古云峰

(廣州市公用事業(yè)技師學(xué)院,廣東 廣州 510000)

0 引言

面對(duì)日趨嚴(yán)峻的全球能源危機(jī)及環(huán)境污染問(wèn)題,以及隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐步增強(qiáng),全球范圍內(nèi)越來(lái)越多的汽車廠商加入了新能源汽車的研發(fā)、應(yīng)用行列之中,這推動(dòng)了新能源汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展。 對(duì)于新能源汽車的使用,人們尤為關(guān)注人性化、智能化的問(wèn)題,然而受電池技術(shù)影響,新能源汽車每充完一次電所行使的距離有限,難以保證長(zhǎng)途行駛,由此一定程度上影響了新能源汽車的發(fā)展。 加之大批量新能源汽車接入電網(wǎng),勢(shì)必會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的挑戰(zhàn),所以需要對(duì)新能源汽車開(kāi)展全面深入研究,確保大規(guī)模新能源汽車接入電網(wǎng)不會(huì)對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)有序運(yùn)行造成影響的同時(shí),滿足新能源汽車的充電需求。 傳統(tǒng)有線充電存在易產(chǎn)生火花,漏電引發(fā)安全隱患,充電樁難以滿足汽車數(shù)量較多、規(guī)模較大情況下汽車充電需求等問(wèn)題。 而無(wú)線充電技術(shù)則能有效解決這些問(wèn)題,充電迅速、充電距離遠(yuǎn)、范圍廣也成了無(wú)線充電技術(shù)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。 與此同時(shí),無(wú)線充電技術(shù)的安全性、穩(wěn)定性也更為符合今后新能源汽車行業(yè)的發(fā)展要求[1]。 近年來(lái),無(wú)線充電技術(shù)已在我國(guó)一些城市地區(qū)得到推廣使用,且主要通過(guò)電磁感應(yīng)、電磁共振或其他無(wú)線電能傳輸技術(shù)完成對(duì)新能源汽車的充電。 因此,本文將對(duì)新能源汽車無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行探索研究。

1 無(wú)線充電技術(shù)概述

根本上而言,無(wú)線充電即為對(duì)電磁感應(yīng)原理的應(yīng)用,也就是電流流經(jīng)線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),與磁場(chǎng)接近的線圈會(huì)形成感應(yīng)電流。 變壓器即為利用了電磁感應(yīng)原理的典型設(shè)備,只是其初級(jí)線圈與次級(jí)線圈纏繞于相同鐵氧體上,以此可更好地發(fā)揮磁場(chǎng)作用。 倘若去除鐵氧體,讓初級(jí)線圈、次級(jí)線圈直接于空氣中實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng),這樣一來(lái),變壓器便成了無(wú)線充電設(shè)備的原型[2]。然而鑒于磁場(chǎng)在空氣中會(huì)出現(xiàn)較大的耗損,以此會(huì)很大程度上影響電能傳輸效率,使得無(wú)線充電會(huì)產(chǎn)生極大的成本。 而美國(guó)特斯拉公司研發(fā)的磁場(chǎng)共振技術(shù)很好地解決了該項(xiàng)問(wèn)題,讓無(wú)線傳輸距離有數(shù)厘米延長(zhǎng)至數(shù)米,這一距離能夠很好地滿足新能源汽車的無(wú)線充電需求。

