淺談共享電單車無線充電技術(shù)

編者按：本文介紹了針對(duì)共享電單車停車充電而研發(fā)的無線充電機(jī)，其供電采用直流電壓48 V，充電效率達(dá)到82%，空間能量傳遞效率達(dá)到93%以上。

背景資料：

繼1831年英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)并提出電磁感應(yīng)定律后，英國物理學(xué)家麥克斯韋對(duì)電磁場在空間的傳播進(jìn)行了繼續(xù)研究，并于1873年出版了《論電與磁》，由此人類開始了電場與磁場的深入研究與應(yīng)用。

如今，共享單車由于其符合低碳出行的理念，在國內(nèi)引起人們?cè)絹碓蕉嗟仃P(guān)注。而共享電單車離不開充電，從用電安全和可靠性設(shè)計(jì)角度著眼，應(yīng)采用低壓供電和非接觸無線充電。本文所述的無線充電電路采用48V直流供電。

無線充電電路一般由3個(gè)單元電路組成：一是振蕩電路單元，二是功率耦合單元，三是整流與充電單元。為了減小元器件的發(fā)熱和節(jié)約能源，這3個(gè)單元的綜合效率不應(yīng)低于80%。這就要求3個(gè)單元中每一個(gè)單元的工作效率不低于93%，其中尤其對(duì)功率耦合單元的要求更高，其耦合效率越高，對(duì)外電磁輻射就越小。按照歐盟電動(dòng)助力車EMl的標(biāo)準(zhǔn)，通俗地理解就是：電磁輻射劇＼于一只電子表工作時(shí)的電磁輻射！否則無線充電技術(shù)在電單車領(lǐng)域無法推廣。

減少電磁輻射并增加無線充電效率的幾個(gè)努力方向有：減小功率器件開關(guān)損耗；減小功率器件導(dǎo)通損耗；減小感應(yīng)天線的趨膚效應(yīng)；增加主動(dòng)誘電（AIEC Active Irlduoe Elecllidty）（基于麥克斯韋空間能量傳遞理論）；采用高頻同步整流（SIRCSynchronous Rectification Circuit）；及時(shí)功率調(diào)整技術(shù)（JPAC Instant Power Adiust Circuit，充電功率需要多少能量就傳遞多少能量）。下面就這些關(guān)鍵技術(shù)在產(chǎn)品化實(shí)踐過程中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)做簡單描述。

1.自動(dòng)無線充電：當(dāng)電單車推進(jìn)無線充電樁后，樁體內(nèi)部的車位傳感器被觸發(fā)，啟動(dòng)感應(yīng)充電機(jī)振蕩電路給天線供電。使電能通過空間傳遞給安裝砘單車上的感應(yīng)天線，該電能的獲取是通過電磁感應(yīng)效應(yīng)（法拉第電磁感應(yīng)原理）和主動(dòng)誘電技術(shù)（麥克斯韋電磁共振原理），這樣獲取電能的效率可以達(dá)到93.7%。無線充電的原理如下圖所示（虛線內(nèi)為感應(yīng)充電機(jī)總成）。

2.為了保證用電安全，感應(yīng)充電機(jī)采用48 V供電，讓振蕩電路產(chǎn)生正弦交變電流，作用于供電感應(yīng)扳的天線已通過天線把電能發(fā)射到附近空間。安裝于電單車上的能量接收天線通過2種方式接收能量，一是電磁感應(yīng)方式，大約可以接收到60%的電能，二是通過主動(dòng)誘電方式接收能量，大約可以接收到30%的電能。2種能量的接收方式加起來，一共可以接收到93%以上的電能。感應(yīng)充電機(jī)可以根據(jù)電池電能的多少，自動(dòng)調(diào)節(jié)供電功率，從而避免了能量的浪費(fèi)。由于采用主動(dòng)誘電技術(shù)，此種無線充電樁的傳電效率在20 mm間隙范圍內(nèi)可以保持效率不變。

3.由于發(fā)射天線與接收天線是由線圈繞制而成的，為了盡可能的使線圈導(dǎo)體導(dǎo)電效率最高，應(yīng)采用相互絕緣的多股細(xì)銅線，這樣可以有效地避免趨膚效應(yīng)（又稱集膚效應(yīng)）所帶來的能量損耗，目能有效降低線圈天線溫度，并使得感應(yīng)效率提升3%以上。

4.高頻同步橋式整流電路，是車載充電器小型化的關(guān)鍵技術(shù)。分體式充電器可以采用加大外殼散熱面積，或者安裝風(fēng)扇散熱。對(duì)于車載充電器而言，其體積應(yīng)越小越好，尤其當(dāng)充電電流大于2 A以上的時(shí)候。要把車載充電器尺寸縮小到0.5個(gè)香煙盒的大小，就必須采用SIRC同步整流技術(shù)（Synchrorlous IRecliffcalJon Circuit）另外為了進(jìn)一步減小車載充電器的功率損耗，還應(yīng)增加IPAC及時(shí)功率調(diào)整技術(shù)（Instant Power Adjusr Circuit）。IPAC的功能是：按照當(dāng)前恰好能滿足電池充電所需的電壓和電流，及時(shí)通知發(fā)射天線調(diào)整電壓和電流，此刻接收天線接收到的電壓和電流，正好匹配上充電參數(shù)，這樣才能實(shí)現(xiàn)車載充電器的發(fā)熱達(dá)到最小，從而實(shí)現(xiàn)車載充電器的小型化。經(jīng)過批量產(chǎn)品化的驗(yàn)證，采用高頻同步整流技術(shù)（SRC）和及時(shí)功率調(diào)整技術(shù)（IPAC）的小型車載充電器可以安裝在電單車的任伺位置，而不需要散熱。

5.由于共享電單車是戶外批量運(yùn)營，車輛無線充電過程中的環(huán)境溫度、濕度、發(fā)射天線和接收天線間隙變化、天線錯(cuò)位、電單車電池差異、天線參數(shù)的個(gè)體差異等會(huì)導(dǎo)致充電電路的固有頻率偏差（Inherent Frequency Offset），為了消除這種偏差。無線充電機(jī)，應(yīng)設(shè)計(jì)AFC自動(dòng)頻率調(diào)整電路，以根據(jù)電單車的個(gè)體差異，對(duì)其電參數(shù)做出相應(yīng)調(diào)整，這樣才能適應(yīng)大批量的盲配充電。（基于e-doctor電單車用總線電控配件，將另文介紹）