電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)可行性研究

段佳鋼 李玉琴 馬立聰

摘 要：在當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，汽車(chē)工業(yè)快速增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求量也越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)環(huán)境的污染也日益嚴(yán)重，這就使得電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)與應(yīng)用成為了一個(gè)新的趨勢(shì)和潮流。目前電動(dòng)汽車(chē)的研究主要集中在電動(dòng)汽車(chē)的電池技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制技術(shù)、能量?jī)?chǔ)存技術(shù)等方面，而其中的核心關(guān)鍵技術(shù)是電能的存儲(chǔ)與分配。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē) 無(wú)線充電技術(shù) 可行性研究

Abstract：With today's world economic globalization， and the rapid growth of the automobile industry， the demand for energy is also higher. At the same time， the environmental pollution is increasingly serious， which makes the development and application of electric vehicles has become a new trend. At present， the research of electric vehicles mainly focuses on battery technology， control technology of driving motor， energy storage technology and other aspects of electric vehicles， among which the key technology is the storage and distribution of electric energy.

Key words：electric vehicle， wireless charging technology， feasibility study

1 引言

目前，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展主要是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和電池兩種方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行的研發(fā)和應(yīng)用。其中電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)核心是能量的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制以及動(dòng)力蓄電的控制系統(tǒng)等。在能源短缺的情況下，為了緩解石油危機(jī)，世界各國(guó)都開(kāi)始了新的電動(dòng)汽車(chē)項(xiàng)目，并將其作為未來(lái)的重點(diǎn)研究方向。

2 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的基本理論

電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的關(guān)鍵技術(shù)主要有電池、控制器和充電控制等。（1）電池的選擇 在電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)中，為了提高電動(dòng)汽車(chē)的能量效率，需要對(duì)電池的性能進(jìn)行優(yōu)化，使其具有高的穩(wěn)定性和高的壽命;同時(shí)，在保證安全的前提下，盡可能降低對(duì)環(huán)境的污染;目前，鋰離子動(dòng)力鋰電池的發(fā)展還不完善，所以我們要根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)確定最佳的電池類(lèi)型。（2）電池的選擇原則。首先是安全性，即電池的使用過(guò)程中不會(huì)因?yàn)橥饨缫蛩囟鴵p壞，而且可以延長(zhǎng)其使用的時(shí)間;其次是經(jīng)濟(jì)性，即在不影響的條件下，能夠獲得，最大的收益;最后是快速性，即充電的速度快，并且能滿足不同的用戶需求。（3）充電器的選擇：由于充電器的工作電壓一般比較低，因此采用了高壓充放電的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電操作，這樣就能達(dá)到較好的效果。

3 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)可行性研究方向

首先，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)是一個(gè)新興的領(lǐng)域和新的發(fā)展方向，在目前的研究中，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的研究還很少，主要集中在對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的功率密度、電池容量以及充放電效率等方面的研究上。其次，隨著我國(guó)能源緊缺問(wèn)題的日益嚴(yán)重，國(guó)家也開(kāi)始了大力的支持電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)與推廣，這就要求我們要加快推進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的商業(yè)化進(jìn)程，同時(shí)也需要解決充電的成本和時(shí)間等一系列的難題;最后，為了提高電動(dòng)車(chē)輛的續(xù)航能力，相關(guān)部門(mén)還提出了很多的政策來(lái)鼓勵(lì)使用新的儲(chǔ)能裝置，比如：可以通過(guò)增加充電樁的建設(shè)數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這樣就能夠有效的緩解當(dāng)前的交通壓力。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，未來(lái)幾年內(nèi)，我國(guó)在電動(dòng)汽車(chē)的研制與開(kāi)發(fā)上，會(huì)有更多的資金投入到大規(guī)模的新能源車(chē)的生產(chǎn)中，而這必將為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來(lái)巨大的推動(dòng)力。

4 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)可行性設(shè)計(jì)策略

由于目前的電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)還不夠成熟，因此在無(wú)線充電的過(guò)程中，需要對(duì)電池進(jìn)行充電，但是在實(shí)際的使用中，很多用戶都不了解電動(dòng)汽車(chē)，導(dǎo)致了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航時(shí)間比較短，所以我們要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充、放電性能以及充電效率等多方面因素進(jìn)行進(jìn)行綜合分析，從而確定最適合的無(wú)線充電方式。

4.1 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)基礎(chǔ)及測(cè)量方法

為了確保電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電系統(tǒng)的順利運(yùn)行，需要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)行研究。目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上，而對(duì)其的測(cè)量方法也有很多種。

