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[导读]电动汽车无线充电技术通过埋于地面下的供电导轨以高频交变磁场的形式将电能传输给运行在地面上一定范围内的车辆接收端电能拾取机构,进而给车载储能设备供电,可使电动汽车搭载少量电池组,延长其续航里程。

电动汽车无线充电技术通过埋于地面下的供电导轨以高频交变磁场的形式将电能传输给运行在地面上一定范围内的车辆接收端电能拾取机构,进而给车载储能设备供电,可使电动汽车搭载少量电池组,延长其续航里程,同时电能补给变更加安全、便捷。动态无线供电技术的主要参数指标有电能传输距离、功率、效率、藕合机构侧移适应能力、电磁兼容性等。因而,开发大功率、高效率、强侧移适应能力、低电磁辐射、成本适中的动态无线供电系统,成为国内外各大研究机构当前的主要研究热点。

为了节约能源,减少环境污染,电动汽车受到了世界各国的大力推广。由于电池容量及充电基础设施等条件的限制,充电问题成为电动汽车发展过程中而临的最主要的瓶颈问题。由于无线充电技术可以解决传统传导式充电面临的接口限制、安全问题等而逐渐发展成为电动汽车充电的主要方式。然而,静态无线充电与有线充电同样存在着充电频繁、续航里程短、电池用量大且成本高昂等问题。特别是对于电动巴士一类的公交车辆,其连续续航能力格外重要。在这样的背景下,电动汽车动态无线充电技术应运而生,通过非接触的方式为行驶中的电动汽车实时地提供能量供给。然而,随着研究的深入,许多关键问题与瓶颈需要解决,例如高性能磁耦合机构设计问题、电磁兼容问题、能量传输鲁棒控制问题等,这些问题的解决对于动态无线供电技术的发展具有指导性作用。低碳经济核心是新能源技术与节能减排技术的应用,电动汽车能够较好地解决机动车排放污染与能源短缺问题,是我国战略性新兴产业。作为电动汽车大规模推广应用的重要前提和基础,电动汽车充换电设施建设引起了各方广泛关注。新能源产业的发展,尤其纯电动汽车的快速增长,必然会对电动汽车的充电方式多样化和方便性提出更高的要求。无线充电技术作为一项新兴技术,商业化运作主要应用于手机、电脑、随身听等小功率设备的充电上,在电动汽车领域还是一个全新的概念 [1]。随着无线充电技术的成熟,电动汽车将是无线充电设备最具潜力的市场。

“储能热管理研究院”的研究员撰写并发布了这篇《无线充电技术的科普与方案》全套文章

在新能源汽车充电的方式中,最常听到的就是快充、超充。这两者都是直流充电桩,但不管是交流或直流,转换的原理都是相同的。本文将对充电技术进行一些科普,并建立充电技术的概念。

充电技术科普

· PFC

PFC是改善「功率因子」的电路。简言之,PFC的功能是输出的稳压调压,可以得到高稳定的输出电压(输出不随输入电压波动而产生变化)。了解PFC前要先知道的交流电功率。

有功功率(P),单位W;

无功功率(Q),单位Var;

视在功率(S),单位VA。

功率因子=角的cosθ,介于1到-1间

P/S=cosθ

通过调整交流电输入电流波形,减少电压与电流相位差,抑制谐波电流,使cosθ 接近1。

· LLC

LLC是种串并联的谐振电路,有谐振电感Lr、励磁电感Lm以及谐振电容Cr。

“谐振”,其实就是共振。

谐振电路利用电感(L)及电容(C)完成电路的共振,交流电路的阻抗非定值,随频率变化。

· 阻抗(Z)

阻抗是电路对电流抵抗的度量。在交流电路中分实部与虚部,实部为电阻,虚部为电抗(有功功率为实,无功功率为虚)。

· 电抗

电抗分为电容产生的容抗与电感产生的感抗,都随电路的电流频率而变化,但是电阻不会。

*容抗,容抗=1/2πfC,低频时变大高频时变小,直流电频率为0,容抗无限大,因此电容通交阻直,电容的电压不能突变。

*感抗,感抗=2πfL,与容抗相反,低频时变小高频时变大,直流电频率为0,感抗为0,所以电感通直阻交,电感的电流不能突变。

容抗=感抗时无功功率为0,只考虑有功功率。利用电容跟电感的特性,通过控制开关频率/调节的频率,将DC调整成为目标波形来,以此实现电压恒定。

▲ 用FHA绘制的设计LLC电路的DC特性曲线图

零电压切换(ZVS),电压切换时为 0

零电流切换(ZCS),电流切换时为0

无线充电

无线充电方式有四种:

