磁耦合諧振式無線充電技術(shù)在智能立體停車場(chǎng)中的應(yīng)用*

范祖良

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364000)

引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市越來越大，人們?nèi)粘Ｍㄇ诘穆烦桃苍絹碓竭h(yuǎn)。城市中的公交車、地鐵等公共交通難以滿足現(xiàn)代城市中人們的快節(jié)奏生活需求。隨著全球原油資源的日漸枯竭以及各個(gè)國(guó)家、地區(qū)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，燃油汽車保有量控制一直是城市減排、降低大氣污染的重要手段。在政府鼓勵(lì)、市民歡迎等多項(xiàng)利好的推動(dòng)下，我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)當(dāng)之無愧的成為全球新能源汽車生產(chǎn)和銷售的大國(guó)。

目前全國(guó)新能源汽車數(shù)與充電樁數(shù)將近4:1，而且能用的公共充電樁大都遠(yuǎn)離密集的城市居住區(qū)和辦公區(qū)，大大制約了新能源汽車的進(jìn)一步發(fā)展和推廣。目前傳統(tǒng)的公用有線充電樁建設(shè)方案主要有兩種：第一種方案是新建專用新能源汽車充電點(diǎn)；第二種方案是在原有的停車場(chǎng)基礎(chǔ)上加裝充電樁設(shè)備。方案一，新建集中充電點(diǎn)需要較大面積的土地，為節(jié)約成本充電點(diǎn)只能建在較偏僻的郊區(qū)，導(dǎo)致車主每次為了給新能源車充電將要耗費(fèi)額外的金錢和時(shí)間成本。方案二，主要是私人充電樁的建設(shè)方法，對(duì)于經(jīng)營(yíng)性的地面收費(fèi)停車場(chǎng)額外加裝傳統(tǒng)的有線充電樁設(shè)備、遮擋棚等一次性投入大，成本回收周期長(zhǎng)，同時(shí)還有可能會(huì)提高停車場(chǎng)的車位閑置率，所以目前也不多見。為解決一直困擾廣大新能源車主的充電問題，提出一種針對(duì)現(xiàn)有的智能立體停車場(chǎng)加裝基于磁耦合諧振的新能源汽車無線充電技術(shù)方案，使得新能源汽車在車主上班泊車期間就能持續(xù)充電，從而保證車輛的續(xù)航。

1 無線電能傳輸技術(shù)

無線電能傳輸(wireless power transfer,縮寫為WPT)是指一種借助于物理空間中的能量載體，基于非導(dǎo)線接觸方式，實(shí)現(xiàn)電能由電源側(cè)傳輸至負(fù)載側(cè)的技術(shù)[1]。無線電能傳輸系統(tǒng)中的傳輸介質(zhì)主要包括微波、磁場(chǎng)以及激光等。目前無線電能傳輸技術(shù)最常用的技術(shù)是電磁感應(yīng)式和磁耦合諧振式。電磁感應(yīng)式無線傳輸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是傳輸功率大、效率高，不足之處在于傳輸距離短、傳輸方向性控制要求精度高，距離或方向稍有偏差就會(huì)導(dǎo)致傳輸性能大大降低。磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)具備電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)功率大、效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)傳輸距離不足、傳輸方向性要求高的缺點(diǎn)。并且磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)電磁輻射小，所以即使長(zhǎng)期運(yùn)行也不會(huì)對(duì)人體或其它設(shè)備產(chǎn)生不利影響。

用于新能源汽車無線充電的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)由高頻電能轉(zhuǎn)換器、能量傳輸諧振器(內(nèi)含)、整流穩(wěn)壓模塊、汽車電池及其他附件組成。磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)工作原理示意圖見圖1。

圖1 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)示意圖

2 智能停車場(chǎng)中應(yīng)用磁耦合諧振式無線充電技術(shù)的方案設(shè)計(jì)

2.1 應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的智能立體停車場(chǎng)的工作原理都是利用智能泊車機(jī)器人或者智能多運(yùn)動(dòng)行程軌道將待停車輛運(yùn)送至目標(biāo)編號(hào)停車位。在現(xiàn)有的智能立體停車場(chǎng)中如果要利用傳統(tǒng)的充電樁式充電設(shè)備給新能源汽車進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)難度是無法想象的，不同的車型、不同的需求、不同的充電口插拔角度等問題在智能立體停車場(chǎng)狹小空間中想要準(zhǔn)確的完成是無法想象的。“電動(dòng)化、智能化、共享化”已成為全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的主要方向[3]，磁耦合諧振式的無線充電技術(shù)則可以很好的適應(yīng)智能立體停車場(chǎng)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接。