（1）無(wú)線電波檢測(cè)法。該方法是利用發(fā)射天線和接收設(shè)備之間的信號(hào)傳輸，然后通過(guò)分析電池的電壓和電流的變化來(lái)確定是否為電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電。（2）磁共振成像法。該方法是基于電磁感應(yīng)的原理上的一種方法，它可以用于各種復(fù)雜的電動(dòng)車(chē)輛的無(wú)線充電器的設(shè)計(jì)中。但由于其工作環(huán)境的特殊性，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，很難準(zhǔn)確的判斷出所需的參數(shù)值。（3）磁流磁流變液測(cè)試法。磁流變液的性能取決于線圈的形狀、尺寸、電阻率等因素，但是這種方法的缺點(diǎn)在于，因?yàn)榇艌?chǎng)的影響會(huì)使磁力線產(chǎn)生彎曲變形，從而導(dǎo)致了電流傳送的困難性。（4）電池的選擇：在確定了電動(dòng)汽車(chē)的性能參數(shù)后，可以根據(jù)所需的功率大小來(lái)選取鋰離子動(dòng)力鋰電池，同時(shí)考慮到不同的地區(qū)環(huán)境溫度的變化對(duì)鋰離子的吸收程度也會(huì)有所不同，所以在選擇鋰離子電池時(shí)要充分了解當(dāng)?shù)氐臏囟群碗妷旱纫蛩兀⒔Y(jié)合實(shí)際情況，合理地調(diào)整電池的尺寸及重量。（5）充電控制：由于目前的充電設(shè)備的技術(shù)還不是很成熟，因此要對(duì)其的充放電特性、充放量等方面的數(shù)據(jù)信息的采集必須要有一定的要求;其次，還要保證充電的效率和質(zhì)量，這也是影響能否實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電的重要原因。

4.2 充電器件選擇

充電器件的選擇是電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是影響電池充電的重要因素。在充電站的選擇上，要根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際情況，在保證安全的前提下，盡量降低成本，同時(shí)還要考慮到電動(dòng)汽車(chē)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。目前，市場(chǎng)上的充電器件主要有以下幾種：

（1）鋰離子電池。鋰離子電池的特點(diǎn)在于它的體積小，質(zhì)量輕，壽命長(zhǎng)，且無(wú)記憶效應(yīng)，不易產(chǎn)生過(guò)放現(xiàn)象，但由于其能量密度低，所以使用的環(huán)境要求高，對(duì)其的改進(jìn)也比較困難。（2）鎳鎘鎳鎘鉛鋅鉛蓄電池。它具有較高的功率密度，容量大，重量輕，抗腐蝕性能好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但是蓄電能力低，放電電壓低，溫度范圍窄，對(duì)蓄電池的損壞較大，且需要定期進(jìn)行更換。在電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際應(yīng)用中，充電器件的選擇直接關(guān)系到電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此在進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)，必須要考慮到以下幾個(gè)方面的問(wèn)題： （1）充電站的容量和尺寸。為了保證在不同的負(fù)載下，能夠滿足電動(dòng)車(chē)輛的需求;同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷情況，來(lái)確定是否需要增加充電站的容量;（2）充電的速度和效率。由于目前的技術(shù)水平，我國(guó)大部分的電動(dòng)車(chē)都采用的是恒流圈的充電方式，所以對(duì)其功率的控制要求較高。如果提高了電池的輸出電壓，則會(huì)導(dǎo)致其能量的浪費(fèi)以及電能的損耗;而相反，若不降低恒流圈的額定電流，則會(huì)使得其無(wú)法達(dá)到理想的峰值峰值，從而造成不必要的能源消耗。

4.3 無(wú)線充電系統(tǒng)的整體布局

無(wú)線充電系統(tǒng)的整體布局是指通過(guò)無(wú)線充電技術(shù)的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)在不同的環(huán)境下的充電需求。

