无线技术在新能源汽车能源补给中的应用

古云峰

(广州市公用事业技师学院,广东 广州 510000)

0 引言

面对日趋严峻的全球能源危机及环境污染问题,以及随着人们环境保护意识的逐步增强,全球范围内越来越多的汽车厂商加入了新能源汽车的研发、应用行列之中,这推动了新能源汽车行业的迅猛发展。 对于新能源汽车的使用,人们尤为关注人性化、智能化的问题,然而受电池技术影响,新能源汽车每充完一次电所行使的距离有限,难以保证长途行驶,由此一定程度上影响了新能源汽车的发展。 加之大批量新能源汽车接入电网,势必会对电网稳定运行带来极大的挑战,所以需要对新能源汽车开展全面深入研究,确保大规模新能源汽车接入电网不会对传统电网有序运行造成影响的同时,满足新能源汽车的充电需求。 传统有线充电存在易产生火花,漏电引发安全隐患,充电桩难以满足汽车数量较多、规模较大情况下汽车充电需求等问题。 而无线充电技术则能有效解决这些问题,充电迅速、充电距离远、范围广也成了无线充电技术的重点研究内容。 与此同时,无线充电技术的安全性、稳定性也更为符合今后新能源汽车行业的发展要求[1]。 近年来,无线充电技术已在我国一些城市地区得到推广使用,且主要通过电磁感应、电磁共振或其他无线电能传输技术完成对新能源汽车的充电。 因此,本文将对新能源汽车无线充电技术应用进行探索研究。

1 无线充电技术概述

根本上而言,无线充电即为对电磁感应原理的应用,也就是电流流经线圈会产生磁场,与磁场接近的线圈会形成感应电流。 变压器即为利用了电磁感应原理的典型设备,只是其初级线圈与次级线圈缠绕于相同铁氧体上,以此可更好地发挥磁场作用。 倘若去除铁氧体,让初级线圈、次级线圈直接于空气中实现电磁感应,这样一来,变压器便成了无线充电设备的原型[2]。然而鉴于磁场在空气中会出现较大的耗损,以此会很大程度上影响电能传输效率,使得无线充电会产生极大的成本。 而美国特斯拉公司研发的磁场共振技术很好地解决了该项问题,让无线传输距离有数厘米延长至数米,这一距离能够很好地满足新能源汽车的无线充电需求。

对于无线充电的充电方式,主要包括有以下几种:一是电磁感应式充电方式。 电磁感应式是将受电线圈装设于汽车的底盘之中,将供电线圈装设于地面。 当电动汽车位于供电线圈正上方位置时,供电线圈则会产生交变电流,利用电磁感应使得受电线圈形成电流。电磁感应式无线充电工作原理如图1 所示。 电磁感应式充电方式存在一些不足。 首先,供电距离偏短,倘若两个线圈存在较大的横向偏差,则传输效率将会显著下降。 就以实际情况而言,电磁感应式充电方式所能实现的传输距离约为10 cm,而汽车底盘与地面间隙通常在10 cm 以上。 其次,耦合辐射问题,电磁波耦合会出现大的磁场泄漏。 电磁感应于线圈相互间送电,和磁铁相似,在外圈会出现一定的泄漏情况,为此用户如何免遭影响是需要解决的一大问题。 二是磁场共振式充电方式。 磁场共振式,亦可称之为近场谐振式,主要由能量发送装置、能量接收装置构成,在两大装置调节至统一频率,抑或在某一特定频率上共振,两者即可实现相互间的能量交换,这一原理与声波共振原理相似,排列于磁场中的相一致振动频率的线圈,可由一个线圈向另一个线圈送电。 当前的技术水平约为直径0.5 m 的线圈,可在约1 m 的距离提供60 W 的电力。磁场共振式充电方式的主要难点在于小型、高效率化,而小型、高效率也被认为是今后最有希望在新能源汽车无线充电中得到广泛推广的一种方式[3]。 三是无线电波式充电方式。 无线电波亦可称之为电磁波,作为一种较为成熟的无线充电方式,如今得到广泛推广的广播电视等现代通信技术均是以无线电波技术为基础的,其同时可传输电能,尤其是微波,依托硅整流二极管天线,可将微波转化成电能,转化效率可达到约95%。 比如早期推广的矿石收音机,即在微波发射装置、微波接收装置的支持下,可通过微型高效接收电路捕捉由障碍物反射回来的无线电波,接着将其转化成稳定的直流电压。 但该种充电方式功率偏低,距离偏短,且充电时间偏长。

