電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)改進(jìn)研究

大連市育明高級(jí)中學(xué) 提 前

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)改進(jìn)研究

大連市育明高級(jí)中學(xué) 提 前

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電技術(shù)目前屬于技術(shù)空白，在世界仍沒有一項(xiàng)工程應(yīng)用實(shí)例。研究提出了“一種電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)”，該系統(tǒng)已于2017年02月13日獲得《實(shí)用新型專利》。研究圍繞 “一種電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)”展開，經(jīng)過理論論證、實(shí)驗(yàn)分析、模型分析等階段，相應(yīng)地針對(duì)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化率低的問題提出了兩種改進(jìn)方案和發(fā)展方向。同時(shí)，研究也回顧了整個(gè)四年的研究歷程，提及了前期的三種概念性技術(shù)方案。

電動(dòng)汽車；動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)

1.前言

為解決傳統(tǒng)汽車尾氣排放、石油資源已經(jīng)接近枯竭的問題，電動(dòng)汽車正成為各國(guó)汽車行業(yè)新的發(fā)展趨勢(shì)。電動(dòng)汽車能夠達(dá)到零排放、耗能少，但電動(dòng)汽車也存在動(dòng)力性不足、續(xù)航里程低的缺點(diǎn)?，F(xiàn)有的大多數(shù)電動(dòng)汽車是充一次電可以行駛?cè)舾晒?，在電量不足時(shí)需要停車再次充電，因此在電池充電技術(shù)未取得突破之前，純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程仍受到很大制約。豐田汽車的副會(huì)長(zhǎng)內(nèi)山田武（內(nèi)山田武被譽(yù)為“普銳斯之父”）表示：“因?yàn)榇嬖谛旭偩嚯x、成本和充電時(shí)間等問題，電動(dòng)汽車不是大多數(shù)傳統(tǒng)汽車切實(shí)可行的替代品。我們需要一些全新的東西，”[1]如果能使電動(dòng)汽車在行進(jìn)的過程中也進(jìn)行充電，將能在很大程度的提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，這對(duì)電動(dòng)汽車的普及和推廣具有重要意義。

2.研究?jī)?nèi)容

2.1 簡(jiǎn)述

研究提出了一種電動(dòng)汽車（動(dòng)態(tài)）充電系統(tǒng)，通過設(shè)置高頻強(qiáng)磁場(chǎng)提供端、閉合回路線圈端和中心控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)能量由電網(wǎng)電能—磁場(chǎng)能—車體電池電能轉(zhuǎn)化。通過設(shè)置保護(hù)性裝置和保護(hù)性運(yùn)行程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體、環(huán)境以及車體的保護(hù)。

圖1 高頻磁場(chǎng)提供端

2.2 結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)具體包括高頻磁場(chǎng)提供端（其中有：產(chǎn)磁墻單元模塊組2、電流和頻率檢測(cè)和控制模塊3、無線Wi-Fi3）、閉合回路線圈端(其中有：磁能接收車輪、碳刷滑環(huán)電路系統(tǒng)10、電能檢測(cè)及計(jì)費(fèi)裝置、無線Wi-Fi3、穩(wěn)流穩(wěn)壓裝置、車體電池及電動(dòng)機(jī))、中心控制計(jì)算機(jī)（通過無線Wi-Fi3的連接實(shí)時(shí)對(duì)兩端口進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)配）。

高頻磁場(chǎng)提供端為安裝于路面兩側(cè)的與輪胎高度匹配的產(chǎn)磁墻單元模塊組2，產(chǎn)磁墻單元模塊組2接電流和頻率檢測(cè)和控制模塊3，電流和頻率檢測(cè)和控制模塊3連接交流電網(wǎng)，電流和頻率檢測(cè)和控制模塊3通過無線Wi-Fi3裝置連接中心控制計(jì)算機(jī)，產(chǎn)磁墻2的上側(cè)、下側(cè)和后側(cè)設(shè)有絕緣隔磁保護(hù)層1，產(chǎn)磁墻2靠近行車道一側(cè)設(shè)有活動(dòng)結(jié)構(gòu)的金屬屏蔽塊6，金屬屏蔽塊6連接機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接控制器，整個(gè)供電產(chǎn)磁單元2通過Wi-Fi裝置3與中心控制計(jì)算機(jī)通信；閉合回路線圈端是包括輪胎7，輪胎（充氣）7部分以內(nèi)設(shè)有金屬線圈9，輪胎7靠近車體一側(cè)設(shè)置碳纖維薄板，輪胎的輪轂8上安裝碳刷滑環(huán)電路系統(tǒng)10，碳刷滑環(huán)電路系統(tǒng)10連接汽車充電端，輪轂8上設(shè)有電能檢測(cè)及計(jì)費(fèi)裝置和無線Wi-Fi裝置，電能檢測(cè)及計(jì)費(fèi)裝置通過無線Wi-Fi連接中心控制計(jì)算機(jī)。具體實(shí)施方式，由于篇幅限制，從略。