對(duì)于無(wú)線充電的充電方式,主要包括有以下幾種:一是電磁感應(yīng)式充電方式。 電磁感應(yīng)式是將受電線圈裝設(shè)于汽車的底盤之中,將供電線圈裝設(shè)于地面。 當(dāng)電動(dòng)汽車位于供電線圈正上方位置時(shí),供電線圈則會(huì)產(chǎn)生交變電流,利用電磁感應(yīng)使得受電線圈形成電流。電磁感應(yīng)式無(wú)線充電工作原理如圖1 所示。 電磁感應(yīng)式充電方式存在一些不足。 首先,供電距離偏短,倘若兩個(gè)線圈存在較大的橫向偏差,則傳輸效率將會(huì)顯著下降。 就以實(shí)際情況而言,電磁感應(yīng)式充電方式所能實(shí)現(xiàn)的傳輸距離約為10 cm,而汽車底盤與地面間隙通常在10 cm 以上。 其次,耦合輻射問(wèn)題,電磁波耦合會(huì)出現(xiàn)大的磁場(chǎng)泄漏。 電磁感應(yīng)于線圈相互間送電,和磁鐵相似,在外圈會(huì)出現(xiàn)一定的泄漏情況,為此用戶如何免遭影響是需要解決的一大問(wèn)題。 二是磁場(chǎng)共振式充電方式。 磁場(chǎng)共振式,亦可稱之為近場(chǎng)諧振式,主要由能量發(fā)送裝置、能量接收裝置構(gòu)成,在兩大裝置調(diào)節(jié)至統(tǒng)一頻率,抑或在某一特定頻率上共振,兩者即可實(shí)現(xiàn)相互間的能量交換,這一原理與聲波共振原理相似,排列于磁場(chǎng)中的相一致振動(dòng)頻率的線圈,可由一個(gè)線圈向另一個(gè)線圈送電。 當(dāng)前的技術(shù)水平約為直徑0.5 m 的線圈,可在約1 m 的距離提供60 W 的電力。磁場(chǎng)共振式充電方式的主要難點(diǎn)在于小型、高效率化,而小型、高效率也被認(rèn)為是今后最有希望在新能源汽車無(wú)線充電中得到廣泛推廣的一種方式[3]。 三是無(wú)線電波式充電方式。 無(wú)線電波亦可稱之為電磁波,作為一種較為成熟的無(wú)線充電方式,如今得到廣泛推廣的廣播電視等現(xiàn)代通信技術(shù)均是以無(wú)線電波技術(shù)為基礎(chǔ)的,其同時(shí)可傳輸電能,尤其是微波,依托硅整流二極管天線,可將微波轉(zhuǎn)化成電能,轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到約95%。 比如早期推廣的礦石收音機(jī),即在微波發(fā)射裝置、微波接收裝置的支持下,可通過(guò)微型高效接收電路捕捉由障礙物反射回來(lái)的無(wú)線電波,接著將其轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的直流電壓。 但該種充電方式功率偏低,距離偏短,且充電時(shí)間偏長(zhǎng)。

圖1 電動(dòng)汽車電磁感應(yīng)式無(wú)線充電工作原理

2 無(wú)線充電技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

對(duì)于無(wú)線充電技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)而言,主要表現(xiàn)為以下幾大方面:一是傳統(tǒng)充電樁占地面積大,而無(wú)線充電系統(tǒng)既可在停車位上進(jìn)行安裝建設(shè),或鋪設(shè)在停車位土地下方,或安裝于停車位綠化帶區(qū)域,不會(huì)造成額外的土地面積占用。 二是無(wú)線充電系統(tǒng)建設(shè)成本更低,基于現(xiàn)有技術(shù),一套無(wú)線充電裝置建設(shè)成本約為3 萬(wàn)元,在普通大眾可承受范圍內(nèi);同時(shí),無(wú)線充電系統(tǒng)建設(shè)周期也可得到極大縮短,建設(shè)周期在30 天左右,遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)充換電站的建設(shè)周期[4]。 三是無(wú)線充電系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)成本上也得到了很大程度的降低。 以普通燃油汽車為例,百公里燃油成本一般會(huì)超過(guò)60 元,石油企業(yè)會(huì)從該筆油費(fèi)中抽取相應(yīng)部分用作加油站的運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用。 而新能源汽車百公里耗電成本則在10～15 元,去除發(fā)電成本,將無(wú)法抽取出其他費(fèi)用用作充換電站的運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用。 因而,如何降低新能源汽車充電運(yùn)營(yíng)成本是新能源汽車行業(yè)所需解決的一大問(wèn)題。 而通過(guò)引入無(wú)線充電技術(shù),將可實(shí)現(xiàn)停車自動(dòng)充電,不需要配備其他工作人員提供操作指導(dǎo),極大地降低了運(yùn)營(yíng)成本。 四是從用戶體驗(yàn)角度而言,無(wú)線充電技術(shù)更為安全、便捷、綠色。 無(wú)線充電技術(shù)可省去傳統(tǒng)充電環(huán)節(jié)的金屬介質(zhì),這是新能源汽車充電技術(shù)的創(chuàng)新性發(fā)展。 依托智能操作系統(tǒng),無(wú)線充電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制充電甚至自動(dòng)充電,使用戶獲得更為人性化、智能化的使用體驗(yàn)。 另外,無(wú)線充電過(guò)程不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)、觸電等情況,以此可切實(shí)保證充電的安全性、可靠性。 五是無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用可推進(jìn)新能源汽車的輕量化發(fā)展,并使新能源汽車的生產(chǎn)成本得到一定程度降低。 長(zhǎng)期以來(lái),電池密度并未得到明顯提升,為確保新能源汽車的續(xù)航里程,裝置龐大的電池裝置,這樣不僅會(huì)占據(jù)汽車內(nèi)部空間,還會(huì)加大新能源汽車生產(chǎn)成本。 而通過(guò)引入無(wú)線充電技術(shù),則可讓新能源汽車擺脫續(xù)航問(wèn)題,從而一定程度上縮小電池容量及體積,推動(dòng)汽車輕量化發(fā)展的同時(shí),可降低新能源汽車生產(chǎn)成本。

