电动车的三种非接触式充电方式解析

导语

当国内开始大张旗鼓地建设有线充电桩和充电站时,国外涌现出了三种无线充电装置,无线充电装置有哪些类型呢?

  电动车的充电装置相当于汽车燃料的加注站,可以通过反复充电提供车辆持续运行的能源。当国内开始大张旗鼓地建设有线充电桩和充电站时,国外涌现出了三种非接触式电动车充电装置,并不同程度地进入了商业化运营。非接触充电装置有哪些类型?基本工作原理是什么?它的充电效率、安全性、便利性如何?这些,都是人们所关注的。

  非接触充电装置的类型

  非接触充电装置有电磁感应、磁共振、微波三种方式。

  非接触充电装置的优势

  与电动车相比,传统燃料汽车不仅在使用便利性、整备质量、续驶能力、制造和使用成本等方面存在着诸多优势,而且补充燃料时也无需消耗更多的时间。

  电动车不仅充电时间长,并且更换电池或利用充电桩等通过电缆充电等模式,的确存在操作上的不便。并且雨天作业的安全性问题,更是令人担忧。

  非接触充电装置不需要用电缆将车辆与供电系统连接,便可以直接对其进行快速充电。加之非接触快速充电能够布置在停车场、住宅、路边等多种场所,又可以为各种类型的电动(包括外充电式混合动力)汽车提供充电服务,使电动车随时随地充电变为可能。对于公交车,可以将充电设施布置在终点站、枢纽站、换乘站等地点,利用短暂的停车时间便可以完成快速充电。

  非接触充电装置的工作原理

  一、电磁感应方式

  电磁感应通过送电线圈和接收线圈之间传输电力,是最接近实用化的一种充电方式。当送电线圈中有交变电流通过时,发送(初级)、接收(次级)两线圈之间产生交替变化的磁束,由此在次级线圈产生随磁束变化的感应电动势,通过接收线圈端子对外输出交变电流。

a)电力传送基本原理

b)实际布线方式

  电磁感应方式的基本工作原理

  目前存在的问题是:送电距离比较短(约100mm左右),并且送电与接受两部分出现较大偏差时,则电力传输效率就会明显下降;功率大小与线圈尺寸直接相关,需要大功率传送电力时,须在基础设施建设和电力设备方面加大投入。

  二、磁共振方式

  磁共振传送方式由美国麻省理工学院(MIT)于2007年研制成功,公诸于世以来,一直备受世界各国的普遍关注。

  它主要由电源、电力输出、电力接收、整流器等主要部分组成,基本原理与电磁感应方式基本相同。电源传送部分有电流通过时,所产生的交变磁束使接收部分产生电势,为电池充电时输出电流。

  不同之处在于,磁共振方式加装了一个高频驱动电源,采用兼备线圈和电容器的LC共振电路,而并非由简单线圈构成送电和接收两个单元。

  磁共振方式的基本工作原理

  共振频率的数值,会随送电与接收单元之间距离的变化而改变。当传送距离发生改变时,传输效率也会像电磁感应一样迅速降低。为此,可通过控制电路调整共振频率,使两个单元的电路发生共振亦即”共鸣”。所以,也称这种磁共振状态为”磁共鸣”。

  在控制回路的作用下改变传送与接收的频率,可将电力传送距离增大至数米左右,同时将两单元电路的电阻降至最小以提高传送效率。

  当然,传输效率还与发送与接收电单元的直径相关,传送面积越大,传输效率也越高。目前的传输距离可达400mm左右,传输效率可达95%。

  三、微波方式

  使用2.45GHz的电波发生装置传送电力,发送装置与微波炉使用的”磁控管”基本相同。传送的微波也是交流电波,可用天线在不同方向接收,用整流电路转换成直流电为汽车电池充电,并且可以实现一点对多点的远距离传送。

微波方式可以同时一点对多点的远距离传送

  为防止充电时微波外漏,充电部部分装有金属屏蔽装置。使用中,送电与接收之间的有效屏蔽可防止微波外漏。

  目前存在的主要的问题是,磁控管产生微波时的效率过低,造成许多电力变为热能被白白消耗。

  非接触充电装置在日本的应用

  2009年7月,日产与昭和飞行机公司公开了电磁感应式非接触充电系统,其传输距离为100mm左右,传输效率可达90%。

  但是,当停车位置出现偏差而导致发送与接收盘之间出现较大误差时,则会严重影响电力传送效率。目前,正在致力于停车的横、纵向偏差在200~300mm范围,同样确保其具有90%以上传输效率的研究。

a) 充电工作状态,图中上为车载部分,下为传送部分

b) 车载接收装置总成

  昭和飞行机公司研制的电磁感应式非接触充电装置

  此外,上述两家公司对传送、接收之间进入动物以及金属碎片等造成的不良影响也进行了研究。因为,这类异物会在二者之间产生涡流,从而导致发热并影响传送效率。

  长野日本无线公司,于2009年8月宣布开发出了基于磁共振的充电系统。与电磁感应方式相比,磁共振方式具有传送距离长、停车误差要求低等优点。可以在600mm的传输距离内确保90%的传送效率。但目前的传送功率还比较小(约1kW左右),拟定从叉车等使用范围进入市场,伴随着技术成熟程度和传送功率的提高,有望很快进入电动车电充电领域。

  三菱重工业开发的微波式非接触充电系统,将一组共48个硅整流二极管作为接收天线,每个硅整流二极管可产生20V的电压和一定的直流电,能够将电压提升至充电所需的指标并可实现1kW的功率输出。其优点是成本低,整套费用约合人民币2万元左右。缺点是传输效率低,目前的传送效率只有38%。对此,三菱重工认为:”虽不适于快速充电,但作为夜间谷区充电,电费只有传统燃料费的10%~20%。如果将发热过大的磁控管用于生活用水加热,则综合效率可到70%。此外,在安全方面也有防止微波泄露装置,使用中不会给车辆上的电子设备和周边人员身上的起搏器造成影响。

  非接触充电方式一经问世,便得到了世界各国的普遍关注,同样也值得国内同行学习与借鉴。与充电站、充电桩的建设投资相比成本较低,并且免去了接线所需的操作和等待的时间,具有布置灵活、使用便利、安全可靠等绝对优势。

  ( 编辑/辛迪嘉 )

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