用,也就是電流流經(jīng)線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),與磁場(chǎng)接近的線圈會(huì)形成感應(yīng)電流。 變壓器即為利用了電磁感應(yīng)原理的典型設(shè)備,只是其初級(jí)線圈與次級(jí)線圈纏繞于相同鐵氧體上,以此可更好地發(fā)揮磁場(chǎng)作用。 倘若去除鐵氧體,讓初級(jí)線圈、次級(jí)線圈直接于空氣中實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng),這樣一來,變壓器便成了無線充電設(shè)備的原型[2]。然而鑒于磁場(chǎng)在空氣中會(huì)出現(xiàn)較大的耗損,以此會(huì)很大程度上影響電能傳輸效率,使得無線充電會(huì)產(chǎn)生極大的成本。 而美國(guó)特斯拉公司研發(fā)的磁場(chǎng)共振技術(shù)很好地解決了該項(xiàng)問題,讓無線傳輸距離有數(shù)厘米延長(zhǎng)至數(shù)米,這一距離能夠很好地滿足新能源汽車的無線充電需求。

對(duì)于無線充電的充電方式,主要包括有以下幾種:一是電磁感應(yīng)式充電方式。 電磁感應(yīng)式是將受電線圈裝設(shè)于汽車的底盤之中,將供電線圈裝設(shè)于地面。 當(dāng)電動(dòng)汽車位于供電線圈正上方位置時(shí),供電線圈則會(huì)產(chǎn)生交變電流,利用電磁感應(yīng)使得受電線圈形成電流。電磁感應(yīng)式無線充電工作原理如圖1 所示。 電磁感應(yīng)式充電方式存在一些不足。 首先,供電距離偏短,倘若兩個(gè)線圈存在較大的橫向偏差,則傳輸效率將會(huì)顯著下降。 就以實(shí)際情況而言,電磁感應(yīng)式充電方式所能實(shí)現(xiàn)的傳輸距離約為10 cm,而汽車底盤與地面間隙通常在10 cm 以上。 其次,耦合輻射問題,電磁波耦合會(huì)出現(xiàn)大的磁場(chǎng)泄漏。 電磁感應(yīng)于線圈相互間送電,和磁鐵相似,在外圈會(huì)出現(xiàn)一定的泄漏情況,為此用戶如何免遭影響是需要解決的一大問題。 二是磁場(chǎng)共振式充電方式。 磁場(chǎng)共振式,亦可稱之為近場(chǎng)諧振式,主要由能量發(fā)送裝置、能量接收裝置構(gòu)成,在兩大裝置調(diào)節(jié)至統(tǒng)一頻率,抑或在某一特定頻率上共振,兩者即可實(shí)現(xiàn)相互間的能量交換,這一原理與聲波共振原理相似,排列于磁場(chǎng)中的相一致振動(dòng)頻率的線圈,可由一個(gè)線圈向另一個(gè)線圈送電。 當(dāng)前的技術(shù)水平約為直徑0.5 m 的線圈,可在約1 m 的距離提供60 W 的電力。磁場(chǎng)共振式充電方式的主要難點(diǎn)在于小型、高效率化,而小型、高效率也被認(rèn)為是今后最有希望在新能源汽車無線充電中得到廣泛推廣的一種方式[3]。 三是無線電波式充電方式。 無線電波亦可稱之為電磁波,作為一種較為成熟的無線充電方式,如今得到廣泛推廣的廣播電視等現(xiàn)代通信技術(shù)均是以無線電波技術(shù)為基礎(chǔ)的,其同時(shí)可傳輸電能,尤其是微波,依托硅整流二極管天線,可將微波轉(zhuǎn)化成電能,轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到約95%。 比如早期推廣的礦石收音機(jī),即在微波發(fā)射裝置、微波接收裝置的支持下,可通過微型高效接收電路捕捉由障礙物反射回來的無線電波,接著將其轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的直流電壓。 但該種充電方式功率偏低,距離偏短,且充電時(shí)間偏長(zhǎng)。