3 新能源汽車充電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 充電樁及充電站數(shù)量有限

相較于新能源汽車的迅猛發(fā)展,充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)沒(méi)有明顯跟上腳步。 依據(jù)新能源汽車與充電樁1 ∶1的標(biāo)準(zhǔn)配置而言,充電基礎(chǔ)設(shè)施仍存在極大的缺口。比如,普通充電主要為交流充電,電壓為220 V,汽車一次性充滿大約要10 小時(shí),倘若電站配備有20 個(gè)充電樁,則一天最多充30 輛汽車,而面臨不斷發(fā)展壯大的新能源汽車行業(yè),對(duì)充電站的需求將只增不減。

3.2 接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一難度大

如今,國(guó)際范圍內(nèi)針對(duì)新能源汽車充電接口主要構(gòu)建有國(guó)際電工委員會(huì)、美國(guó)、歐洲、日本及中國(guó)五大標(biāo)準(zhǔn)體系。 現(xiàn)階段,我國(guó)新能源汽車充電接口主要為中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)兩者并不兼容。 除此之外,選用國(guó)標(biāo)的企業(yè)充電接口標(biāo)準(zhǔn)也存在一定差異。 由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),使得每款新能源汽車不得不配備一個(gè)自己的充電樁,后續(xù)換車意味著同時(shí)要更換充電樁,因?yàn)槌潆姌恫荒芡ㄓ?這樣不僅影響了新能源汽車的推廣,還增加了使用成本。

3.3 充電效率及充電距離有限

因?yàn)閭鬏斁€圈與接收線圈相互間存在相應(yīng)間隙,使得電能傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定程度的損耗,影響傳輸效率。 如今,研發(fā)的無(wú)線充電技術(shù)的傳輸效率可達(dá)到90%,而傳統(tǒng)充電樁的傳輸效率約為95%。 不管是磁感應(yīng)充電還是磁共振充電,其傳電距離都相對(duì)有限,這不僅對(duì)新能源汽車底盤高度提出了較高的要求,還對(duì)駕駛?cè)藛T停車技術(shù)提出了一定考驗(yàn)。

4 無(wú)線充電技術(shù)在新能源汽車中的實(shí)際應(yīng)用

如今無(wú)線充電技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用,以電磁感應(yīng)式、磁耦合共振式兩種最為常見(jiàn)。

4.1 電磁感應(yīng)式在新能源汽車中應(yīng)用

隨著我國(guó)對(duì)新能源汽車研究的不斷推進(jìn),有研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)推出一個(gè)新能源汽車無(wú)線充電系統(tǒng),該系統(tǒng)保持在約為5.5 kW。 盡管無(wú)線充電技術(shù)在新能源汽車中收獲了一定的應(yīng)用成效,但依然存在一系列問(wèn)題,比如,無(wú)線充電技術(shù)對(duì)新能源汽車的充電傳輸距離提出了一定要求,也就是最小充電傳輸距離不可小于20 cm,然而電磁感應(yīng)式技術(shù)的傳輸距離最大不超過(guò)15 cm。 為此,一些研究人員針對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)深入研究,并提出引入脈寬調(diào)變控制,讓新能源汽車的傳輸距離延長(zhǎng)至12～20 cm。 與此同時(shí),還有一些國(guó)外研究人員通過(guò)增大線圈直徑的方式,有效將無(wú)線充電技術(shù)傳輸距離延長(zhǎng)至20 cm 以上[5]。 另外,在磁芯線圈參數(shù)調(diào)節(jié)中,技術(shù)人員還應(yīng)開(kāi)展好對(duì)系統(tǒng)傳輸、空間大小、成本高低等方面的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)工作,因而,現(xiàn)階段大功率、高效率等系統(tǒng)設(shè)計(jì)依然是無(wú)線充電技術(shù)領(lǐng)域所面臨的難題[6]。 但近年來(lái)我國(guó)有研究人員提出了一種磁芯的新結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可有效提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 還有國(guó)外研究人員通過(guò)利用方形圓角線圈結(jié)構(gòu),達(dá)到了無(wú)線充電技術(shù)的千瓦級(jí)別無(wú)線傳輸?shù)哪康摹?/p>

