基于感应充电的电动车充电系统设计

李 赟，朱发旺

(1.山西交通职业技术学院车辆工程系，山西太原030619；2.中北大学机械与动力工程学院车辆工程系，山西太原030051)

基于感应充电的电动车充电系统设计

李 赟1，朱发旺2

(1.山西交通职业技术学院车辆工程系，山西太原030619；2.中北大学机械与动力工程学院车辆工程系，山西太原030051)

简介了电动汽车发展的经济和技术背景，结合了现在电动车充电站结构及充电方式情况，用三维建模软件设计出以太阳能为主要充电来源的充电站大致结构。依据当今电动车充电方式所存在的弊端，结合超级电容技术设计出感应充电方式的理念，介绍了太阳能充电与电力系统之间的相互影响。然后，对人机交互应用等问题提出了研究意义。

电动汽车；太阳能；超级电容；感应充电；电力系统；人机交互

Abstract:The electric car development of economic and technical background was introduced.Combined with the current situation of electric vehicles charging structure and charging ways,three-dimensional modeling software was used to design the solar energy as the main source of charging station.According to today's the weakness of the electric vehicle charging ways,the concept of inductive charging mode was designed with super capacitor technology.The influence of solar charging and mutual influence between the power system was introduced.Then the research significance of the problems of interactive applications was put forward.

Key words:electric cars;solar energy;super capacitor;inductive charging;power system;human-computer interaction

随着全球经济的不断发展，汽车的数量不断增多，能源的不断消耗和环境恶化问题日益尖锐，节能环保是经济发展的必然要求。而从目前几年，汽车行业发展的情况来看，改善这一问题的途径大致有两种：提高汽车的排放标准和采用新能源。前者虽然能在一定情况下改善环境问题，但仍要不断消耗石油类等不可再生能源。这就需要我们不断研究新技术来利用新能源。因此太阳能技术与电动车技术的研究，是以后汽车行业发展的必然途径。通过中国电动车市场调研报告，电动车的发展是我国乃至世界各国汽车发展的必然趋势，而充电技术的研究是电动车发展的重要因素，因此对电动车充电系统这一主要环节进行设计，是以后电动车设计的重要组成部分[1]。

太阳能技术的应用可以缓解能源紧缺的压力，利用太阳能充电可以减少电动车对电网系统的消耗，同时还可以对电网进行一定程度的补充[2]。结合超级电容技术这一新兴科技[3]，可以储存大量的电能，延长电动车蓄电池的使用寿命。而感应充电的应用是对普通充电技术的一大改革，会促进电动车充电技术从“有线”向“无线”发展[4]。

1 太阳能充电站设计

由于城市路况较为拥挤，车流量较多，可用来建设充电站的可利用面积很小。在进行电动汽车充电站规划时，应该要同时兼顾充电站运营商和电动车用户的双方利益。如果把充电站建设在远离市中心的郊外，虽然可以一定程度上减少运营商的设计投入成本，但会对电动车用户使用造成很大影响[5]。因此综合双方利益，可以设计充电站的结构图1所示。

图1 太阳能充电站结构简图

由图1可知，设计的充电站主体结构上方是一个大的太阳能接收板，底座的占地面积为1 m2，避免了多度的利用空间资源。可以布置在城市的中心地带，有利于电动车用户使用充电站，节省了不必要的浪费。

因为季节和每天时刻的不同，太阳光照射角度在不停地变化。为了使阳光始终垂直照射在太阳电池板上[6]，在电池板线路上安装光敏传感器。利用传感器的逐光性，可以随时调整电池板和阳光的所成角度，保证阳光的充分利用，最大限度地吸收太阳能，提高充电效率。

2 电动车基本原理简介

从目前电动车市场上来看，电动汽车充电方式主要分为充电模式和更换电池模式两种。充电模式分为普通充电和快速充电。普通充电这种充电模式一般每次充电所消耗的时间较长，快速充电由于采用大电流给电动汽车充电，所以充电时间相对较短。而更换电池模式是将空电池从电动车取出，留在充电站利用小电流来进行长时间充电，再给电动车换上新的电池[7]。

使用太阳能充电时，太阳能接收板在光敏传感器的作用下始终与太阳照射方向成垂直角度，电池板内部建立电场变感应电流，将产生的电流传送到蓄电池，并储存起来。由于有时太阳能接收板产生的电流过多，为了充分利用能源，使用超级电容来储存部分电能，这是由于超级电容是一种介于电池和静电电容器之间的储能元件，具有比静电电容器高得多的比能量和比电池高得多的比功率，不仅适合于作短时间的功率输出源，而且超级电容具有内阻小，充放电效率高，约为90%以上，循环寿命长、无污染等独特的优点[8]。

由于天气气候的影响，在给电动车充电时，光照充足的情况下，太阳电池板将收集的太阳光及其他形式的光照，一方面用于充电，多余的部分一部分给超级电容和蓄电池储存起来，多余的补偿给电网；当在阴天时则由平时蓄电池储存的能量或直接从电网接电用于电动车充电[9]。这样可以充分发挥充电站的作用，避免影响电动车用户的使用。具体流程如图2所示。

