電動車無線充電結(jié)構(gòu)

電動汽車無線充電技術(shù)通過埋于地面下的供電導(dǎo)軌以高頻交變磁場的形式將電能傳輸給運(yùn)行在地面上一定范圍內(nèi)的車輛接收端電能拾取機(jī)構(gòu)，進(jìn)而給車載儲能設(shè)備供電，可使電動汽車搭載少量電池組，延長其續(xù)航里程，同時電能補(bǔ)給變更加安全、便捷。動態(tài)無線供電技術(shù)的主要參數(shù)指標(biāo)有電能傳輸距離、功率、效率、藕合機(jī)構(gòu)側(cè)移適應(yīng)能力、電磁兼容性等。因而，開發(fā)大功率、高效率、強(qiáng)側(cè)移適應(yīng)能力、低電磁輻射、成本適中的動態(tài)無線供電系統(tǒng)，成為國內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)當(dāng)前的主要研究熱點(diǎn)。

為了節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，電動汽車受到了世界各國的大力推廣。由于電池容量及充電基礎(chǔ)設(shè)施等條件的限制，充電問題成為電動汽車發(fā)展過程中而臨的最主要的瓶頸問題。由于無線充電技術(shù)可以解決傳統(tǒng)傳導(dǎo)式充電面臨的接口限制、安全問題等而逐漸發(fā)展成為電動汽車充電的主要方式。然而，靜態(tài)無線充電與有線充電同樣存在著充電頻繁、續(xù)航里程短、電池用量大且成本高昂等問題。特別是對于電動巴士一類的公交車輛，其連續(xù)續(xù)航能力格外重要。在這樣的背景下，電動汽車動態(tài)無線充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過非接觸的方式為行駛中的電動汽車實(shí)時地提供能量供給。然而，隨著研究的深入，許多關(guān)鍵問題與瓶頸需要解決，例如高性能磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計問題、電磁兼容問題、能量傳輸魯棒控制問題等，這些問題的解決對于動態(tài)無線供電技術(shù)的發(fā)展具有指導(dǎo)性作用。低碳經(jīng)濟(jì)核心是新能源技術(shù)與節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用，電動汽車能夠較好地解決機(jī)動車排放污染與能源短缺問題，是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。作為電動汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要前提和基礎(chǔ)，電動汽車充換電設(shè)施建設(shè)引起了各方廣泛關(guān)注。新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其純電動汽車的快速增長，必然會對電動汽車的充電方式多樣化和方便性提出更高的要求。無線充電技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，商業(yè)化運(yùn)作主要應(yīng)用于手機(jī)、電腦、隨身聽等小功率設(shè)備的充電上，在電動汽車領(lǐng)域還是一個全新的概念 [1]。隨著無線充電技術(shù)的成熟，電動汽車將是無線充電設(shè)備最具潛力的市場。

“儲能熱管理研究院”的研究員撰寫并發(fā)布了這篇《無線充電技術(shù)的科普與方案》全套文章

在新能源汽車充電的方式中，最常聽到的就是快充、超充。這兩者都是直流充電樁，但不管是交流或直流，轉(zhuǎn)換的原理都是相同的。本文將對充電技術(shù)進(jìn)行一些科普，并建立充電技術(shù)的概念。

充電技術(shù)科普

· PFC

PFC是改善「功率因子」的電路。簡言之，PFC的功能是輸出的穩(wěn)壓調(diào)壓，可以得到高穩(wěn)定的輸出電壓(輸出不隨輸入電壓波動而產(chǎn)生變化)。了解PFC前要先知道的交流電功率。

有功功率(P)，單位W;

無功功率(Q)，單位Var;

視在功率(S)，單位VA。

功率因子=角的cosθ，介于1到-1間

P/S=cosθ

通過調(diào)整交流電輸入電流波形，減少電壓與電流相位差，抑制諧波電流，使cosθ 接近1。

· LLC

LLC是種串并聯(lián)的諧振電路，有諧振電感Lr、勵磁電感Lm以及諧振電容Cr。

“諧振”，其實(shí)就是共振。

諧振電路利用電感(L)及電容(C)完成電路的共振，交流電路的阻抗非定值，隨頻率變化。

· 阻抗(Z)

阻抗是電路對電流抵抗的度量。在交流電路中分實(shí)部與虛部，實(shí)部為電阻，虛部為電抗(有功功率為實(shí)，無功功率為虛)。

· 電抗

電抗分為電容產(chǎn)生的容抗與電感產(chǎn)生的感抗，都隨電路的電流頻率而變化，但是電阻不會。

*容抗，容抗=1/2πfC，低頻時變大高頻時變小，直流電頻率為0，容抗無限大，因此電容通交阻直，電容的電壓不能突變。

*感抗，感抗=2πfL，與容抗相反，低頻時變小高頻時變大，直流電頻率為0，感抗為0，所以電感通直阻交，電感的電流不能突變。

容抗=感抗時無功功率為0，只考慮有功功率。利用電容跟電感的特性，通過控制開關(guān)頻率/調(diào)節(jié)的頻率，將DC調(diào)整成為目標(biāo)波形來，以此實(shí)現(xiàn)電壓恒定。

