電動汽車自動感應(yīng)充電系統(tǒng)設(shè)計

姚靜

摘要：作為新能源汽車的代表，電動汽車的優(yōu)勢就是節(jié)能環(huán)保?？墒?，充電問題和續(xù)航里程，一直是大眾關(guān)注的焦點，也是市場的關(guān)鍵痛點。目前，電動汽車主流的充電方式有：便攜式充電線充電、家用充電樁充電、快速充電樁充電、超級電站充電等，而這些都屬于需要插入充電線的有線充電方式。目前國內(nèi)充電樁的建設(shè)速度遠遠落后于電動汽車的增長速度。主要原因是：充電樁建設(shè)前期投入大、商業(yè)模式不清晰、盈利困難等。

Abstract： As the representative of new energy vehicle， the advantage of electric vehicle is energy conservation and environmental protection. However， the charging problem and range， has been the focus of public attention， but also the key pain point of the market. At present， the main charging methods for electric vehicles are： Portable charging wire， household charging post， quick charging post， super power station charging and so on， which are all wired charging methods that need to be plugged in. At present， the domestic charging pile construction rate lags far behind the growth rate of electric vehicles. The main reasons are： large investment in the early stage of charging pile construction， unclear business model， difficult to make a profit， etc.

關(guān)鍵詞：電動汽車;感應(yīng)充電;自動

Key words： electric vehicle;induction charging;auto

中圖分類號：TM910.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0202-02

0? 引言

據(jù)工信部發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2009年到2015年國內(nèi)新能源汽車增加49.7萬輛，累計已達56萬輛，預(yù)計到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車生產(chǎn)能力達200萬輛、累計產(chǎn)銷量超過500萬輛，日益增長的新能源汽車將對充電基礎(chǔ)設(shè)施提出更高的要求。

充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)遠落后于新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國家計劃在2020年建成1.2萬座集中式充換電站、480萬個分散式充電樁。電動汽車的快速增長，必然會對其充電模式的快捷與方便性提出更高的要求，目前各類電動汽車的充電方式主要以充電站、充電樁或更換電池的模式為主，而充電站或充電樁的建設(shè)速度完全無法匹配電動汽車快速增長的需求，成為了制約電動汽車發(fā)展的最大瓶頸之一。

1? 傳統(tǒng)充電系統(tǒng)的弊端

對于電動汽車來說，蓄電池充電系統(tǒng)是電動汽車在運行的過程當中絕對不能夠缺少的一個子系統(tǒng)。蓄電池的充電系統(tǒng)會把電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換成電動汽車所需要的車載蓄電池的電能，由于它可以直接跟使用者打交道，所以說具有非常好的使用性能，以及良好的安全性能是非常重要的。現(xiàn)如今蓄電池的充電的方式主要采用的是導(dǎo)線連接這樣的辦法，使用這種辦法來充電其導(dǎo)線需要裸露出來，而且容易出現(xiàn)接觸的火花，在化工等一些比較易燃易爆的區(qū)域使用這種方法的話，其實會受到許多的限制，而且多次插拔很有可能會導(dǎo)致其充電接口出現(xiàn)磨損的情況，能量的傳輸也會相應(yīng)的受到一些影響。在室外充電樁充電時，充電導(dǎo)線裸露在外，受溫度、濕度等影響，存在著一定的安全隱患。因此新型充電方式的出現(xiàn)是一種必然趨勢。

2? 感應(yīng)充電的優(yōu)勢

近些年來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始出現(xiàn)并且得到了廣泛的使用，對于使用無線的方式來傳輸電能是社會發(fā)展的必然需求。無線能量傳輸其實指的就是通過非接觸的方式來把電能進行傳輸，這是一種新的技術(shù)，對于在空間內(nèi)實現(xiàn)無線電能的傳輸，大致可以分成三類：第一種是用電磁感應(yīng)原理來進行短程的傳輸，這種方式能夠在短距離內(nèi)傳遞比較大的功率。第二種是以非輻射性的交變磁場耦合的電磁諧振方式來實現(xiàn)中等程度的傳輸。第三種是把電能以微波或者是激光的方式發(fā)射到遠程來進行接收，然后通過整流以及調(diào)制等之后完成遠程的傳輸。使用感應(yīng)充電系統(tǒng)在充電過程當中，繞組可以分別繞在不同的磁性結(jié)構(gòu)上面，原邊繞組跟供電系統(tǒng)的電源連接在一起，副邊繞組跟負載聯(lián)合在一起，這樣能夠有效地實現(xiàn)電源跟負載之間的能量的耦合，使用無接觸式的充電，避免了接觸過程當中容易出現(xiàn)的火花以及導(dǎo)線裸露所造成的安全隱患問題。對于移動類的電子設(shè)備來說，由于其外殼上面沒有任何的金屬接點或者是開口?？梢栽鰪婋娮赢a(chǎn)品的防水性，同時也可以解決目前不同品牌以及不同接口的一些充電的問題。

