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詳解電動汽車的非接觸充電方式及原理

鉅大LARGE  |  點擊量：1833次  |  2019年11月12日  

電動汽車的充電裝置相當(dāng)于汽車燃料的加注站，當(dāng)國內(nèi)開始大張旗鼓地建設(shè)有線充電樁和充電站時，國外涌現(xiàn)出了三種非接觸式電動汽車充電裝置，并不同程度地進入了商業(yè)化運營。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)勢與電動汽車相比，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，而且燃料補充也無需消耗更多的時間。電動汽車不但充電時間長，更換電池或利用充電樁等通過電纜充電的模式，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，便可以直接對其進行快速充電。加之非接觸快速充電能夠布置在停車場、住宅、路邊等多種場所，又可以為各種類型的電動汽車（包括插電式混合動力汽車）提供充電服務(wù)，使電動汽車隨時隨地充電變?yōu)榭赡堋τ诠卉?，可以將充電設(shè)施布置在終點站、樞紐站、換乘站等地點，利用短暫的停車時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)通過送電線圈和接收線圈之間傳輸電力，是最接近實用化的一種充電方式。當(dāng)送電線圈中有交變電流通過時，發(fā)送（初級）、接收（次級）兩線圈之間產(chǎn)生交替變化的磁束，由此在次級線圈產(chǎn)生隨磁束變化的感應(yīng)電動勢，通過接收線圈端子對外輸出交變電流（圖1）。目前存在的問題是：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，則電力傳輸效率就會明顯下降；功率大小與線圈尺寸直接相關(guān)，需要大功率傳送電力時，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麻省理工學(xué)院（MIT）于2007年研制成功，公諸于世以來，一直備受世界各國的普遍關(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時，所產(chǎn)生的交變磁束使接收部分產(chǎn)生電勢，為電池充電時輸出電流。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高頻驅(qū)動電源，采用兼?zhèn)渚€圈和電容器的LC共振電路，而并非由簡單線圈構(gòu)成送電和接收兩個單元。共振頻率的數(shù)值，會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，傳輸效率也會像電磁感應(yīng)一樣迅速降低。為此，可通過控制電路調(diào)整共振頻率，使兩個單元的電路發(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400mm左右，傳輸效率可達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。目前存在的主要問題是，磁控管產(chǎn)生微波時的效率過低，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)與昭和飛行機公司公開了電磁感應(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，則會嚴(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，上述兩家公司對傳送、接收裝置之間進入動物以及金屬碎片等造成的不良影響也進行了研究。因為，這類異物會在二者之間產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致發(fā)熱并影響傳送效率。長野日本無線公司于2009年8月宣布開發(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、停車誤差要求低等優(yōu)點。可以在600mm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入市場，伴隨著技術(shù)成熟程度和傳送功率的提高，有望很快進入電動車充電領(lǐng)域。三菱重工開發(fā)的微波式非接觸充電系統(tǒng)，將一組共48個硅整流二極管作為接收天線，每個硅整流二極管可產(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)并可實現(xiàn)1kW的功率輸出。其優(yōu)點是成本低，整套費用約合人民幣2萬元。缺點是傳輸效率低，目前的傳送效率只有38%。對此，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，電費只有傳統(tǒng)燃料費的10%～20%。如果將發(fā)熱過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)問世，便得到了世界各國的普遍關(guān)注，同樣也值得國內(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間，具有布置靈活、使用便利、安全可靠等絕對優(yōu)勢。


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