· 电磁感应式,是最主要的无线充电方式,但因为传输距离太短(最多几公分)所以不适用于新能源汽车;

· 磁场共振式,又称磁耦合谐振式,符合距离、功率与转换效率达到电动车无线充电标准,用谐振电路,;

· 电场耦合式,对电极形状、材质的限制较少,且电极可以薄型化,并且不像电磁感应式要对位精准,位置较自由且发热较少,但缺点跟电磁感应式一样,距离太短;

· 无线电波式,距离最远,但转换效率太低。

磁场共振式与充电桩用LLC不同,无线充电的谐振电路选择有几种:

Q1到Q4—四个原边(发射侧)MOSFET;D1到D4 —副边(接收侧)整流二极管,与充电桩的充电原理相同,但是谐振电路的选择不同。

(一)谐振电路类型

1、S串行电路

电容与电感串联:原边,可直接与电压源型逆变器连接,输入阻抗较低、损耗小,易实现电压反馈调节;副边,有类似恒压源(输出电压稳定)特性。

2、P并联电路

电容与电感并联:原边,需要电流源供电,易受扰动,实际应用少;副边,有类似恒流源(输出电流稳定)特性。也因此,SS两边皆是串行电路,PP两边皆是并联电路,SP原边并联副边串联,PS原边串联副边并联。

3、LCL能恒流源

轻负载时有很高的功率因子以及谐波/滤波的能力。

其它的谐振电路类型都是基于以上三种电路拓扑的扩展,对稳定条件、输入阻抗及系统传输,进行优化。

(二)线圈耦合结构

1、环形线圈

绕制方便、铁损和导磁体、导线的损耗小,缺点是耦合较差。

2、8字形线圈

两个环形绕圈反向串联,产生相反磁场。与环形线圈相似,耦合系数与损耗介于环形和螺旋管线圈之间。

3、螺旋管线圈

典型的铜包铁结构,优势在于磁力线集中、耦合系数高,缺点是铁损、铜损高。

新能源车企的无线技术分享

蔚来

线圈耦合结构的性能是影响磁场共振式电能传输的重要因素。

蔚来针对DDQ线圈的电路拓扑进行优化,重点在于提高耦合系数,两电感组件间实际互感量VS最大互感量之比的数值在1到-1之间。

*DDQ线圈

在DD线圈的基础上,增加线圈Q和DD线圈正交,两者所产生的磁场互不影响、分别输出,输出电压通过两个整流桥后并联输出。

DDQ线圈也为解决位置偏移,造成传输功率和效率降低的线圈形式。当位置发生偏移后,DD线圈的感应电压变小,反之Q线圈的感应电压变大,两者叠加输出够能减少功率的降低。

因为DD线圈和Q线圈接收的磁通量不相同,很容易造成某支路输出电流不均,甚至会有0输出,导致电磁干扰特性变差、效率降低、常规的整流电路无法解决输出电流不均的问题,而CN108400625A就是解决此问题的电路拓扑。

上汽智己

L7的IMAD系统可实现记忆泊车、代客泊车。利用车端环视摄像头,透过视觉同步定位与地图构建(VSLAM)对特微点的提取,结合车辆的惯性测量单元(IMU)实现自车的定位。

并基于停车场或车位地图,做出路径规划和运动控制,最后经过多传感器的数据融合,从而实现精准停车。

Momentum Dynamics

Momentum Dynamics 是一家将电动车无线充电走往大线圈尺寸的公司。图中接收侧的的四个方块,每块长宽均超过70公分,功率50kW,总为200kW。据Momentum Dynamics研究,发射侧与接收侧最佳距离大约为7英寸,充电效率会保持在 92-94%,接近普通直流桩的充电效率。

从专利来看,Momentum Dynamics 以平面螺旋结构,以其特定方式进行连接,但是弊端在于体积与重量都较大。

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