無(wú)線充電技術(shù)及其在電動(dòng)汽車方面的應(yīng)用研究

閻江

南京長(zhǎng)安汽車有限公司 江蘇省南京市 211200

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。目前能源資源不斷減少，而環(huán)境問題則日益嚴(yán)重，因此，電動(dòng)汽車作為一種環(huán)保節(jié)能的新型汽車，其備受人們的關(guān)注[1]。無(wú)線充電技術(shù)隨著發(fā)展，其被廣泛的應(yīng)用到各種電器中，比如：手機(jī)等，不過在應(yīng)用到電動(dòng)汽車之后，其不僅為電動(dòng)汽車能源供給提供了新方式，而且為電動(dòng)汽車的持續(xù)發(fā)展提供了基礎(chǔ)，因此，本文首先對(duì)無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)行介紹，繼而針對(duì)無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車中補(bǔ)償結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，最后分析無(wú)線充電技術(shù)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

2 無(wú)線充電技術(shù)

2.1 電磁感應(yīng)式

無(wú)線充電技術(shù)中的電磁感應(yīng)式技術(shù)，基于松耦合變壓器原理的前提條件下，發(fā)送及接收兩端各有一個(gè)線圈，并通一定頻率的交流電在初級(jí)線圈上，此時(shí)的次級(jí)線圈產(chǎn)生電流，而傳輸端將產(chǎn)生的能量輸送到接收端，完成能源轉(zhuǎn)移過程。不過因?yàn)闆]有磁芯，此過程中很大一部分磁動(dòng)勢(shì)無(wú)法傳輸?shù)浇邮斩?，而是散布在空氣磁路上，所以一般此過程中的耦合系統(tǒng)不高于0.5，磁芯磁阻低于空氣磁阻，故此方式的工作效率比較低[2]。

無(wú)線充電技術(shù)的電磁感應(yīng)式工作原理：首先，從電網(wǎng)中獲取的工頻交流電能源被發(fā)射端通過整流及逆變兩個(gè)環(huán)節(jié)，將能源轉(zhuǎn)化為高頻交流電流，然后發(fā)射端將能源通過補(bǔ)償電路輸送到發(fā)射線圈，此時(shí)發(fā)射線圈的磁場(chǎng)發(fā)生變化形成高頻交流磁場(chǎng)，二次繞組因?yàn)楦袘?yīng)到空氣氣隙的交變磁通，此時(shí)的磁場(chǎng)發(fā)生改變形成電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而通過相應(yīng)的濾波及功率調(diào)整，產(chǎn)生電能為電池充電。雖然這匯總電磁感應(yīng)式的充電技術(shù)效率比較低，但是也能夠傳輸千瓦級(jí)功率，所以應(yīng)用前景還是比較廣泛。

2.2 磁耦合共振式

磁耦合共振式充電技術(shù)，其主要優(yōu)勢(shì)就是能夠?yàn)槎鄠€(gè)設(shè)備裝置提供能源，且設(shè)備裝置放置的空間相比較電磁感應(yīng)式更加的自由。同時(shí)充電座與待充電設(shè)備能夠保持10寸的距離，如果在兩者中間放置一個(gè)中繼器，那么兩者保持的距離還能夠拉長(zhǎng)。此外，根據(jù)一些研究表明：磁耦合共振式充電技術(shù)甚至能夠隔著40mm左右的厚度進(jìn)行充電，所以目前我國(guó)的磁耦合共振式充電技術(shù)研究方向主要向此方向研究。

磁耦合共振式充電技術(shù)工作原理：首先，與電磁感應(yīng)同樣的道理，從電網(wǎng)中獲取能源、經(jīng)過整流以及逆變兩個(gè)環(huán)節(jié)，形成高頻交流電，但是不同的是磁耦合共振式使系統(tǒng)完成此過程。之后系統(tǒng)將高頻交流電通過放大功率和匹配抗組電路環(huán)節(jié)將能源傳送到發(fā)射線圈，此時(shí)發(fā)射線圈與接收線圈的電磁頻率、固有頻率一致，所以此時(shí)的接收線圈內(nèi)擁有最強(qiáng)的振蕩電流，接收線圈通過濾波及電路完成充電。相比較電磁感應(yīng)式充電技術(shù)，這種技術(shù)不僅傳輸距離大、能量損耗小，且不敏感汽車相對(duì)位置[3]。但是這種技術(shù)的高頻率在超過50cm以后，其的輻射能夠影響到人體健康。

3 無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車方面的應(yīng)用

在目前的電動(dòng)汽車的無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用中，最為常用的就是電磁感應(yīng)式和磁耦合共振式兩種。無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車方面的應(yīng)用中，國(guó)家財(cái)政部以及科技部等四部委提出了2017到2020年的新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政政策的通知，其中嚴(yán)格規(guī)定除了燃料電池汽車之外，其他的車型標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)助都會(huì)有所下降。