图1 电动汽车电磁感应式无线充电工作原理

2 无线充电技术在新能源汽车中的应用优势

对于无线充电技术在新能源汽车中的应用优势而言,主要表现为以下几大方面:一是传统充电桩占地面积大,而无线充电系统既可在停车位上进行安装建设,或铺设在停车位土地下方,或安装于停车位绿化带区域,不会造成额外的土地面积占用。 二是无线充电系统建设成本更低,基于现有技术,一套无线充电装置建设成本约为3 万元,在普通大众可承受范围内;同时,无线充电系统建设周期也可得到极大缩短,建设周期在30 天左右,远低于传统充换电站的建设周期[4]。 三是无线充电系统在运营成本上也得到了很大程度的降低。 以普通燃油汽车为例,百公里燃油成本一般会超过60 元,石油企业会从该笔油费中抽取相应部分用作加油站的运营管理费用。 而新能源汽车百公里耗电成本则在10～15 元,去除发电成本,将无法抽取出其他费用用作充换电站的运营管理费用。 因而,如何降低新能源汽车充电运营成本是新能源汽车行业所需解决的一大问题。 而通过引入无线充电技术,将可实现停车自动充电,不需要配备其他工作人员提供操作指导,极大地降低了运营成本。 四是从用户体验角度而言,无线充电技术更为安全、便捷、绿色。 无线充电技术可省去传统充电环节的金属介质,这是新能源汽车充电技术的创新性发展。 依托智能操作系统,无线充电系统可实现远程控制充电甚至自动充电,使用户获得更为人性化、智能化的使用体验。 另外,无线充电过程不存在机械运动、触电等情况,以此可切实保证充电的安全性、可靠性。 五是无线充电技术应用可推进新能源汽车的轻量化发展,并使新能源汽车的生产成本得到一定程度降低。 长期以来,电池密度并未得到明显提升,为确保新能源汽车的续航里程,装置庞大的电池装置,这样不仅会占据汽车内部空间,还会加大新能源汽车生产成本。 而通过引入无线充电技术,则可让新能源汽车摆脱续航问题,从而一定程度上缩小电池容量及体积,推动汽车轻量化发展的同时,可降低新能源汽车生产成本。

3 新能源汽车充电技术应用现状

3.1 充电桩及充电站数量有限

相较于新能源汽车的迅猛发展,充电基础设施建设没有明显跟上脚步。 依据新能源汽车与充电桩1 ∶1的标准配置而言,充电基础设施仍存在极大的缺口。比如,普通充电主要为交流充电,电压为220 V,汽车一次性充满大约要10 小时,倘若电站配备有20 个充电桩,则一天最多充30 辆汽车,而面临不断发展壮大的新能源汽车行业,对充电站的需求将只增不减。

3.2 接口标准统一难度大

如今,国际范围内针对新能源汽车充电接口主要构建有国际电工委员会、美国、欧洲、日本及中国五大标准体系。 现阶段,我国新能源汽车充电接口主要为中国标准和美国标准,同时两者并不兼容。 除此之外,选用国标的企业充电接口标准也存在一定差异。 由于缺乏统一的标准,使得每款新能源汽车不得不配备一个自己的充电桩,后续换车意味着同时要更换充电桩,因为充电桩不能通用,这样不仅影响了新能源汽车的推广,还增加了使用成本。

3.3 充电效率及充电距离有限

因为传输线圈与接收线圈相互间存在相应间隙,使得电能传输时会出现一定程度的损耗,影响传输效率。 如今,研发的无线充电技术的传输效率可达到90%,而传统充电桩的传输效率约为95%。 不管是磁感应充电还是磁共振充电,其传电距离都相对有限,这不仅对新能源汽车底盘高度提出了较高的要求,还对驾驶人员停车技术提出了一定考验。