圖1 電動(dòng)汽車電磁感應(yīng)式無線充電工作原理

2 無線充電技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

對(duì)于無線充電技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)而言,主要表現(xiàn)為以下幾大方面:一是傳統(tǒng)充電樁占地面積大,而無線充電系統(tǒng)既可在停車位上進(jìn)行安裝建設(shè),或鋪設(shè)在停車位土地下方,或安裝于停車位綠化帶區(qū)域,不會(huì)造成額外的土地面積占用。 二是無線充電系統(tǒng)建設(shè)成本更低,基于現(xiàn)有技術(shù),一套無線充電裝置建設(shè)成本約為3 萬元,在普通大眾可承受范圍內(nèi);同時(shí),無線充電系統(tǒng)建設(shè)周期也可得到極大縮短,建設(shè)周期在30 天左右,遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)充換電站的建設(shè)周期[4]。 三是無線充電系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)成本上也得到了很大程度的降低。 以普通燃油汽車為例,百公里燃油成本一般會(huì)超過60 元,石油企業(yè)會(huì)從該筆油費(fèi)中抽取相應(yīng)部分用作加油站的運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用。 而新能源汽車百公里耗電成本則在10～15 元,去除發(fā)電成本,將無法抽取出其他費(fèi)用用作充換電站的運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用。 因而,如何降低新能源汽車充電運(yùn)營(yíng)成本是新能源汽車行業(yè)所需解決的一大問題。 而通過引入無線充電技術(shù),將可實(shí)現(xiàn)停車自動(dòng)充電,不需要配備其他工作人員提供操作指導(dǎo),極大地降低了運(yùn)營(yíng)成本。 四是從用戶體驗(yàn)角度而言,無線充電技術(shù)更為安全、便捷、綠色。 無線充電技術(shù)可省去傳統(tǒng)充電環(huán)節(jié)的金屬介質(zhì),這是新能源汽車充電技術(shù)的創(chuàng)新性發(fā)展。 依托智能操作系統(tǒng),無線充電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制充電甚至自動(dòng)充電,使用戶獲得更為人性化、智能化的使用體驗(yàn)。 另外,無線充電過程不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)、觸電等情況,以此可切實(shí)保證充電的安全性、可靠性。 五是無線充電技術(shù)應(yīng)用可推進(jìn)新能源汽車的輕量化發(fā)展,并使新能源汽車的生產(chǎn)成本得到一定程度降低。 長(zhǎng)期以來,電池密度并未得到明顯提升,為確保新能源汽車的續(xù)航里程,裝置龐大的電池裝置,這樣不僅會(huì)占據(jù)汽車內(nèi)部空間,還會(huì)加大新能源汽車生產(chǎn)成本。 而通過引入無線充電技術(shù),則可讓新能源汽車擺脫續(xù)航問題,從而一定程度上縮小電池容量及體積,推動(dòng)汽車輕量化發(fā)展的同時(shí),可降低新能源汽車生產(chǎn)成本。

3 新能源汽車充電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 充電樁及充電站數(shù)量有限

相較于新能源汽車的迅猛發(fā)展,充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)沒有明顯跟上腳步。 依據(jù)新能源汽車與充電樁1 ∶1的標(biāo)準(zhǔn)配置而言,充電基礎(chǔ)設(shè)施仍存在極大的缺口。比如,普通充電主要為交流充電,電壓為220 V,汽車一次性充滿大約要10 小時(shí),倘若電站配備有20 個(gè)充電樁,則一天最多充30 輛汽車,而面臨不斷發(fā)展壯大的新能源汽車行業(yè),對(duì)充電站的需求將只增不減。

3.2 接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一難度大

如今,國(guó)際范圍內(nèi)針對(duì)新能源汽車充電接口主要構(gòu)建有國(guó)際電工委員會(huì)、美國(guó)、歐洲、日本及中國(guó)五大標(biāo)準(zhǔn)體系。 現(xiàn)階段,我國(guó)新能源汽車充電接口主要為中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)兩者并不兼容。 除此之外,選用國(guó)標(biāo)的企業(yè)充電接口標(biāo)準(zhǔn)也存在一定差異。 由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),使得每款新能源汽車不得不配備一個(gè)自己的充電樁,后續(xù)換車意味著同時(shí)要更換充電樁,因?yàn)槌潆姌恫荒芡ㄓ?這樣不僅影響了新能源汽車的推廣,還增加了使用成本。

3.3 充電效率及充電距離有限

因?yàn)閭鬏斁€圈與接收線圈相互間存在相應(yīng)間隙,使得電能傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定程度的損耗,影響傳輸效率。 如今,研發(fā)的無線充電技術(shù)的傳輸效率可達(dá)到90%,而傳統(tǒng)充電樁的傳輸效率約為95%。 不管是磁感應(yīng)充電還是磁共振充電,其傳電距離都相對(duì)有限,這不僅對(duì)新能源汽車底盤高度提出了較高的要求,還對(duì)駕駛?cè)藛T停車技術(shù)提出了一定考驗(yàn)。

4 無線充電技術(shù)在新能源汽車中的實(shí)際應(yīng)用

如今無線充電技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用,以電磁感應(yīng)式、磁耦合共振式兩種最為常見。