图2 充电流程图

3 感应充电设计

当今市场上，电动车充电大体分为更换电池和充插电式两种方式。这两种方式主要存在以下问题：(1)更换电池较为麻烦，首先针对不同类型的电动车有相应的蓄电池，电动车用户对于电池的品牌价格及新旧程度都有着不同的接受程度。如果针对不同的电动车制造不同大量的电池，随着电动车数量的不断增多，这对于制造商是一种巨大的负担，违背了市场经济发展的模式，不利于电动车行业的发展；(2)充电站的建设存在弊端，大多充电站采用充插式充电，充电站占地面积过于庞大，不利于城市建设规划。而建在相对偏远的郊区，不利于电动车用户的使用。而且，不同的电动车对充电站的要求不同，为了满足不同的充电要求，只能建设大量的充电桩，这不利于资源的规划与充分利用；(3)充电站充电线路布置太多，针对一定规模的充电站，地下线路放置的太多，充电站在电动车充电时接口插拔过程中必然出现电火花，这会造成一定的安全隐患。运营商在线路维护上面也会花费一定数量的费用。

综上所述，为了避免上述制约电动车发展的不利因素，我们结合感应充电技术在一定程度上完善充电技术。首先由太阳电池板接受光照产生电流，没有电动车充电的时候，由超级电容来储存电能。当有电动车充电时，感应线路接通[10]。无线感应充电系统主要由两个部分组成，安装在充电站地面下主线圈和安装在车辆底盘下的线圈[11]。当电动车用户需要给电动车充电的时候，可以将电动车移动到指定位置，当两个线圈靠近的时候由于线路的接通，初级线圈和次级线圈就会相互感应，自动进行对接[12]。通过电磁感应原理来给电动车蓄电池充电，这样可以节省空间，减少线路的布置。在有光照的情况下，充电原理示意图如图3所示而当光照不足的时候，充电原理示意图如图4所示。

图3 有光照时感应充电原理图

图4 无光照时感应充电原理图

由于电动车底盘位置装有次级线圈，在充电线路接通时，初级和次级线圈发生感应充电时，为了充分利用电能可在充电线路中添加储能元件—超级电容，组成蓄电池复合电源。目前，世界各国争相研究超级电容，并越来越多地将超级电容技术应用到电动车使用上，超级电容已经成为电动车发展的新趋势。由于超级电容具有比功率高、比能量大、一次储能多等优点，与蓄电池组成联合体工作时，蓄电池和超级电容将具有相同的电压，导致超级电容仅在蓄电池电压发生快速变化时输出和接收功率，从而减弱了超级电容的负载均衡作用，可以实现能量回收利用、降低污染，大大地提高电动车一次充电的续驶里程[8]。鉴于蓄电池都有一定的使用寿命，通过增加电动车的一次充电行驶里程，可以减少蓄电池充放电次数，延长其使用寿命，减少了生产成本和环境污染，符合环保的要求。

由于本文使用太阳电池的单位面积较小，所以把电池的单位面积作为最小光电转换单元，一般使用最小转换单元面积为4～100 cm2，产生的电压值大约为0.45～0.5 V，对应的电流大小为20～25 mA/cm2，由于单元单位面积提供的电压远低于充电所需要的实际电压，因此可将多块面积小的电池板件串联使用。据报道，目前国际上非晶硅／微晶硅叠层薄膜太阳电池的实验室最高效率已达到14.7%；我国单室沉积非晶硅／微晶硅叠层电池效率达到10.6%，单室高速沉积单结微晶硅电池效率达到9.3%，叠层电池效率达到11.3%，在柔性不锈钢衬底上非晶硅/微晶硅叠层电池效率达到9.5%。假设初级线圈端电压值为U，取光电转换效率为10%，则源电压为10U，为了保证产生足够电压值，取单个光电转换单元产生电压值为0.45 V，则串联的单元数为10U/0.45个。

通过查阅相关资料总结得出，市场上电动车充电装置中存在着不同程度的人机交互问题：(1)缺乏功能指示性标志，容易造成用户的误操作[13]，例如不能实时告知充电情况；(2)系统不够完备，不能完全满足用户需要。因此，在汽车充电线路上安装信号发生器，在手机上或者别的通信工具上安装接收器，充电过程中信号发射器，给接收装置发射充电信号，可以实时了解充电情况，避免充电过度，造成对蓄电池的损害。

4 总结

本文针对电动车充电方式的不同模式存在的问题，提出了感应充电技术与太阳能技术的结合应用。该应用首先提出以充分利用太阳能资源为前提，对现在常规电动车充电站进行改进。改进后的充电站占用更小的面积，便于充电站布置在城市中心路段，方便电动车用户随时充电。

同时，添加光敏传感器的太阳能接收板可以在有光照的前提下，始终保持与光线垂直，充分利用太阳光，通过提高光照输入量来提高产生电流量。并且通过超级电容的使用，有以下两个好处：(1)可储存一部分电能，在光照不足的时候，可配合电网接电来给电动车蓄电池充电，在光照充足的时候，可将多余的电能反馈补偿给电网，弥补电网的损耗；(2)超级电容与蓄电池的组合工作，通过超级电容储能特性，可一定程度上增加电动车一次充电的续驶里程，减少蓄电池充放电次数，延长蓄电池的使用寿命，减少蓄电池的生产成本。

感应充电技术的应用，可以减少充电线路的布置，降低线路维护的成本，充分利用城市空间资源。随着电动车数量的不断增加，感应充电这一先进技术会更好应用到电动车上面。为了更好地利用感应充电技术，充分发挥人机交互性原则，下一步的改进思路是如何更好地实时监测充电过程，同时调节太阳能充电和电网供电的分配关系，以便更好地利用能源，实现“节能环保”的目标。

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Electric vehicle charging system design based on inductive charging

LI Yun1,ZHU Fa-wang2
(1.Shanxi Institute of Technology of Profession of Traffic Engineering Vehicles,Taiyuan Shanxi 030619,China;2.School of Mechanical and Power Engineering,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China)

TM 914

A

1002-087X(2017)09-1364-02

2017-02-23

李赟(1965—)，男，山西省人，高级工程师，主要研究方向为车辆电器控制应用。