4.2 磁耦合共振式在新能源汽車中應(yīng)用

和電磁感應(yīng)式充電技術(shù)相比,磁耦合共振式充電技術(shù)既具備突出的優(yōu)勢(shì),又表現(xiàn)出一些明顯的不足。其中以頻率失諧、分裂問(wèn)題最為明顯,為解決這些問(wèn)題,國(guó)內(nèi)有研究人員提出頻率失諧的原因主要在于外部溫度、電磁場(chǎng)、系統(tǒng)傳輸距離等因素的轉(zhuǎn)變,使得等效電感應(yīng)出現(xiàn)變化。 基于此,提出對(duì)輸入端電壓電流的多次檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、對(duì)比,分析誤差電壓,進(jìn)一步依托誤差電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)壓控振蕩器的調(diào)控,讓系統(tǒng)保持磁耦合共振狀態(tài)。 還有國(guó)外研究人員提出了擾動(dòng)分析法,也就是先對(duì)初始工作頻率進(jìn)行分析,僅通過(guò)步長(zhǎng)迭代,然后找到相應(yīng)的工作頻率,該種工作頻率尋找的重要前提在于滿足傳輸頻率[7]。 另外,針對(duì)頻率分裂問(wèn)題,國(guó)內(nèi)有研究人員依托不同參數(shù)線圈的設(shè)計(jì)試驗(yàn)得出,通過(guò)不讓系統(tǒng)產(chǎn)生頻率分類的條件,即可解決頻率分裂問(wèn)題。 而有研究人員則提出自動(dòng)匹配阻抗方法,即為通過(guò)將分裂后的工作頻率調(diào)節(jié)至13.56 MHz,從而讓該頻率下的系統(tǒng)可提升傳輸效率[8]。

5 無(wú)線充電技術(shù)及其在新能源汽車中的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展

無(wú)線充電技術(shù)中的輔助系統(tǒng)、電磁屏蔽與保護(hù)技術(shù)等將會(huì)得到持續(xù)研究。 輔助系統(tǒng)技術(shù)是當(dāng)下新能源汽車無(wú)線充電技術(shù)發(fā)展的主要影響因素之一,其不僅技術(shù)難度相對(duì)較大,且需要投入較大的成本,所以直接影響了無(wú)線充電技術(shù)的推廣與普及。 當(dāng)下電磁防護(hù)技術(shù)已經(jīng)可以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的明確要求。 電磁屏蔽技術(shù)尚未成熟,大多數(shù)電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠商沒(méi)有從設(shè)計(jì)時(shí)期就考慮電磁屏蔽這一情況,相信伴隨著電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的開(kāi)發(fā),電磁屏蔽技術(shù)將會(huì)更加成熟。

5.2 無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展

在未來(lái)的發(fā)展中,電動(dòng)汽車的無(wú)線充電技術(shù)可能與自動(dòng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。 從當(dāng)下技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)來(lái)看,要盡可能突出無(wú)線充電的優(yōu)勢(shì),還需要搭配自動(dòng)泊車技術(shù),這樣才能使電動(dòng)汽車無(wú)線充電更加智能、更加高效。 另外,動(dòng)態(tài)無(wú)線充電也成了無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。 早在2017 年高通公司就完成了電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中的無(wú)線充電測(cè)試,這一技術(shù)通過(guò)在道路上裝設(shè)感應(yīng)充電設(shè)備,讓車輛可以在道路上進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)線充電。 相信經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展,動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)距離正式投入使用指日可待。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,現(xiàn)階段我國(guó)新能源汽車無(wú)線充電技術(shù)仍處在初級(jí)發(fā)展階段,還有待進(jìn)一步發(fā)展提升。 新能源汽車電池壽命偏短,新能源汽車無(wú)線充電技術(shù)面臨著諸多發(fā)展瓶頸,其中成本問(wèn)題、傳輸距離問(wèn)題是影響其推廣的重要問(wèn)題。 未來(lái)無(wú)線充電技術(shù)將不斷向動(dòng)態(tài)充電、智能駕駛相結(jié)合方向發(fā)展。