范祖良

摘? 要：針對新能源汽車基于磁耦合諧振無線充電技術(shù)為何傳輸功率小、充電效率低的問題展開研究。通過對磁耦合線圈耦合系數(shù)的推導(dǎo)分析和論證，發(fā)現(xiàn)發(fā)射線圈與接收線圈的橫向錯位、縱向超距是造成磁耦合諧振無線電能傳輸功率小、效率低的主要原因之一。提出了針對新能源汽車無線充電磁耦合線圈錯位、超距能夠?qū)崿F(xiàn)線圈自動調(diào)節(jié)的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;無線充電;磁耦合諧振;線圈錯位;線圈自動調(diào)節(jié)

中圖分類號：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0020-03

Abstract： This paper studies the problem of low transmission power and low charging efficiency of new energy vehicles based on magnetically coupled resonant wireless charging technology. Through the derivation， analysis and demonstration of the coupling coefficient of the magnetic coupling coil， it is found that the lateral dislocation and longitudal overdistance between the transmitting coil and the receiving coil is one of the main reasons for the low power and low efficiency of magnetic coupling resonant radio energy transmission. This paper puts forward a design scheme thatautomatic adjustment can be performed to the coil for the dislocation and overdistance of the electromagnetic coupling coil in the wireless charging of the new energy vehicle.

Keywords： new energy vehicle; wireless charging; magnetic coupling resonance; coil dislocation; coil automatic adjustment

引言

隨著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球油氣資源的日益枯竭和人們環(huán)境保護(hù)意識的不斷增強，新能源汽車迎來了很好的發(fā)展契機。目前中國在新能源汽車的生產(chǎn)和保有量上都處于世界領(lǐng)先地位，來源于新京報的數(shù)據(jù)截止至2019年底全國共計有新能源汽車約為400萬輛而且這個數(shù)字還處于不斷的增長中。但是目前全國現(xiàn)有的充電樁數(shù)約為102萬個，新能源汽車數(shù)與充電樁數(shù)之比高達(dá)4：1。若不采取相應(yīng)的措施盡快縮小車樁比，將會流失未來潛在的新能源汽車客戶，從而制約新能源汽車的進(jìn)一步發(fā)展。

新能源汽車充電樁數(shù)偏少究其原因新建充電樁需要占用較大面積的土地，且位置會較偏僻。由于原有的地面充電樁或立體停車場預(yù)留空間有限無法通過加裝充電樁來進(jìn)行改造，即使將充電樁勉強安裝在停車場中往往也會遭遇車輛的剮蹭、碰撞出現(xiàn)損壞甚至發(fā)生人員觸電的危險。所以本文提出新能源汽車采用無線充電技術(shù)，只需將充電線圈中的發(fā)射線圈埋設(shè)于地面停車位或者立體停車場中的車位托架上，新能源汽車只需正常的泊入車位即可進(jìn)行電能傳輸為汽車電池進(jìn)行充電。

1 無線電能傳輸技術(shù)

無線電能傳輸技術(shù)（wireless power transfer，WPT）是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，實現(xiàn)電能傳輸?shù)募夹g(shù)[1]。在眾多的無線充電技術(shù)中最常用且技術(shù)相對成熟的兩種方式是磁耦合諧振式與電磁感應(yīng)式，其具體功能參數(shù)如表1所示。目前新能源汽車在進(jìn)行無線電能傳輸充電時地面預(yù)埋線圈距離汽車底盤的實際傳輸距離在0.1～0.25米之間，充電功率約為120瓦。由此可見磁耦合諧振式無線充電技術(shù)在功率、傳輸距離上更符合新能源汽車無線充電的應(yīng)用場景需要，所以本文最終確定采用磁耦合諧振式無線充電技術(shù)來進(jìn)行對新能源汽車的無線充電系統(tǒng)的應(yīng)用探究。

2 磁耦合諧振式線圈無線電能傳輸原理

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)主要由電網(wǎng)電源、電能轉(zhuǎn)換器、磁耦合線圈、負(fù)載組成。電網(wǎng)交流電電能通過電能轉(zhuǎn)換器作用于發(fā)射線圈，當(dāng)交變電流通過發(fā)射線圈時產(chǎn)生高頻的交變磁場，處于高頻交變磁場中的接收線圈就會產(chǎn)生同頻的感應(yīng)電動勢從而實現(xiàn)電能的無線傳播。工作原理示意圖如圖1所示。