（1）電動(dòng)汽車(chē)的電池組的布局在實(shí)際的使用中，由于各種因素的影響和制約，電動(dòng)汽車(chē)的電池組的容量不能滿足用戶的要求;因此，需要考慮到電動(dòng)車(chē)輛的負(fù)載特性，以及電動(dòng)汽車(chē)的功率和行駛里程等。同時(shí)還要注意到，隨著電力電子器件的發(fā)展與進(jìn)步，為了保證電能的傳輸效率，必須要有一個(gè)合理的電路結(jié)構(gòu)。目前常用的電控電源的拓?fù)渲饕袃煞N：?jiǎn)味诵?、雙端型。本文所采用的是雙端型。（2）無(wú)線充電器的布局無(wú)線充電器的布局應(yīng)遵循一定的規(guī)律：首先，從整個(gè)充電的角度出發(fā)，以最大限度的提高能量的利用率為目標(biāo)，盡可能地減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊;其次，根據(jù)電池的大小來(lái)確定各個(gè)部分的尺寸和形狀，從而使其能夠達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，這樣就可以有效的降低了對(duì)設(shè)備的損壞程度延長(zhǎng)了電池的壽命周期。

4.4 充電線圈的參數(shù)計(jì)算

電池的充電過(guò)程中，其參數(shù)主要有電壓、電流、功率以及溫度等。其中電動(dòng)汽車(chē)的充放電的特性是復(fù)雜的且受外界環(huán)境的影響較大，所以在進(jìn)行充電時(shí)，必須要考慮到各種因素對(duì)電池的影響程度。

（1）電壓：電動(dòng)汽車(chē)的充電線圈的輸出電能量的大小與所使用的電能成正比，因此我們可以用一個(gè)電量單位表示。（2）電流：在電動(dòng)汽車(chē)的充放的時(shí)候需要一定的時(shí)間才能達(dá)到要求的容量;而當(dāng)負(fù)載的變化時(shí)，電瓶的輸出也會(huì)隨之改變。（3）溫度：電動(dòng)汽車(chē)的充放的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生熱量，如果將這個(gè)熱值的數(shù)值計(jì)算出來(lái)，那么就能夠得出結(jié)論，此時(shí)應(yīng)該采取措施減少對(duì)電池的損害情況。（4）溫度：在實(shí)際的應(yīng)用中，由于不同的地區(qū)和不同時(shí)間的溫差，會(huì)導(dǎo)致電池的化學(xué)反應(yīng)速度的不一樣，從而使其出現(xiàn)熱損的現(xiàn)象;而對(duì)于同一個(gè)電動(dòng)車(chē)輛來(lái)說(shuō)，因?yàn)樾旭偟穆烦淘介L(zhǎng)，就能提高其壽命的效率越多。

4.5 負(fù)載干擾

負(fù)載干擾是指電動(dòng)汽車(chē)在不同的環(huán)境下，電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際輸出功率會(huì)出現(xiàn)一定的變化而導(dǎo)致的電動(dòng)汽車(chē)的電能消耗的現(xiàn)象;也有可能是由于電池的老化、使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或溫度過(guò)高造成的電化學(xué)腐蝕等原因，也有因?yàn)樨?fù)載的改變而引起的電化學(xué)反應(yīng)的影響等。在對(duì)電動(dòng)車(chē)輛的無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮到以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)的負(fù)載發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，就需要對(duì)其施加一個(gè)新的電壓，使其從原來(lái)的固定頻率變換到新的頻度，從而使其能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線充電。（2）如果沒(méi)有產(chǎn)生新的電源來(lái)滿足負(fù)載的需求則不能保證電動(dòng)汽車(chē)的能量供應(yīng)，因此就得要求增加額外的設(shè)備來(lái)支持。這就要通過(guò)控制電路的調(diào)節(jié)和調(diào)整。（3）當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化，那么就應(yīng)該采取相應(yīng)的措施來(lái)解決。例如：將車(chē)載的供電線路改為由單節(jié)發(fā)電機(jī)供電，或者將電力線改成直流線，這樣的話可以有效的提高了傳輸效率，同時(shí)還能降低成本。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的技術(shù)還處于初級(jí)階段，需要進(jìn)一步完善和提高。電動(dòng)汽車(chē)的電池壽命較短，在使用過(guò)程中存在著充電效率低、能量利用率低等問(wèn)題，因此在未來(lái)的發(fā)展中應(yīng)重點(diǎn)攻克這些難題。

基金項(xiàng)目：2019年廣西城市職業(yè)大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目“電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)可行性研究”項(xiàng)目編號(hào)：GXCUVKY2019A001。

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作者簡(jiǎn)介

段佳鋼：（1974.06—），男，漢族，廣西扶綏，本科，高級(jí)工程師。研究方向：新能源汽車(chē)

李玉琴：（1983.02—），女，漢族，廣西南寧，大學(xué)本科，副教授。主要研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)。

馬立聰：（1982，12—），男，壯族，廣西憑祥，本科，工程師。研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。