在每一個(gè)智能立體停車場(chǎng)的固定車位托架下方，安裝磁耦合諧振發(fā)射線圈并與預(yù)埋的電網(wǎng)電源實(shí)現(xiàn)可靠連接，這就完成了無線充電系統(tǒng)的發(fā)射端。當(dāng)?shù)妆P安裝有磁耦合諧振接收線圈的新能源汽車被智能泊車機(jī)器人或者智能多運(yùn)動(dòng)行程軌道運(yùn)送入位后，即可對(duì)接磁耦合諧振，從而實(shí)現(xiàn)新能源汽車電池的無線充電功能。智能停車場(chǎng)電動(dòng)車無線充電原理如圖2所示。

圖2 智能停車場(chǎng)電動(dòng)車無線充電原理示意圖

2.2 應(yīng)用方案具體細(xì)分功能與設(shè)計(jì)

2.2.1 磁耦合諧振無線充電發(fā)射線圈功率控制功能

在停車場(chǎng)中每個(gè)停車位都會(huì)出現(xiàn)空置或者停放燃油汽車的情況，這時(shí)如果磁耦合發(fā)射線圈仍在發(fā)射高頻磁場(chǎng)，將會(huì)造成電能的巨大流失和浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問題，在磁耦合發(fā)射線圈前端加裝RFID接收器，在每輛新能源汽車底盤加裝有源RFID標(biāo)簽。每輛新能源汽車上的有源RFID標(biāo)簽是唯一的，發(fā)射線圈只有接收到RFID標(biāo)簽信號(hào)時(shí)，才會(huì)閉合前端線圈與電源的連接開關(guān)實(shí)現(xiàn)電能向高頻磁能的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)能量的發(fā)射。根據(jù)實(shí)際充電情況，提出了恒電流模式與恒功率模式兩種控制模式[2]，本文應(yīng)用的是恒功率模式。

新能源汽車底盤上所裝的有源RFID標(biāo)簽工作與否，由新能源汽車電池電量來控制，當(dāng)電池在滿電量95%以上時(shí)關(guān)閉有源RFID標(biāo)簽的工作電源，從而通過切斷RFID標(biāo)簽的射頻信號(hào)來控制停車位托架上的發(fā)射線圈停止工作。這樣就可以實(shí)現(xiàn)滿電車輛不啟動(dòng)停車場(chǎng)托架底盤的發(fā)射線圈，同時(shí)也可以在電池充滿后及時(shí)地切斷發(fā)射線圈，避免不必要的電能浪費(fèi)。發(fā)射線圈功率控制功能原理如圖3所示。

圖3 發(fā)射線圈功率控制示意圖

2.2.2 磁耦合諧振線圈正對(duì)面積修正和距離的調(diào)整

磁耦合諧振無線充電技術(shù)對(duì)諧振線圈正對(duì)面積和距離不敏感，由于不同廠家、不同型號(hào)的新能源汽車底盤大小、高度偏差較大，如果充電系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)上不加區(qū)別的采用固定式的發(fā)射線圈，勢(shì)必會(huì)對(duì)充電效率造成一定的影響。為了實(shí)現(xiàn)在最優(yōu)模式下保持最高的充電效率，可將發(fā)射線圈安裝在一個(gè)允許一定范圍內(nèi)上下、左右運(yùn)動(dòng)的底座上。在底座四周安裝用于測(cè)距和定位的紅外線接收端，同樣的在汽車底盤線圈周圍安裝紅外線發(fā)射端。當(dāng)RFID接收器接收到對(duì)應(yīng)的RFID標(biāo)簽信號(hào)時(shí)，底座在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下開始進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)和對(duì)高任務(wù)，直到底座紅外線接收端接收到來自汽車底盤所發(fā)射的紅外線信號(hào)，同時(shí)底座與汽車底盤的紅外測(cè)距結(jié)果滿足設(shè)定要求時(shí)，校準(zhǔn)結(jié)束進(jìn)入無線充電狀態(tài)。