2.3 改進(jìn)方案的概念性研究方案

簡(jiǎn)述：通過設(shè)置中心控制計(jì)算機(jī),在路面上方設(shè)置距離略小于車寬的（供電）產(chǎn)磁薄膜，在車的頭部、尾部設(shè)置接收磁能線圈，并在接收磁能線圈周圍也設(shè)置短程信息交互元件,實(shí)現(xiàn)在公路上對(duì)運(yùn)動(dòng)中汽車充電。

結(jié)構(gòu)組成：（供電）產(chǎn)磁薄膜的位置由路面兩側(cè)搭建的碳纖維架和柔性彈性繩固定，使其離地高0.6M,間距1.4M，當(dāng)有車通過時(shí)，其間距可增加至1.8M，且仍無較大的力作用于車體。產(chǎn)磁薄由四層薄膜層（分別為兩側(cè)外層的光滑保護(hù)性薄膜，產(chǎn)磁餅形小線圈薄膜、開關(guān)控制電子薄膜）復(fù)合而成。產(chǎn)磁線餅薄膜密集設(shè)置餅形產(chǎn)磁線圈組元件與短程信息交互元件并在這些元件下方覆蓋開關(guān)控制電子薄膜，使每個(gè)餅形小線圈可以獨(dú)立工作。

工作方式：當(dāng)車通過產(chǎn)磁路面墻時(shí)，車體會(huì)撐開（供電）產(chǎn)磁薄膜，車載線圈周圍短程信息交互元件激發(fā)薄膜上的短程信息交互元件工作，從而通過開關(guān)控制電子薄膜使且僅使車前、后備箱中線圈所對(duì)應(yīng)的餅形小線圈工作。進(jìn)而通過傳統(tǒng)的磁感應(yīng)式充電原理充電。中心控制計(jì)算機(jī)相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的大腦，其工作方式與前型方案類似。

3.研究方法和結(jié)果

3.1 定量分析法，定性分析法、實(shí)驗(yàn)法、調(diào)查法相結(jié)合

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)的兩端口間電能傳輸實(shí)質(zhì)上電磁感應(yīng)式電能傳輸，兩端口實(shí)質(zhì)上是勵(lì)磁線圈、感應(yīng)線圈。通過調(diào)查法，在《汽車之家》網(wǎng)站[5]確定了市場(chǎng)上銷量最大的三款電動(dòng)汽車參數(shù)，并初步設(shè)定研究方案硬件參數(shù)。

勵(lì)磁線圈 感應(yīng)線圈U1 ----- U2 14V I1 待定 I2 -----n1 待定 n2 設(shè)為50匝R1 0.35m R2 0.35m f1 100kHz f2 -----L1 0.4m L2 0.1m D=0.1m

其中，I 表示負(fù)載電流（單位安培），U 表示負(fù)載電壓（單位伏特），n 表示線圈匝數(shù)（單位匝數(shù)），R 表示線圈電阻（單位歐姆)，f 表示頻率（單位千赫茲）,D表示兩線圈間距離（單位米），L表示線圈長(zhǎng)度。

根據(jù)畢奧·薩戈?duì)柖煽梢粤谐鰟?lì)磁線圈靠近感應(yīng)線圈一端的一匝線圈對(duì)于感應(yīng)線圈的磁通量的方程為：

關(guān)于勵(lì)磁線圈軸長(zhǎng)積分，可以得到整個(gè)勵(lì)磁線圈對(duì)于感線圈的磁通量的方程為：

由于感應(yīng)線圈端需要得到14V電壓（考慮電路損耗，實(shí)際輸入車體電壓為12V，四個(gè)車輪上的感應(yīng)線圈端串聯(lián)可以得到48V充電電壓），根據(jù)法拉第定律可以列出方程：