4 无线充电技术在新能源汽车中的实际应用

如今无线充电技术在新能源汽车中的应用,以电磁感应式、磁耦合共振式两种最为常见。

4.1 电磁感应式在新能源汽车中应用

随着我国对新能源汽车研究的不断推进,有研究团队研发推出一个新能源汽车无线充电系统,该系统保持在约为5.5 kW。 尽管无线充电技术在新能源汽车中收获了一定的应用成效,但依然存在一系列问题,比如,无线充电技术对新能源汽车的充电传输距离提出了一定要求,也就是最小充电传输距离不可小于20 cm,然而电磁感应式技术的传输距离最大不超过15 cm。 为此,一些研究人员针对这一问题展开深入研究,并提出引入脉宽调变控制,让新能源汽车的传输距离延长至12～20 cm。 与此同时,还有一些国外研究人员通过增大线圈直径的方式,有效将无线充电技术传输距离延长至20 cm 以上[5]。 另外,在磁芯线圈参数调节中,技术人员还应开展好对系统传输、空间大小、成本高低等方面的设计调节工作,因而,现阶段大功率、高效率等系统设计依然是无线充电技术领域所面临的难题[6]。 但近年来我国有研究人员提出了一种磁芯的新结构,该结构可有效提升系统的稳定性。 还有国外研究人员通过利用方形圆角线圈结构,达到了无线充电技术的千瓦级别无线传输的目的。

4.2 磁耦合共振式在新能源汽车中应用

和电磁感应式充电技术相比,磁耦合共振式充电技术既具备突出的优势,又表现出一些明显的不足。其中以频率失谐、分裂问题最为明显,为解决这些问题,国内有研究人员提出频率失谐的原因主要在于外部温度、电磁场、系统传输距离等因素的转变,使得等效电感应出现变化。 基于此,提出对输入端电压电流的多次检测数据进行记录、对比,分析误差电压,进一步依托误差电压实现对压控振荡器的调控,让系统保持磁耦合共振状态。 还有国外研究人员提出了扰动分析法,也就是先对初始工作频率进行分析,仅通过步长迭代,然后找到相应的工作频率,该种工作频率寻找的重要前提在于满足传输频率[7]。 另外,针对频率分裂问题,国内有研究人员依托不同参数线圈的设计试验得出,通过不让系统产生频率分类的条件,即可解决频率分裂问题。 而有研究人员则提出自动匹配阻抗方法,即为通过将分裂后的工作频率调节至13.56 MHz,从而让该频率下的系统可提升传输效率[8]。

5 无线充电技术及其在新能源汽车中的发展趋势

5.1 无线充电技术的发展

无线充电技术中的辅助系统、电磁屏蔽与保护技术等将会得到持续研究。 辅助系统技术是当下新能源汽车无线充电技术发展的主要影响因素之一,其不仅技术难度相对较大,且需要投入较大的成本,所以直接影响了无线充电技术的推广与普及。 当下电磁防护技术已经可以满足国家标准的明确要求。 电磁屏蔽技术尚未成熟,大多数电动汽车生产厂商没有从设计时期就考虑电磁屏蔽这一情况,相信伴随着电动汽车无线充电技术的开发,电磁屏蔽技术将会更加成熟。

5.2 无线充电技术应用的发展

在未来的发展中,电动汽车的无线充电技术可能与自动技术进行结合。 从当下技术发展状态来看,要尽可能突出无线充电的优势,还需要搭配自动泊车技术,这样才能使电动汽车无线充电更加智能、更加高效。 另外,动态无线充电也成了无线充电技术的发展趋势之一。 早在2017 年高通公司就完成了电动汽车在行驶过程中的无线充电测试,这一技术通过在道路上装设感应充电设备,让车辆可以在道路上进行动态无线充电。 相信经过几年的发展,动态无线充电技术距离正式投入使用指日可待。

6 结语

综上所述,现阶段我国新能源汽车无线充电技术仍处在初级发展阶段,还有待进一步发展提升。 新能源汽车电池寿命偏短,新能源汽车无线充电技术面临着诸多发展瓶颈,其中成本问题、传输距离问题是影响其推广的重要问题。 未来无线充电技术将不断向动态充电、智能驾驶相结合方向发展。