吳新宇　劉望

摘 要：本文以基于無(wú)線智能充電道路的電動(dòng)汽車(chē)為研究對(duì)象，采用對(duì)比分析、仿真設(shè)計(jì)等方法，研究無(wú)線充電、儲(chǔ)能技術(shù)。提出了一種解決電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程短及充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題的方法，使汽車(chē)可以實(shí)現(xiàn)邊行駛邊充電，最終達(dá)到零充電時(shí)間、無(wú)限續(xù)航的目的。

關(guān)鍵詞：道路無(wú)線充電技術(shù) 零充電時(shí)間 無(wú)限續(xù)航

Automatic driving system based on wireless intelligent charging road

Wu Xinyu Liu Wang

Abstract：This article takes electric vehicles based on wireless intelligent charging roads as the research object， and uses comparative analysis， simulation design and other methods to study wireless charging and energy storage technologies. This subject aims to propose a method to solve the problems of short cruising range and long charging time of electric vehicles， so that the car can be charged while driving， and finally achieve the purpose of zero charging time and unlimited battery life.

Key words：road wireless charging technology; zero charging time; unlimited battery life; automatic driving

1 引言

全球近四分之一的能源用于交通運(yùn)輸，以現(xiàn)有技術(shù)要想解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，最佳選擇無(wú)疑是電能全面取代化石燃油的交通能源新格局。相比于充電樁，無(wú)線充電裝置的建設(shè)投入成本更加低，其中最顯著優(yōu)勢(shì)是無(wú)線充電裝置不受場(chǎng)地等因素的影響，也不占用任何空間，使得布局更加簡(jiǎn)易靈活。

本課題旨在于解決電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力不足及充電耗時(shí)時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)的是無(wú)限續(xù)航、充電時(shí)間為零，從而使電動(dòng)汽車(chē)普遍被人們所接受，從而逐步替代傳統(tǒng)燃油汽車(chē)。

2 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)新能源汽車(chē)發(fā)展中遇到的問(wèn)題，本課題提出了一種簡(jiǎn)易解決電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程短及充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題的方法，采用互感式道路無(wú)線充電技術(shù)，汽車(chē)與道路進(jìn)行通信，當(dāng)檢測(cè)到有電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)時(shí)，發(fā)射線圈通電，電動(dòng)車(chē)接收端把磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆?chǔ)存，實(shí)現(xiàn)邊行駛邊充電的目的。

通過(guò)對(duì)比電磁感應(yīng)、磁共振、無(wú)線電波三種無(wú)線充電方案，在目前技術(shù)發(fā)展水平上磁感式無(wú)線充電技術(shù)顯然占據(jù)較大優(yōu)勢(shì)，充電功率高達(dá)數(shù)千瓦已經(jīng)完全滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)充電功率需求，在能量轉(zhuǎn)化效率上是最高的，能量轉(zhuǎn)化效率通常可達(dá)到95%以上，工藝性較低，可大規(guī)模生產(chǎn)。

綜合各類(lèi)動(dòng)力電池優(yōu)缺點(diǎn)分析，本課題儲(chǔ)能裝置最終選擇為超級(jí)電容為一級(jí)儲(chǔ)能裝置，其原因如下：大單體充放電電流可達(dá)到1000A，充電時(shí)間只需幾秒支持超級(jí)快充技術(shù)，不受大電流沖擊影響，放電循環(huán)壽命高達(dá)數(shù)百萬(wàn)次，尤其適用于這種道路點(diǎn)鋪設(shè)無(wú)線充電的間斷性大電流充電，物理儲(chǔ)能能量效率近100%，自放率高;電容型三元鋰池（電池三元鋰電池并聯(lián)電容，降低大電流對(duì)鋰電池使用壽命影響）為二級(jí)儲(chǔ)能裝置直接作為電動(dòng)汽車(chē)供能裝置，自放率低可以彌補(bǔ)超級(jí)電容缺陷，在電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)期不使用的情況下仍然能夠保持充足電量。

3 設(shè)計(jì)原理

3.1 無(wú)線充電道路模型

無(wú)線充電道路模型：智能無(wú)線充電道路中間鋪設(shè)有電磁信號(hào)線，進(jìn)行發(fā)射電磁導(dǎo)航信號(hào);電磁信號(hào)線兩旁裝設(shè)電纜及無(wú)線充電發(fā)射端和無(wú)線通信裝置，檢測(cè)到有電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)時(shí)，電纜發(fā)射電磁信號(hào)，智能汽車(chē)接收端把磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆?chǔ)存，實(shí)現(xiàn)邊行駛邊充電的目的。智能無(wú)線充電道路如圖1所示。

3.2 最高充電效率模型

研究最高充電效率模型：此模型建立的基本原理是電磁互感效應(yīng)，考慮到電流的“趨膚效應(yīng)”為進(jìn)一步降低導(dǎo)線內(nèi)阻，在線圈選擇時(shí)應(yīng)以較細(xì)導(dǎo)線多股纏繞為宜，發(fā)射線圈用直徑為1.1mm的漆包線多股繞制并聯(lián)4.6nF電容完成電流諧振，諧振電壓為12V，640kHz交流電。

確定發(fā)射線圈與接收線圈效率最高位置，接收端線圈（內(nèi)徑70mm外徑93mm），發(fā)射端線圈（直徑260mm），輸出功率：P=UI，在輸出功率一定時(shí)，接受端線圈電流與電壓成反比，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)接受端線圈與發(fā)射端線圈在一定范圍內(nèi)隨著接收端線圈高度增加電壓升高，電流減小，接收端線圈距離發(fā)射端線圈-5～5cm的高度時(shí)傳輸功率最大，根據(jù)電流、電壓計(jì)算出內(nèi)阻，再通過(guò)接收端線圈電流、電壓計(jì)算出接收端功率P2=U2I2。