轉(zhuǎn)化率

根據(jù)公式(2)、(3)、(4)，猜想轉(zhuǎn)化率應(yīng)當(dāng)與感應(yīng)線圈內(nèi)部空間磁導(dǎo)率、勵(lì)磁線圈電流頻率、強(qiáng)度，兩線圈匝數(shù)、面積，兩線圈間距離有關(guān)，需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想正確性。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)為：

其中，d 表示感應(yīng)線圈兩端與勵(lì)磁線圈的兩端中距離最小值（單位），表示實(shí)驗(yàn)?zāi)芰哭D(zhuǎn)化率：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了縮短兩線圈間距離，提高感應(yīng)線圈內(nèi)部空間磁導(dǎo)率均可以大幅度提高能量轉(zhuǎn)化率。僅就實(shí)驗(yàn)，不改變其他變量，將感應(yīng)線圈內(nèi)部空間由空氣替換為鐵氧體，可以將轉(zhuǎn)化率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

但實(shí)驗(yàn)所得到轉(zhuǎn)化率總體偏低，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不理想，通過調(diào)查變壓器制造行業(yè)，當(dāng)線匝在密繞時(shí)，其單位面積負(fù)載電流為3A/cm2，實(shí)驗(yàn)設(shè)備選定預(yù)設(shè)單位面積負(fù)載電流為8A/cm2，這與實(shí)驗(yàn)中通電后，60秒勵(lì)磁線圈溫度升至70℃的現(xiàn)象相吻合。

再進(jìn)一步分析，實(shí)驗(yàn)裝置若能夠提高勵(lì)磁線圈中電流頻率，增大勵(lì)磁線圈與空氣接觸面積，也可以直接或間接增大能量轉(zhuǎn)化率。

改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示：

圖3 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置圖

在改進(jìn)裝置后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果理想。

3.2 定性分析法、比較研究法、初步的探究性研究法、實(shí)驗(yàn)法、觀察法相結(jié)合

針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電技術(shù)研究的改進(jìn)方案，即產(chǎn)磁薄膜路面，為使薄膜形狀可塑，將產(chǎn)磁端由傳統(tǒng)線圈替換為餅狀線圈。

設(shè)N匝實(shí)心線餅，線徑為r，通過電流為I，對(duì)于其上第i匝線圈某一點(diǎn)（長(zhǎng)度為dL），求其受到磁場(chǎng)強(qiáng)度。其他任一匝線圈為i1，任一匝上某點(diǎn)（長(zhǎng)度為△l）與定點(diǎn)夾角為β，可列出方程：

將(7)(8)(9)(10)(11)(12)聯(lián)立方程，得出了一個(gè)極其復(fù)雜的方程，其還沒有完全展開平方式、根號(hào)就有16項(xiàng)。

轉(zhuǎn)而對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)化，在實(shí)心餅形線圈中，設(shè)導(dǎo)線直徑為da，通過電流為I，線餅內(nèi)半徑為R2，外半徑為R，可以粗略求出餅狀線圈的第i匝上某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Bi。

可以得出：

然而此式也僅能對(duì)同一線餅上點(diǎn)與點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小做定性上的比較，通過求極值，當(dāng)在第匝時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度可以取到最大值，此數(shù)據(jù)對(duì)于系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用起到啟發(fā)價(jià)值，同時(shí)引發(fā)了問題：同樣規(guī)格線圈，實(shí)心線餅和空心(匝數(shù)大于匝)線餅?zāi)膫€(gè)會(huì)產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)化率？

實(shí)驗(yàn)將左側(cè)線餅與右側(cè)線餅的位置關(guān)于軸心重合，覆疊放置，通過比較LED燈亮度探究何種方式時(shí)能量轉(zhuǎn)化率高。（繞制兩種線餅外徑相同，線圈與它們?cè)褦?shù)相同，所用漆包線線徑相同）

相關(guān)參數(shù)為：

勵(lì)磁線餅1 勵(lì)磁線餅2 勵(lì)磁線圈3 感應(yīng)線圈 感應(yīng)線餅（補(bǔ)加）N(匝數(shù)) 32(雙層) 54(雙層) 28 28 32(雙層)R內(nèi)(mm) 8.4 0 13.30 13.30 8.4 R外 (mm) 15.30 15.35 15.20 15.20 15.30