3 耦合線圈正對面積、間距對無線電能傳輸效率、功率的影響分析

在靜態(tài)下利用無線電能傳輸系統(tǒng)給新能源汽車電池進(jìn)行電能補充的設(shè)計方案：將磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈預(yù)埋停車位中，將接收線圈安裝在汽車底盤上。當(dāng)新能源汽車停車入位后，汽車底盤上安裝的接收線圈就處于發(fā)射線圈所激發(fā)的高頻磁場中從而在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢就實現(xiàn)了電能的無線傳輸可以為新能源汽車電池進(jìn)行充電。

在利用磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)給新能源汽車電池進(jìn)行電能補充時，發(fā)射線圈與接收線圈的耦合程度，也就是互感系數(shù)M直接決定了電能無線傳輸?shù)墓β省⑿?。在影響磁耦合諧振線圈耦合程度的諸多因素中，發(fā)射線圈和接收線圈間的正對面積、線圈間距是一個影響很大的因素[2]。在公共停車場中的停車位，由于不同駕駛員、不同車輛在停放過程中車輛位置、車輛底盤的高低個體差異性較大，所以想要提高無線電能傳輸?shù)男屎蛯嶋H功率滿足新能源汽車充電的實際需求就必須了解這些差異所帶來的影響，并設(shè)法解決這些個體差異性所帶來的問題。磁耦合諧振線圈橫向錯位示意圖如圖2所示。

樣也與發(fā)射線圈與接收線圈的距離有關(guān)。當(dāng)線圈距離超過理論模型的最佳距離即，d'>d時也會引起M'

結(jié)論：當(dāng)兩線圈由于錯位或線圈超距時將導(dǎo)致實際有效重疊的正對面積減小或者線圈距離增大，引起互感系數(shù)M減小從而引起無線電能傳輸效率和功率減小。由此可見，發(fā)射線圈和接收線圈的錯位和超距不僅會造成電能的額外損失而且也會使新能源汽車充電時間延長[4]。

4 發(fā)射線圈和接收線圈正對面積、距離的自動調(diào)整方案設(shè)計

由于公共停車位的無線電能傳輸充電系統(tǒng)面對的對象是廣大停車駕駛技術(shù)水平參差不齊，底盤離地間距高矮不一的新能源汽車，所以固定不變的預(yù)埋式發(fā)射線圈設(shè)計顯然無法滿足新能源汽車無線充電系統(tǒng)的大功率、高效率的要求。為了實現(xiàn)線圈間正對面積、高度的自動調(diào)節(jié)現(xiàn)提出以下兩種設(shè)計方案。

方案一：利用安裝在停車位中的液壓移位和升降設(shè)備實現(xiàn)車輛位置和高度的自動調(diào)節(jié)

該方案的具體實現(xiàn)方式是將發(fā)射線圈及電源電纜固定預(yù)埋在停車位的預(yù)定位置。在線圈兩側(cè)安裝液壓移位和升降裝置，當(dāng)新能源汽車駛?cè)胪＼囄缓笸ㄟ^停車位表面的壓力傳感器觸發(fā)安裝在發(fā)射線圈周圍的紅外線對射和測距裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。該紅外線裝置可用于判斷車輛底盤上的接收線圈是否與發(fā)射線圈完全正對、兩線圈之間的高度是否合適。若正對面積或高度不滿足預(yù)設(shè)參數(shù)則啟動液壓移位和升降設(shè)備將汽車進(jìn)行水平移位和高度調(diào)節(jié)，直至滿足預(yù)設(shè)參數(shù)，進(jìn)而接通發(fā)射線圈電源進(jìn)入無線電能傳輸狀態(tài)。當(dāng)車輛駛離后壓力信號消失，液壓移位和升降設(shè)備及紅外設(shè)備復(fù)位并切斷發(fā)射線圈電源。

方案二：采用活動式發(fā)射線圈，通過發(fā)射線圈的水平位置和高度的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)線圈耦合

