浅析电动汽车无线充电的关键技术

2017-03-09王艳芳

环球市场 2017年36期

王艳芳

上汽大众汽车有限公司南京分公司

电动汽车的出现，对实现节能环保发展具有重要意义。基于电动汽车动力能源问题，现在国内已经不断增加充电电桩与充电站数量，但是为更好的应对电动汽车充电问题，还需要从专业技术上进行优化。其中，无线充电技术的应用，可以更好的应对电池容量限制问题，延长电动汽车续驶里程。

一、无线充电技术原理

无线充电可以说是近年来开发出的一种新型技术，在很大程度上改变了产业设备以及电动汽车的产品设计，开创出一片全新的市场。而无线充电技术的实现，即通过电磁场或电磁波来传递能量。其中无导线分为电磁共振式、电磁感应式以及电磁辐射式，可将电磁感应应用于低功率、近距离传输；电磁共振则更适用于中等距离、中等功率的传输；电磁辐射则适用于大功率、远距离传输。对于以往的出现方式来讲，反复拔插不仅安全系数较低，并且磨损严重可使用时间较短，再加上市场上存在众多类型的电线、充电器以及插座，造成严重的资源浪费。在此背景下无线充电技术在实际应用中便具有较大的优势，不仅可以保证输电过程的安全性，并且还可以排除电线架设作业。在实际应用中，变压器疏松耦合非接触式可达到无物理连接下的电能传输，将系统变压器紧密型耦合磁路分开，初、次级绕组绕在不同磁性结构上，这样便可以在进行物理连接的基础上，完成电源与负载单元之间的能量传递[1]。并且，在一次侧、二次侧之间可通过电磁感应来达到电能传输的效果，气隙造成的耦合系数降低，还可以通过一次侧输入电源频率的提高进行补偿。

二、主要无线充电技术类型

1.感应式无线充电

现在电动牙刷、手机以及笔记本等无线充电均应用的为感应式无线充电技术，电能传输距离较短，在汽车无线充电中应用还比较少。以功率为对象，可以将电动汽车感应充电系统划分为三个等级，即1～3kW的应急用小功率充电器；5～25kW的中等功率充电器，可持续充电4～8h；75～300kW的快速充电器/柜[2]。将其应用到电动汽车充电系统内，可以将发射系统埋设在地面以下，并在汽车底盘设置接收线圈，充电时发射线圈将会与接收线圈之间产生感应耦合，形成一个可分离变压器，通过线圈之间的高频电磁场实现电能的无线传输，达到充电目的。即电网工频交流电经过整流与逆变处理后，被转化为高频交流电，然后通过补偿电路到达原边发射线圈，同时形成高频电磁场，最后电动汽车所设置的接收线圈便可以利用的电磁场的作用对原边电能进行吸收，通过高频整流、电池管理电路等环节，完成负载电池的充电。就实际应用效果来看，感应式无线充电技术在电动汽车上的应用，工作频率比较低，多为几十到几百kHz之间，可满足kW级功率无线传输，尤其是较短距离的传输效率可以达到90%以上，可以将之作为电动汽车无线充电技术的主要研究对象。

2.谐振式无线充电

此种技术的实现，主要是通过电磁谐振无线电能传输，即具有相同自振频率的两个线圈之间可以通过电磁场进行高效传能，但是对于频率不同的物体，不会受到磁场影响，可以将其看作为一种近场非辐射电能传输技术。在实际应用中，系统通过电网来获取电能，通过整流滤波和高频逆变后，工频交流电将会产生高频交流电，再经过功率放大电路以及阻抗匹配电路发送到发射线圈，如果发射线圈与系统的谐振频率相同，则发射线圈电流将会达到最大，产生最强磁场。假如接收线圈具有相同自振频率，便会通过磁场产生很强的耦合，达到高效传输电能的目的。对于此种技术来讲，接收线圈内的电能经过整流滤波与调节电路，便可以实现负载电池的充电[3]。并且，整个充电系统还能够通过反馈控制环节来维持系统运行的可靠性与高效性，在电动汽车无线充电中具有较高的效率。对比感应式无线充电技术，谐振式无线充电技术可以满足更远距离的充电，小范围的位置变化敏感度较小，传输效率也更高。

三、无线充电技术优化

1.磁耦合机构优化

动态无线供电导轨主要分为连续单线圈、双磁极以及矩形长线圈几种类型。其中，矩形长线圈导电导轨存在不同形式的接收端结构，为改善侧移能力的缺陷，可以通过双D形式与新型双极型接收端改善。另外，三相交流激励能量发射导轨作为一种新型形式，可有效消除三相交流电源存在的交叉耦合问题，并增加了能量拾取机构横向偏移容忍度。双磁极型供电导轨可以对磁通路径进行调整，将与车辆行进方向垂直改变为与车辆行进方向一致方式，可有效提高功率密度，尺寸也更为紧凑，并且还降低了丝攻难度，侧移适应性更强。

2.电磁兼容动态

无线电能传输的实现，主要是通过高频磁场作为基础，自身工作频率比较高，电磁环境复杂度高，在对整个系统进行设计时，需要综合频率配置、磁屏蔽设计、剩磁设计、接地设计以及软件抗扰设计等方面进行分析。一般可通过铁磁性材料，来对磁耦合线圈自感与互感系数进行调整，不仅可以增强其耦合性能，同时还可以对磁场空间分布约束进行优化，降低磁路损耗，但是无法保证屏蔽效果达到预期。现在金属屏蔽方法已经被广泛的应用到射频场合内，能够有效抑制高频磁场电磁干扰。