3.1 電磁感應(yīng)式在電動(dòng)汽車中應(yīng)用

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車的研究，東北電力大學(xué)的相關(guān)研究人員搭建了一個(gè)電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)，此系統(tǒng)保持在5.5KW左右。但是雖然無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車中卻得了成就，但是也存在一些問題：首先無(wú)線充電技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車的充電傳輸距離有要求，即：最小不能小于20厘米，但是電磁感應(yīng)式技術(shù)的傳輸距離最大不高于15厘米，所以一些研究學(xué)者針對(duì)此項(xiàng)問題研究分析，并提出利用脈寬調(diào)變控制，促使電動(dòng)汽車的傳輸距離控制在12-20厘米左右。另外針對(duì)這些問題，一些新西蘭的研究人員，通過線圈直徑增大的方式，有效的實(shí)現(xiàn)了無(wú)線充電技術(shù)傳輸距離20厘米的距離突破[4]。除此之外，在磁芯線圈參數(shù)的設(shè)置中，設(shè)計(jì)人員需要重視系統(tǒng)傳輸、空間大小、成本等方面的合理設(shè)計(jì)，所以目前大功率高效率等系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是無(wú)線充電技術(shù)的一難題。不過西南大學(xué)的一些研究人員，提出了一種磁芯的新結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。而美國(guó)的樹林實(shí)驗(yàn)室則是通過采用方形圓角線圈結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線充電技術(shù)的千瓦級(jí)別無(wú)線傳輸目的。

3.2 磁耦合共振式在電動(dòng)汽車中應(yīng)用

相比較電磁感應(yīng)式充電技術(shù)，磁耦合共振式充電技術(shù)優(yōu)勢(shì)比較突出，但是取得缺點(diǎn)也比較突出。其主要就是頻率失諧和分裂問題，為解決此問題，華南理工大學(xué)的研究人員認(rèn)為失諧造成的原因就是外界電磁場(chǎng)、溫度、系統(tǒng)傳輸距離等方面的影響變化，讓等效電感應(yīng)產(chǎn)生變化。因此，提出對(duì)輸入端電壓電流的多次檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄、對(duì)比，了解誤差電壓，進(jìn)而通過誤差電壓控制調(diào)節(jié)壓控振蕩器，讓系統(tǒng)得以磁耦合共振狀態(tài)。另外國(guó)外KIMNY等技術(shù)研究人員研究之后，提出了擾動(dòng)分析法，首先分析初始工作頻率，只有通過步長(zhǎng)迭代，然后尋找一定的工作頻率，這種工作頻率尋找的前提條件是能夠滿足傳輸頻率。除此之外，對(duì)頻率分類分析，哈爾冰工業(yè)大學(xué)研究人員通過不同參數(shù)線圈的設(shè)計(jì)試驗(yàn)得出，只有讓系統(tǒng)無(wú)法產(chǎn)生頻率分裂的條件，就能夠解決頻率分裂問題[5]。而國(guó)外的BEHTC研究人員則是提出采用自動(dòng)匹配阻抗方法，將分裂后的工作頻率調(diào)整到13.56MHz，以便在此頻率下的系統(tǒng)能夠提高傳輸效率。

4 無(wú)線充電技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

為了進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)技術(shù)的優(yōu)化，未來(lái)的發(fā)展需要趨向于以下幾方面：首先，智能化。隨著當(dāng)下我國(guó)智能化技術(shù)水平的不斷提升，未來(lái)的無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)充分考慮到多輛電動(dòng)汽車同時(shí)無(wú)線充電、能量加密的問題，促使電動(dòng)汽車需要多少電力能源充多少電力能源。與此同時(shí)，在電動(dòng)汽車的智能化發(fā)展中，還應(yīng)注意到智能導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)，以便提高電動(dòng)能源汽車與發(fā)射裝置位置的保持，提高電能使用效率[6]。其次，在電動(dòng)汽車的發(fā)展中，應(yīng)注意采用一些節(jié)能環(huán)保的新型材料，讓電動(dòng)汽車能夠提高系統(tǒng)傳輸功率、傳輸效率，進(jìn)而增加傳輸距離。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)線充電技術(shù)及其在電動(dòng)汽車方面的應(yīng)用研究中，無(wú)線充電技術(shù)相比較有線充電，更加便利、安全，且更容易維護(hù)。同時(shí)主要的無(wú)線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式和磁耦合共振式兩種技術(shù)在應(yīng)用中的問題及解決方法進(jìn)行總結(jié)，希望通過本文研究，能夠?yàn)闊o(wú)線充電技術(shù)發(fā)展及其在電動(dòng)汽車方面的應(yīng)用提供幫助。