4.1 電磁感應(yīng)式在新能源汽車中應(yīng)用

隨著我國(guó)對(duì)新能源汽車研究的不斷推進(jìn),有研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)推出一個(gè)新能源汽車無線充電系統(tǒng),該系統(tǒng)保持在約為5.5 kW。 盡管無線充電技術(shù)在新能源汽車中收獲了一定的應(yīng)用成效,但依然存在一系列問題,比如,無線充電技術(shù)對(duì)新能源汽車的充電傳輸距離提出了一定要求,也就是最小充電傳輸距離不可小于20 cm,然而電磁感應(yīng)式技術(shù)的傳輸距離最大不超過15 cm。 為此,一些研究人員針對(duì)這一問題展開深入研究,并提出引入脈寬調(diào)變控制,讓新能源汽車的傳輸距離延長(zhǎng)至12～20 cm。 與此同時(shí),還有一些國(guó)外研究人員通過增大線圈直徑的方式,有效將無線充電技術(shù)傳輸距離延長(zhǎng)至20 cm 以上[5]。 另外,在磁芯線圈參數(shù)調(diào)節(jié)中,技術(shù)人員還應(yīng)開展好對(duì)系統(tǒng)傳輸、空間大小、成本高低等方面的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)工作,因而,現(xiàn)階段大功率、高效率等系統(tǒng)設(shè)計(jì)依然是無線充電技術(shù)領(lǐng)域所面臨的難題[6]。 但近年來我國(guó)有研究人員提出了一種磁芯的新結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可有效提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 還有國(guó)外研究人員通過利用方形圓角線圈結(jié)構(gòu),達(dá)到了無線充電技術(shù)的千瓦級(jí)別無線傳輸?shù)哪康摹?/p>

4.2 磁耦合共振式在新能源汽車中應(yīng)用

和電磁感應(yīng)式充電技術(shù)相比,磁耦合共振式充電技術(shù)既具備突出的優(yōu)勢(shì),又表現(xiàn)出一些明顯的不足。其中以頻率失諧、分裂問題最為明顯,為解決這些問題,國(guó)內(nèi)有研究人員提出頻率失諧的原因主要在于外部溫度、電磁場(chǎng)、系統(tǒng)傳輸距離等因素的轉(zhuǎn)變,使得等效電感應(yīng)出現(xiàn)變化。 基于此,提出對(duì)輸入端電壓電流的多次檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、對(duì)比,分析誤差電壓,進(jìn)一步依托誤差電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)壓控振蕩器的調(diào)控,讓系統(tǒng)保持磁耦合共振狀態(tài)。 還有國(guó)外研究人員提出了擾動(dòng)分析法,也就是先對(duì)初始工作頻率進(jìn)行分析,僅通過步長(zhǎng)迭代,然后找到相應(yīng)的工作頻率,該種工作頻率尋找的重要前提在于滿足傳輸頻率[7]。 另外,針對(duì)頻率分裂問題,國(guó)內(nèi)有研究人員依托不同參數(shù)線圈的設(shè)計(jì)試驗(yàn)得出,通過不讓系統(tǒng)產(chǎn)生頻率分類的條件,即可解決頻率分裂問題。 而有研究人員則提出自動(dòng)匹配阻抗方法,即為通過將分裂后的工作頻率調(diào)節(jié)至13.56 MHz,從而讓該頻率下的系統(tǒng)可提升傳輸效率[8]。

5 無線充電技術(shù)及其在新能源汽車中的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 無線充電技術(shù)的發(fā)展

無線充電技術(shù)中的輔助系統(tǒng)、電磁屏蔽與保護(hù)技術(shù)等將會(huì)得到持續(xù)研究。 輔助系統(tǒng)技術(shù)是當(dāng)下新能源汽車無線充電技術(shù)發(fā)展的主要影響因素之一,其不僅技術(shù)難度相對(duì)較大,且需要投入較大的成本,所以直接影響了無線充電技術(shù)的推廣與普及。 當(dāng)下電磁防護(hù)技術(shù)已經(jīng)可以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的明確要求。 電磁屏蔽技術(shù)尚未成熟,大多數(shù)電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠商沒有從設(shè)計(jì)時(shí)期就考慮電磁屏蔽這一情況,相信伴隨著電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的開發(fā),電磁屏蔽技術(shù)將會(huì)更加成熟。

5.2 無線充電技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展

在未來的發(fā)展中,電動(dòng)汽車的無線充電技術(shù)可能與自動(dòng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。 從當(dāng)下技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)來看,要盡可能突出無線充電的優(yōu)勢(shì),還需要搭配自動(dòng)泊車技術(shù),這樣才能使電動(dòng)汽車無線充電更加智能、更加高效。 另外,動(dòng)態(tài)無線充電也成了無線充電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。 早在2017 年高通公司就完成了電動(dòng)汽車在行駛過程中的無線充電測(cè)試,這一技術(shù)通過在道路上裝設(shè)感應(yīng)充電設(shè)備,讓車輛可以在道路上進(jìn)行動(dòng)態(tài)無線充電。 相信經(jīng)過幾年的發(fā)展,動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)距離正式投入使用指日可待。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,現(xiàn)階段我國(guó)新能源汽車無線充電技術(shù)仍處在初級(jí)發(fā)展階段,還有待進(jìn)一步發(fā)展提升。 新能源汽車電池壽命偏短,新能源汽車無線充電技術(shù)面臨著諸多發(fā)展瓶頸,其中成本問題、傳輸距離問題是影響其推廣的重要問題。 未來無線充電技術(shù)將不斷向動(dòng)態(tài)充電、智能駕駛相結(jié)合方向發(fā)展。