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詳解電動(dòng)汽車的非接觸充電方式及原理

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量：1832次  |  2019年11月12日  

電動(dòng)汽車的充電裝置相當(dāng)于汽車燃料的加注站，當(dāng)國(guó)內(nèi)開(kāi)始大張旗鼓地建設(shè)有線充電樁和充電站時(shí)，國(guó)外涌現(xiàn)出了三種非接觸式電動(dòng)汽車充電裝置，并不同程度地進(jìn)入了商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。非接觸充電裝置有哪些類型？基本工作原理是什么？它的充電效率、安全性、便利性如何？這些，都是人們所關(guān)注的。非接觸充電裝置的類型非接觸充電裝置有電磁感應(yīng)、磁共振、微波三種方式（表1）。


非接觸充電裝置的優(yōu)勢(shì)與電動(dòng)汽車相比，傳統(tǒng)燃料汽車不僅在使用便利性、整備質(zhì)量、續(xù)駛能力、制造和使用成本等方面存在諸多優(yōu)勢(shì)，而且燃料補(bǔ)充也無(wú)需消耗更多的時(shí)間。電動(dòng)汽車不但充電時(shí)間長(zhǎng)，更換電池或利用充電樁等通過(guò)電纜充電的模式，也存在操作上的不便，而且雨天作業(yè)的安全性問(wèn)題，更是令人擔(dān)憂。相比而言，非接觸充電裝置不需要用電纜將車輛與供電系統(tǒng)連接，便可以直接對(duì)其進(jìn)行快速充電。加之非接觸快速充電能夠布置在停車場(chǎng)、住宅、路邊等多種場(chǎng)所，又可以為各種類型的電動(dòng)汽車（包括插電式混合動(dòng)力汽車）提供充電服務(wù)，使電動(dòng)汽車隨時(shí)隨地充電變?yōu)榭赡?。?duì)于公交車，可以將充電設(shè)施布置在終點(diǎn)站、樞紐站、換乘站等地點(diǎn)，利用短暫的停車時(shí)間便可以完成快速充電。非接觸充電裝置的工作原理一、電磁感應(yīng)方式電磁感應(yīng)通過(guò)送電線圈和接收線圈之間傳輸電力，是最接近實(shí)用化的一種充電方式。當(dāng)送電線圈中有交變電流通過(guò)時(shí)，發(fā)送（初級(jí)）、接收（次級(jí)）兩線圈之間產(chǎn)生交替變化的磁束，由此在次級(jí)線圈產(chǎn)生隨磁束變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)接收線圈端子對(duì)外輸出交變電流（圖1）。目前存在的問(wèn)題是：送電距離比較短（約100mm左右），并且送電與接受兩部分出現(xiàn)較大偏差時(shí)，則電力傳輸效率就會(huì)明顯下降；功率大小與線圈尺寸直接相關(guān)，需要大功率傳送電力時(shí)，須在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和電力設(shè)備方面加大投入。二、磁共振方式磁共振傳送方式由美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）于2007年研制成功，公諸于世以來(lái)，一直備受世界各國(guó)的普遍關(guān)注。它主要由電源、電力輸出、電力接收、整流器等主要部分組成，原理與電磁感應(yīng)方式基本相同。電源傳送部分有電流通過(guò)時(shí)，所產(chǎn)生的交變磁束使接收部分產(chǎn)生電勢(shì)，為電池充電時(shí)輸出電流。與電磁感應(yīng)充電方式不同之處在于，磁共振方式加裝了一個(gè)高頻驅(qū)動(dòng)電源，采用兼?zhèn)渚€圈和電容器的LC共振電路，而并非由簡(jiǎn)單線圈構(gòu)成送電和接收兩個(gè)單元。共振頻率的數(shù)值，會(huì)隨送電與接收單元之間距離的變化而改變。當(dāng)傳送距離發(fā)生改變時(shí)，傳輸效率也會(huì)像電磁感應(yīng)一樣迅速降低。為此，可通過(guò)控制電路調(diào)整共振頻率，使兩個(gè)單元的電路發(fā)生共振，即“共鳴”。所以，這種磁共振狀態(tài)也稱為“磁共鳴”。在控制回路的作用下改變傳送與接收的頻率，可將電力傳送距離增大至數(shù)米左右，同時(shí)將兩單元電路的電阻降至最小以提高傳送效率。當(dāng)然，傳輸效率還與發(fā)送與接收電單元的直徑相關(guān)，傳送面積越大，傳輸效率也越高。目前的傳輸距離可達(dá)400mm左右，傳輸效率可達(dá)95%。三、微波方式使用2.45GHz的電波發(fā)生裝置傳送電力，發(fā)送裝置與微波爐使用的“磁控管”基本相同。傳送的微波也是交流電波，可用天線在不同方向接收，用整流電路轉(zhuǎn)換成直流電為汽車電池充電（圖2）。為防止充電時(shí)微波外漏，充電部分裝有金屬屏蔽裝置。使用中，送電與接收之間的有效屏蔽可防止微波外漏。目前存在的主要問(wèn)題是，磁控管產(chǎn)生微波時(shí)的效率過(guò)低，造成許多電力變?yōu)闊崮鼙话装紫摹?/p>
非接觸充電裝置在日本的應(yīng)用2009年7月，日產(chǎn)與昭和飛行機(jī)公司公開(kāi)了電磁感應(yīng)式非接觸充電系統(tǒng)，其傳輸距離為100mm左右，傳輸效率可達(dá)90%。但是，當(dāng)停車位置出現(xiàn)偏差而導(dǎo)致發(fā)送與接收盤之間出現(xiàn)較大誤差時(shí)，則會(huì)嚴(yán)重影響電力傳送效率。目前，研究人員正在致力于停車的橫、縱向偏差在200～300mm范圍內(nèi)，同樣確保其具有90%以上傳輸效率的研究。