3? 自動感應(yīng)充電系統(tǒng)整體設(shè)計

有線充電方式存在傳導(dǎo)式充電接口限制多、安全隱患大、占用公共資源多等問題。感應(yīng)充電技術(shù)是應(yīng)對這一問題的解決方案之一。感應(yīng)技術(shù)可以解決傳統(tǒng)傳導(dǎo)式充電接口限制多、安全隱患大、占用公共資源多、用戶充電操作過程效率低、占用充電位影響其他排隊用戶充電等問題。我所設(shè)計的感應(yīng)充電系統(tǒng)，利用感應(yīng)充電技術(shù)，可以通過非接觸的方式為電動汽車提供能量供給，實現(xiàn)停車即可自動充電，無需人工干預(yù)，自動充電系統(tǒng)可在車位中自動定位充電車輛，不存在占樁問題引起的充電設(shè)備利用率低的問題，充電場地限制要求小，充電方式靈活、無導(dǎo)電點外漏、無電纜拖拽、操作智能化。該系統(tǒng)由感應(yīng)充電裝置、自動定位裝置和升降充電基座三部分構(gòu)成。

3.1 感應(yīng)充電裝置

感應(yīng)充電技術(shù)在20cm傳輸間距下，可以實現(xiàn)3.3kW非接觸能量傳輸，整體效率達到89%。應(yīng)用變頻閉環(huán)控制，使系統(tǒng)可以在垂直間距在20-25cm范圍內(nèi)或水平側(cè)移位移在-10-+10cm范圍內(nèi)滿足要求工作，傳輸功率在3.1-3.3kW范圍內(nèi)，系統(tǒng)整體效率在85-89%范圍內(nèi)變化[2]。 通過研究發(fā)射功率和負載獲得功率與充電間隔距離之間關(guān)系的實驗，發(fā)現(xiàn)近距離充電時耦合因數(shù)會使最佳諧振頻率漂移，遠距離充電轉(zhuǎn)換功率會減小，從而得出尋求合適的距離能使充電功率保持穩(wěn)定的結(jié)論[3]。該系統(tǒng)是源于無線電力輸送技術(shù)，是利用近場感應(yīng)，也就是電感耦合，由供電設(shè)備（充電器）將能量傳送至用電的裝置。該裝置由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當兩個裝置調(diào)整到相同頻率，在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量。能量接收器使用接收到的能量對電池充電，并同時供其本身運作之用。由于充電器與用電裝置之間以電感耦合傳送能量，兩者之間不用電線連接，因此充電器及用電的裝置都可以做到無導(dǎo)電接點外露。

3.2 自動定位裝置

目前充電設(shè)施使用的都依賴人工操作，尤其對于分時租賃的電動汽車運營商，充電管理成本高，車輛滿電率低，無法帶給用戶良好的體驗。 本設(shè)計系統(tǒng)結(jié)合當前應(yīng)用較為普遍和可靠的技術(shù)，對自動充電系統(tǒng)進行一系列的研究工作，旨在開發(fā)出一套操作自動化、運行可靠穩(wěn)定，且有完備功能并適宜在城市普遍推廣的電動汽車自動定位充電系統(tǒng)。自動定位式充電器可以解決前期充電樁建造費用大、數(shù)量多的問題[4]。自動充電技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)在家用掃地機器人上應(yīng)用，機器人電量不足時會自動尋找插頭進行蓄電，整個充電過程無需人工干預(yù)。汽車充電利用該技術(shù)可以實現(xiàn)充電樁共享節(jié)約建設(shè)成本的目的。這個過程汽車對充電基座發(fā)出定位信息，基座忙時可以預(yù)約等候，當基座空閑時可以自動移動到待充電汽車底部和該汽車無線充電器進行匹配充電，充電結(jié)束充電基座自動尋找下一輛待充電汽車，期間無需人工拔插插頭或移動汽車，提高充電樁利用率。此過程方便快捷，變“車找電”為“電找車”。