由模擬實(shí)驗(yàn)可以初步估算改進(jìn)方案2的能量轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到30%-60%。

4.分析和討論

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)研究過程中，由于實(shí)驗(yàn)條件所限，缺乏專業(yè)器材，利用了弱電代替強(qiáng)電模擬效果，然而在實(shí)際應(yīng)用中，強(qiáng)電與弱電在許多方面有著截然不同的性質(zhì)，例如：變壓器中220V勵(lì)磁線圈端，應(yīng)考慮漆包線擊穿問題，二者對(duì)于變量忽略也不盡相同。在計(jì)算系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化率時(shí)沒有考慮自感對(duì)于磁場(chǎng)的影響。另外，在制作電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)模型過程中，由于道路旁勵(lì)磁線圈無法做到適時(shí)開啟。因此，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，整條模擬道路線圈均處于常開狀態(tài)，在模擬系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，須考慮動(dòng)態(tài)電動(dòng)勢(shì)對(duì)系統(tǒng)影響，即楞次定律。設(shè)B為磁場(chǎng)強(qiáng)度，d為接收線圈直徑，v為車體速度，r0為導(dǎo)線導(dǎo)電率，l為導(dǎo)線長(zhǎng)度，為其他部分電阻，n為匝數(shù)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置需補(bǔ)償44%動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)損耗，但實(shí)際系統(tǒng)中由于隔磁活動(dòng)擋板會(huì)不斷開閉，再加上電流頻率的影響，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的楞次定律現(xiàn)象可以忽略。

應(yīng)考慮到的是，電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)研究討論頻率對(duì)于轉(zhuǎn)化率的影響時(shí)，沒有涉及波形對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響，但據(jù)分析和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，正弦波相對(duì)于方波有更好的轉(zhuǎn)化率，因其磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率更大，且方波形有棱角，易于在空間中激發(fā)干擾電磁波。進(jìn)一步地，關(guān)于何種波形，會(huì)使能量轉(zhuǎn)化率更高，仍需進(jìn)一步探究。

最后，關(guān)于改進(jìn)的兩種方案，如果能使兩端口在磁傳導(dǎo)時(shí)達(dá)到共振頻率是最理想的，即能夠利用共面諧振電磁耦合式傳導(dǎo)技術(shù)。電磁諧振耦合技術(shù)，在目前技術(shù)未實(shí)際應(yīng)用。

根據(jù)目前情況，又提出了產(chǎn)磁薄膜充電系統(tǒng)，但仍有關(guān)于大功率傳輸?shù)募夹g(shù)難題。系統(tǒng)也存在與車體會(huì)產(chǎn)生摩擦生熱，盡管會(huì)采用先進(jìn)的材料避免生熱，但道路仍需限速。

5.研究結(jié)論

針對(duì)生活中充電汽車，研究提出了一種電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)路面系統(tǒng)，經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)，參考文獻(xiàn)后，得出結(jié)論：若使用電磁感應(yīng)式無線電輸電技術(shù)，其理論轉(zhuǎn)化率達(dá)0.5%。于是提出改進(jìn)方案：

電磁感應(yīng)輸電技術(shù)的電能轉(zhuǎn)化率與兩端口距離的三次方成反比，與傳導(dǎo)介質(zhì)導(dǎo)磁率成正比，根據(jù)以上轉(zhuǎn)化率與傳輸距離、傳輸介質(zhì)密切相關(guān)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)概念方案進(jìn)行了再一次改進(jìn)，新方案對(duì)接收端口增加導(dǎo)磁介質(zhì)，將傳輸距離由至少0.15米縮短至0.01米以內(nèi)。通過小功率模擬實(shí)驗(yàn)，其轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到30%-60%。

[1]百度百科-電動(dòng)車詞條[OL].

[2]百度百科-公路等級(jí)詞條[OL].

[3]李宗臺(tái).淺說高頻電磁場(chǎng)危害及其保護(hù)方法-技術(shù)改造[J].

[4]曾翔.無線電力傳輸技術(shù)研究[J].硅谷.

[5]汽車之家網(wǎng)站[OL].

[6]程稼夫.中學(xué)奧林匹克競(jìng)賽物理教程電磁學(xué)篇[M].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.

[7]黃季樨,汪海.飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算-圖1.3.1飛機(jī)研制的流程圖[M].上海交通大學(xué)出版社.