此外，上述兩家公司對(duì)傳送、接收裝置之間進(jìn)入動(dòng)物以及金屬碎片等造成的不良影響也進(jìn)行了研究。因?yàn)?，這類異物會(huì)在二者之間產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致發(fā)熱并影響傳送效率。長(zhǎng)野日本無(wú)線公司于2009年8月宣布開(kāi)發(fā)出了基于磁共振的充電系統(tǒng)。與電磁感應(yīng)方式相比，磁共振方式具有傳送距離長(zhǎng)、停車誤差要求低等優(yōu)點(diǎn)?？梢栽?00mm的傳輸距離內(nèi)確保90%的傳送效率。但目前的傳送功率還比較?。s1kW左右），擬定從叉車等使用范圍進(jìn)入市場(chǎng)，伴隨著技術(shù)成熟程度和傳送功率的提高，有望很快進(jìn)入電動(dòng)車充電領(lǐng)域。三菱重工開(kāi)發(fā)的微波式非接觸充電系統(tǒng)，將一組共48個(gè)硅整流二極管作為接收天線，每個(gè)硅整流二極管可產(chǎn)生20V的電壓和一定的直流電，能夠?qū)㈦妷禾嵘脸潆娝璧闹笜?biāo)并可實(shí)現(xiàn)1kW的功率輸出。其優(yōu)點(diǎn)是成本低，整套費(fèi)用約合人民幣2萬(wàn)元。缺點(diǎn)是傳輸效率低，目前的傳送效率只有38%。對(duì)此，三菱重工認(rèn)為：“雖不適于快速充電，但作為夜間谷區(qū)充電，電費(fèi)只有傳統(tǒng)燃料費(fèi)的10%～20%。如果將發(fā)熱過(guò)大的磁控管用于生活用水加熱，則綜合效率可到70%。此外，在安全方面也有防止微波泄露裝置，使用中不會(huì)給車輛上的電子設(shè)備和周邊人員身上的心臟起搏器造成影響。非接觸充電方式一經(jīng)問(wèn)世，便得到了世界各國(guó)的普遍關(guān)注，同樣也值得國(guó)內(nèi)同行學(xué)習(xí)與借鑒。與充電站、充電樁的建設(shè)投資相比成本較低，并且免去了接線所需的操作和等待的時(shí)間，具有布置靈活、使用便利、安全可靠等絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。


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