3.3 升降充電基座

不同型號的汽車存在底盤高度不同的問題，如果采用感應(yīng)充電，接收器與充電機座勢必需要選擇合適的距離，因此必須讓接收器或者充電機座動起來。我的設(shè)計方案是采用可升降的充電機座。采用升降式設(shè)計還可以解決多型號汽車底盤高低不等感應(yīng)充電距離不同充電效率不穩(wěn)定的問題。同時使用升降式充電基座，可使得基座和接收器之間距離控制在最合理的范圍內(nèi)，可有效的減小感應(yīng)充電過程的能量衰減保持充電功率穩(wěn)定。

4? 自動感應(yīng)充電系統(tǒng)模型設(shè)計

本設(shè)計旨在研究如何將無線移動充電技術(shù)應(yīng)用于停車場充電站。該設(shè)計采用玩具汽車來模擬真實汽車，進行無線充電改造，并與手機預(yù)約充電APP通信，汽車模型至少包含3種車型;停車場底層機構(gòu)采用鈑金結(jié)構(gòu)，地面為有機玻璃，可通過有機玻璃直觀看到地下移動無線充電結(jié)構(gòu)，每個移動無線充電設(shè)備至少可負責5個停車位的無線充電功能，如果學校資金允許，可采用定制智能停車場沙盤模式，配有地面設(shè)施，包含停車場、攝像頭設(shè)備、起落桿、道路、綠化、圍欄、燈光、指示標志、構(gòu)筑物等。

自動感應(yīng)充電系統(tǒng)移動單元采用麥克納姆輪，鋁合金結(jié)構(gòu)，車架尺寸：188*215*71mm，采用4個優(yōu)質(zhì)TT減速電機，帶有AB雙相霍爾編碼器，可承重15kg，可直行和橫行，帶動電源拖鏈和無線充電基座。如果資金允許也可以采用無源移動至充電位置后自動接通電源和充電。

升高系統(tǒng)：升降行程為60mm，驅(qū)動為精研絲桿副和滑動導(dǎo)軌，采用步進電機驅(qū)動，主體材料采用鋁合金，表面陽極氧化處理，中心承載重量為10kg，并裝有接近傳感器，當接近汽車底盤時減速后停止，可以盡可能的靠近汽車底盤充電。

無線充電系統(tǒng)輸入電壓為24-30VDC，線圈外直徑70mm，厚3mm，輸出電壓12V，輸出電流2A，接受距離為6-10mm，線圈外直徑50mm，厚2.5mm。

5? 模型分析

經(jīng)過對自動感應(yīng)充電模型分析，我發(fā)現(xiàn)自動感應(yīng)充電系統(tǒng)相比于目前插入式或稱接觸式的充電技術(shù)在充電站建設(shè)、實際使用、后期維護等方面均體現(xiàn)了一定的優(yōu)勢：①空間利用率高。移動無線充電設(shè)備貼近地面安裝，甚至可以埋入地下，且可自由移動，在相同建設(shè)面積情況下，只需少量移動無線充電設(shè)備，就可完成充電站建設(shè);②適應(yīng)性強、可靠性高。移動無線充電可以采取密封安裝與無接觸使用，可在雨雪天氣下進行使用并提高了可靠性;③安全性高。無線充電設(shè)備無外露導(dǎo)電點，且使用時車與人都無需接觸充電設(shè)備，理論上可杜絕由于漏電產(chǎn)生的安全問題，保障人身安全。

6? 結(jié)束語

該充電系統(tǒng)投入應(yīng)用后，相比傳統(tǒng)充電樁的充電方式更加便捷。充電器基座自動移動，按照定位尋找預(yù)約車輛，自動匹配，無需用戶移動汽車，拔插插頭，可以杜絕汽車占樁行為，提高了資源利用率。充電過程無需人工干預(yù)，用戶體驗大大提高。該充電系統(tǒng)無需征地，利用城市電網(wǎng)，依托現(xiàn)有停車路面進行改造，建設(shè)成本相對低廉。另外，自動感應(yīng)充電位具有建設(shè)快速、分布式、無外露導(dǎo)線、充電器共享，運營成本更低、安全性更高。

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