該方案的具體實現(xiàn)方式是將活動式的電源電纜終端和發(fā)射線圈安裝在由兩個伺服電機驅(qū)動的導(dǎo)軌支架上，示意圖如圖3所示。該支架能在這兩個水平和豎直伺服電機的驅(qū)動下實現(xiàn)水平和豎直方向的移位和升降。當(dāng)新能源汽車駛?cè)胪＼囄缓螅＼囄槐砻娴膲毫鞲衅饔|發(fā)啟動發(fā)射線圈周圍的紅外線對射和測距裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。與方案一相同，該紅外線裝置也是用于判斷車輛底盤上的接收線圈是否與發(fā)射線圈完全正對、兩線圈之間的高度是否合適。若正對面積或高度不滿足預(yù)設(shè)參數(shù)，則啟動伺服電機驅(qū)動支架按照先水平后豎直的工作邏輯來調(diào)節(jié)發(fā)射線圈位置直至正對面積和線圈間距滿足預(yù)設(shè)參數(shù)。當(dāng)車輛駛離后壓力信號消失，伺服電機驅(qū)動支架和紅外設(shè)備復(fù)位并切斷發(fā)射線圈電源。

通過比較以上兩種方案可知：（1）功能實現(xiàn)情況：兩種方案都能夠?qū)崿F(xiàn)諧振線圈耦合的自動控制功能;（2）節(jié)能

環(huán)保情況：兩種方案都有考慮到節(jié)能問題，發(fā)射線圈都可以實現(xiàn)的自動上電和斷電功能;（3）各方案施工難度：方案一中為實現(xiàn)液壓移位和升降設(shè)備的安裝需要在發(fā)射線圈兩邊實施挖溝作業(yè)，同時也要額外的為液壓設(shè)備配備液壓油儲油坑、布放液壓管道等導(dǎo)致施工難度較大施工周期較長;方案二只需在預(yù)埋發(fā)射線圈時加裝伺服電機及支架、額外布放少量控制電線即可，施工簡單施工周期也較短;（4）方案成本：方案一中由于施工難度大人工成本較高，液壓設(shè)備也較為昂貴導(dǎo)致成本較高;方案二中人工成本較方案一而言相對較低，同時基于伺服電機在方案二中的作用僅是為發(fā)射線圈移位和升降提供動力所以也可選用控制精度適中、扭矩適中、價格合理的伺服電機進(jìn)行驅(qū)動以便更加合理的控制成本;（5）方案后期維護(hù)難度與成本：方案一中組成的配件多、分布廣，液壓裝置更是采用隱蔽工程安裝方式這將大大增加工程后期的維護(hù)難度、維護(hù)時間和維護(hù)成本;方案二中發(fā)射線圈、電源電纜、安裝支架及伺服電機等安裝位置相對集中，而且都為地面式安裝方式方便后期維護(hù)，維護(hù)周期短成本低。（6）適用性：方案一只適用于地面停車場的加裝改造，對于立體停車場顯然是不適合的;方案二針對現(xiàn)有的地面和立體停車位都能夠輕松實現(xiàn)改造。

綜上，基于磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的新能源汽車充電系統(tǒng)采用方案二，即發(fā)射來進(jìn)行發(fā)射線圈和接收線圈的正對面積和距離的自動調(diào)節(jié)。通過自動調(diào)節(jié)就能大大提高諧振線圈的耦合系數(shù)，從而在一定程度上提高系統(tǒng)的充電效率和功率，同時降低電能損耗縮短汽車充電時間。

5 結(jié)束語

本文針對當(dāng)下新能源汽車充電樁極度短缺的情況進(jìn)行細(xì)致的原因分析，并針對目前城市土地短缺的實際情況提出了在現(xiàn)有的地面和立體停車場中加裝新能源汽車無線充電設(shè)備方式。通過這種方式就能在短期內(nèi)迅速增加新能源汽車充電樁數(shù)量，進(jìn)而大大緩解新能源汽車充電難的狀況，為新能源汽車的普及打下了堅實的基礎(chǔ)。通過研究得出新能源汽車無線充電技術(shù)擬采用的磁耦合諧振方式所面臨的充電功率小、效率低的一部分具體原因是發(fā)射線圈與接收線圈橫向錯位和縱向超距。針對這兩個問題，提出了利用安裝在停車位中的液壓移位和升降設(shè)備實現(xiàn)車輛位置和高度的自動調(diào)節(jié)、采用活動式發(fā)射線圈，通過發(fā)射線圈的水平位置和高度的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)線圈耦合兩種控制方案。通過多個方面的比較，采用活動式發(fā)射線圈，通過發(fā)射線圈的水平位置和高度的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)線圈耦合的調(diào)節(jié)方案在能夠同樣完成目標(biāo)線圈調(diào)節(jié)的情況下，施工難度、成本、后期維護(hù)等方面都更勝一籌，是更適合的磁耦合諧振式線圈自動調(diào)節(jié)方案。

參考文獻(xiàn)：

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