通過(guò)MATLAB控制電子升降臺(tái)和電子負(fù)載，利用步進(jìn)電機(jī)控制接收端線圈沿直徑方向勻速移動(dòng)，可以測(cè)量出接收線圈每一個(gè)位置的電壓-電流，進(jìn)行繪制的無(wú)線充電效率測(cè)試圖如圖2所示。

綜上分析可知接收線圈并不是處于發(fā)射端線圈正中心位置時(shí)傳輸效率最高，而是在偏離接收端線圈中心位置處50mm輸出功率最大。

3.3 無(wú)線充電自動(dòng)調(diào)整裝置

無(wú)線充電自動(dòng)調(diào)整裝置主要包括：無(wú)線充電接收線圈、X軸滑軌、Y軸滑軌、電動(dòng)滑輪。本裝置設(shè)計(jì)目的保證無(wú)線充電裝置時(shí)刻處于能量傳輸效率最佳狀態(tài)，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)論，設(shè)定無(wú)線充電高效充電區(qū)域，并以此區(qū)域邊界處的沖電效率作為閾值，無(wú)線充電自動(dòng)調(diào)整裝置安裝在汽車(chē)底盤(pán)處，接收線圈可以沿著X軸滑軌和Y軸滑軌自由移動(dòng)，當(dāng)接收線圈充電效率大于等于閾值時(shí)，處理器判斷接收線圈進(jìn)入高效充電區(qū)域，此時(shí)電動(dòng)滑輪停止運(yùn)轉(zhuǎn);若接收線圈充電效率小于閾值時(shí)，電動(dòng)滑輪不斷沿著X軸滑軌和Y軸滑軌以平面掃描方式運(yùn)動(dòng)直到進(jìn)入高效充電區(qū)域?yàn)橹?，所以無(wú)線充電自動(dòng)調(diào)整裝置能夠自動(dòng)追蹤最佳充電效率，無(wú)線充電自動(dòng)調(diào)整裝置如圖3所示。

3.4 儲(chǔ)能方案選擇

采用超級(jí)電容直接從道路獲能，電能累積達(dá)到設(shè)定值后給電容型三元鋰電池充電，使電池組使用壽命進(jìn)一步增加。根據(jù)電容充放電特性：電壓越高電容自放速率就越快，電容在一定的放電條件下隨著放電時(shí)間增加電壓降低的速率逐漸減緩。

根據(jù)以上特性，本課題設(shè)計(jì)使用四個(gè)100F的法拉電容進(jìn)行串聯(lián)連接，電容的額定電壓為2.7V、耐壓值3.3V。由于電容單體擊穿電壓非常低，通常都會(huì)設(shè)計(jì)防過(guò)充過(guò)壓保護(hù)電路如圖4所示。根據(jù)超級(jí)電容放電規(guī)律，要想充分利用超級(jí)電容內(nèi)儲(chǔ)存的電能，不能直接穩(wěn)壓輸出而是采取先升壓再穩(wěn)壓的策略，其目的是最大可能把超級(jí)電容中的電能釋放出來(lái)，升壓模塊如圖5所示。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有的各類(lèi)無(wú)線充電技術(shù)方案，選擇互感式無(wú)線充電技術(shù)。用CAD軟件繪制無(wú)線充電道路模型、研究無(wú)線充電高效率模型，自動(dòng)調(diào)整裝置使充電效率時(shí)刻保持最佳狀態(tài)。設(shè)計(jì)無(wú)線充電自動(dòng)調(diào)整裝置，使充電效率時(shí)刻保持最佳狀態(tài)。分析各類(lèi)儲(chǔ)能裝置優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)最優(yōu)儲(chǔ)能方案，超級(jí)電容為一級(jí)儲(chǔ)能裝置，電容型三元鋰池為二級(jí)儲(chǔ)能裝置。通過(guò)Altium Designer 14.3軟件對(duì)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使其在安全范圍內(nèi)充分釋放出電能，進(jìn)一步提高能量利用率。

參考文獻(xiàn)：

[1]周路菡.互聯(lián)網(wǎng)+：告別新能源汽車(chē)充電難[J].新經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2015（05）：19-22.

[2]馬杰.民用建筑電動(dòng)汽車(chē)充電樁設(shè)計(jì)要點(diǎn)簡(jiǎn)析[J].山西建筑，2017，43（13）：128-129.

[3]劉傳富. 新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中政府扶持的研究[D].西南大學(xué)，2015.

[4]孔祥記.電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電子制作，2017（12）：13-15.

[5]崔威. 保定某城區(qū)電動(dòng)汽車(chē)充電站設(shè)計(jì)與電網(wǎng)接入研究[D].華北電力大學(xué)，2016.

[6]程慧. 兩點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員轉(zhuǎn)向模型研究[D].南京航空航天大學(xué)，2016.

[7]牛祿青.無(wú)線充電? 拯救電動(dòng)汽車(chē)？[J].新經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016（07）：22-26.

[8]彭笠. 基于積分方程法的電法測(cè)井響應(yīng)數(shù)值計(jì)算研究[D].電子科技大學(xué)，2012.

[9]趙耀. 2kW鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué)，2018.

[10]杜睿，陳濤，翟毅.船舶推進(jìn)鋰電池應(yīng)用探討[J].船舶，2018，29（S1）：146-150.

[11]王勝利. 鋰電池模擬器的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué)，2017.

[12]虞跨海，李長(zhǎng)浩，程永周.鋰離子儲(chǔ)能電池放電熱行為仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].電源技術(shù)，2016，40（01）：63-66+134.

[13]劉芳. 基于DSP的組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究[D].南京理工大學(xué)，2007.