2.2.3 充電模式選擇

為實(shí)現(xiàn)不同情況下人們對(duì)新能源汽車充電速度的要求，基于磁耦合諧振的無線充電方式在智能停車場(chǎng)中也可以進(jìn)行充電速度的模式選擇?？梢栽谝苿?dòng)終端APP上根據(jù)自身情況選擇充電模式，如果沒有選擇系統(tǒng)默認(rèn)為慢充模式。

2.2.4 滿電遠(yuǎn)程自動(dòng)提醒功能

當(dāng)汽車電池充電到電池滿電量的95%以后，自動(dòng)切斷發(fā)射線圈與電源的連接，同時(shí)智能停車場(chǎng)系統(tǒng)APP或者短信的形式向車主發(fā)送滿電提醒，以便車主及時(shí)獲悉車輛電池已充滿的信息。

2.2.5 新能源汽車充電電能自動(dòng)計(jì)費(fèi)功能

現(xiàn)有的智能停車場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)每輛汽車的停車位自動(dòng)分配以及按時(shí)間自動(dòng)計(jì)算停車費(fèi)的功能，但是面對(duì)新能源汽車卻是無能為力的。新能源汽車有的有充電有的沒有，有的耗費(fèi)較多電能有的沒有，如果采用統(tǒng)一的不加區(qū)分的計(jì)費(fèi)方法勢(shì)必會(huì)引起廣大新能源車主的不滿。唯一的解決辦法就是，精確計(jì)量精確計(jì)費(fèi)，根據(jù)新能源汽車的實(shí)際耗電量按照當(dāng)日電費(fèi)計(jì)費(fèi)。具體設(shè)計(jì)方案是，在發(fā)射線圈前端加裝智能電能表，當(dāng)發(fā)射線圈內(nèi)置的RFID接收器接收到RFID標(biāo)簽信號(hào)時(shí)向系統(tǒng)上報(bào)，此時(shí)電能表讀數(shù)，當(dāng)汽車充電結(jié)束或者車主取車都會(huì)導(dǎo)致有源RFID標(biāo)簽信號(hào)消失從而終止充電，當(dāng)充電結(jié)束后此時(shí)智能電表再次向系統(tǒng)上報(bào)此時(shí)電能表讀數(shù)。系統(tǒng)根據(jù)電能表上報(bào)的兩次讀數(shù)進(jìn)行相減即可得出該車輛本次充電所耗費(fèi)的電能，從而得出車主需繳交的電費(fèi)，并最終在停車費(fèi)中一起體現(xiàn)并收取。

3 設(shè)計(jì)方案工作原理與流程

當(dāng)汽車到達(dá)智能停車場(chǎng)指定停車位置時(shí)，駕駛員拉緊手剎車輛人員全部下車并離開。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到停車區(qū)域沒有人員信號(hào)且車輛已經(jīng)停到指定位置后，泊車機(jī)器人或者智能多運(yùn)動(dòng)行程軌道將車輛運(yùn)送至目標(biāo)車位。當(dāng)車輛入位后，若這是一輛新能源汽車且目前電池剩余電量不足95%，那么車位托盤的RFID接收器將會(huì)接收到汽車底盤上的有源RFID標(biāo)簽的射頻信號(hào)，從而接通磁耦合諧振的發(fā)射線圈的電源，同時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈底座的伺服電機(jī)工作，進(jìn)行正對(duì)面積調(diào)節(jié)和線圈距離調(diào)整直到達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)汽車電池電能達(dá)到95%或汽車被取走時(shí)，RFID標(biāo)簽信號(hào)消失，系統(tǒng)斷開發(fā)射線圈與電源的連接開關(guān)，從而避免電能的浪費(fèi)。

4 結(jié)束語

新能源汽車的普及是未來交通的必然趨勢(shì)，應(yīng)用磁耦合諧振式無線充電技術(shù)將發(fā)射線圈安裝于立體停車位中，增強(qiáng)了停車場(chǎng)的功能，延長(zhǎng)了立體停車場(chǎng)的使用周期。同時(shí)針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功率控制功能、諧振線圈的正對(duì)面積修正和距離調(diào)整實(shí)現(xiàn)技術(shù)以及充電模式選擇、滿電遠(yuǎn)程提醒功能和電能自動(dòng)計(jì)費(fèi)功能，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和便捷性。