▲ 用FHA繪制的設(shè)計LLC電路的DC特性曲線圖

零電壓切換(ZVS)，電壓切換時為 0

零電流切換(ZCS)，電流切換時為0

無線充電

無線充電方式有四種：

· 電磁感應(yīng)式，是最主要的無線充電方式，但因?yàn)閭鬏斁嚯x太短(最多幾公分)所以不適用于新能源汽車;

· 磁場共振式，又稱磁耦合諧振式，符合距離、功率與轉(zhuǎn)換效率達(dá)到電動車無線充電標(biāo)準(zhǔn)，用諧振電路，;

· 電場耦合式，對電極形狀、材質(zhì)的限制較少，且電極可以薄型化，并且不像電磁感應(yīng)式要對位精準(zhǔn)，位置較自由且發(fā)熱較少，但缺點(diǎn)跟電磁感應(yīng)式一樣，距離太短;

· 無線電波式，距離最遠(yuǎn)，但轉(zhuǎn)換效率太低。

磁場共振式與充電樁用LLC不同，無線充電的諧振電路選擇有幾種：

Q1到Q4—四個原邊(發(fā)射側(cè))MOSFET;D1到D4 —副邊(接收側(cè))整流二極管，與充電樁的充電原理相同，但是諧振電路的選擇不同。

(一)諧振電路類型

1、S串行電路

電容與電感串聯(lián)：原邊，可直接與電壓源型逆變器連接，輸入阻抗較低、損耗小，易實(shí)現(xiàn)電壓反饋調(diào)節(jié);副邊，有類似恒壓源(輸出電壓穩(wěn)定)特性。

2、P并聯(lián)電路

電容與電感并聯(lián)：原邊，需要電流源供電，易受擾動，實(shí)際應(yīng)用少;副邊，有類似恒流源(輸出電流穩(wěn)定)特性。也因此，SS兩邊皆是串行電路，PP兩邊皆是并聯(lián)電路，SP原邊并聯(lián)副邊串聯(lián)，PS原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)。

3、LCL能恒流源

輕負(fù)載時有很高的功率因子以及諧波/濾波的能力。

其它的諧振電路類型都是基于以上三種電路拓?fù)涞臄U(kuò)展，對穩(wěn)定條件、輸入阻抗及系統(tǒng)傳輸，進(jìn)行優(yōu)化。

(二)線圈耦合結(jié)構(gòu)

1、環(huán)形線圈

繞制方便、鐵損和導(dǎo)磁體、導(dǎo)線的損耗小，缺點(diǎn)是耦合較差。

2、8字形線圈

兩個環(huán)形繞圈反向串聯(lián)，產(chǎn)生相反磁場。與環(huán)形線圈相似，耦合系數(shù)與損耗介于環(huán)形和螺旋管線圈之間。

3、螺旋管線圈

典型的銅包鐵結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢在于磁力線集中、耦合系數(shù)高，缺點(diǎn)是鐵損、銅損高。

新能源車企的無線技術(shù)分享

蔚來

線圈耦合結(jié)構(gòu)的性能是影響磁場共振式電能傳輸?shù)闹匾蛩亍?

蔚來針對DDQ線圈的電路拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化，重點(diǎn)在于提高耦合系數(shù)，兩電感組件間實(shí)際互感量VS最大互感量之比的數(shù)值在1到-1之間。

*DDQ線圈

在DD線圈的基礎(chǔ)上，增加線圈Q和DD線圈正交，兩者所產(chǎn)生的磁場互不影響、分別輸出，輸出電壓通過兩個整流橋后并聯(lián)輸出。

DDQ線圈也為解決位置偏移，造成傳輸功率和效率降低的線圈形式。當(dāng)位置發(fā)生偏移后，DD線圈的感應(yīng)電壓變小，反之Q線圈的感應(yīng)電壓變大，兩者疊加輸出夠能減少功率的降低。

因?yàn)镈D線圈和Q線圈接收的磁通量不相同，很容易造成某支路輸出電流不均，甚至?xí)?輸出，導(dǎo)致電磁干擾特性變差、效率降低、常規(guī)的整流電路無法解決輸出電流不均的問題，而CN108400625A就是解決此問題的電路拓?fù)洹?

上汽智己

L7的IMAD系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)記憶泊車、代客泊車。利用車端環(huán)視攝像頭，透過視覺同步定位與地圖構(gòu)建(VSLAM)對特微點(diǎn)的提取，結(jié)合車輛的慣性測量單元(IMU)實(shí)現(xiàn)自車的定位。

并基于停車場或車位地圖，做出路徑規(guī)劃和運(yùn)動控制，最后經(jīng)過多傳感器的數(shù)據(jù)融合，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)停車。

Momentum Dynamics

Momentum Dynamics 是一家將電動車無線充電走往大線圈尺寸的公司。圖中接收側(cè)的的四個方塊，每塊長寬均超過70公分，功率50kW，總為200kW。據(jù)Momentum Dynamics研究，發(fā)射側(cè)與接收側(cè)最佳距離大約為7英寸，充電效率會保持在 92-94%，接近普通直流樁的充電效率。

從專利來看，Momentum Dynamics 以平面螺旋結(jié)構(gòu)，以其特定方式進(jìn)行連接，但是弊端在于體積與重量都較大。