无线电充电

东方汽车网2013-08-19作者:上海禾未新能源科技有限公司刘波张鹏李君动力蓄电池的充电方法包括接触式充电和无线充电。接触式充电采用插头与插座的金属接触来导电；无线充电或称无线供电WPT(WirelessPowerTransmission)，是以耦合的电磁场为媒介实现电能传递。对于电动车用无线充电，即将变压器原、副边绕组分置于车外和车内，通过高频磁场的耦合传输电能。对电动汽车无线充电技术的巨大需求使得相关技术的研发应用相当活跃。典型的应用包括新西兰国家地热公园的30kW旅客电动运输车、美国洛杉矶的无线充电移动充电实验公路，以及韩国销售的配有车载无线充电手机充电器的宝马7系列轿车等。日产聆风、雪佛兰沃蓝达和三菱CA-MiEV概念车均拟应用无线充电技术。无线充电技术及原理1.电磁感应式无线充电电磁感应式无线充电是一种基于电磁感应原理、利用原、副边分离的变压器进行较近距离无线电能传输的技术。该技术目前已商业化，广泛应用于消费类电子产品及大功率无线供电系统。另一方面，电磁感应式无线充电还存在一系列问题：传输距离较短，一旦距离增大，效率急剧下降；当非接触变压器的原边与副边横向偏差较大，即发生错位时，传输效率明显下降；此外，如果原/副边之间有异物进入，将会产生涡流，导致发热。2.电磁共振式无线充电电磁共振式无线充电，是美国麻省理工学院的研究小组在2007年提出的突破性技术。他们使用一对具备LC电路特性的线圈(变压器)在距离2m处，成功点亮了一个功率60W的灯泡。该技术成功解决了电磁感应式无线充电技术存在的问题——即使变压器的原、副边绕组相互垂直时，电路仍能高效输出；该技术利用磁场“共鸣”方式，只需合理设置激励频率，即可向指定电器供电，安全性得到提高。电磁共振式无线充电实现了磁场的高效率耦合和中等距离能量的高效传递，是当前的研究热点。然而，目前主要为实验研究，缺乏对应用、工程设计有定量指导意义的研究成果。已知利用该技术实现传输的最大功率为100W，尚未用于电动车充电。3.无线电波式无线充电所谓无线电波式无线充电，就是以微波(频率在300MHz~300GHz之间的电磁波)为载体在自由空间无线传输电磁能量。利用微波源将电能转变为微波，由天线发射，经长距离的传播后再由天线接收，最后经微波整流器等重新转换为电能使用。由于电磁波全向辐射，电磁场能量随距离增加而迅速减小，因此该方式并不太适合于功率传输场合；且因其频率高，带来的系统损耗使微波无线充电的传输效率进一步下降。三菱重工尝试开发基于微波的电动汽车充电系统，其能量传输效率仅有38%。目前可查采用微波方式向电动汽车无线供电的最高变压器效率为76%，传输距离为90mm。由此可见，该技术并不适合于大功率、中等传输距离的电动车充电。综上所述，在中等距离场合，电磁感应式无线充电和电磁共振式无线充电的传输效率较高，更适合于电动车充电。电动汽车用无线充电关键技术1.转换器拓扑非接触变压器漏感大、激磁电感小。要提高转换效率，逆变器和整流电路中应加入多元件谐振网络，对漏感、激磁电感分别补偿。有研究者基于互感模型和基波分析法，对外加两个电容、四种补偿方式(简称为串/串、串/并、并/串、并/并补偿)的频率特性进行了系统研究，指出：副边串联补偿，输出特性类似于电压源；副边并联补偿，输出特性类似于电流源，对负载变化不敏感，但轻载环流较大。2.转换器控制方法与普通谐振转换器类似，非接触谐振转换器也有变频、恒频脉冲宽度调制(PWM)、锁相环控制等多种控制方法。要实现高效转换和有效控制，控制策略应兼顾软开关、低环流、恒压或恒流控制，难度较大。对于大功率转换，可采用非接触谐振转换器及DC/DC两级转换结构，由DC/DC转换器来调节输出，非接触谐振转换器采用锁相环控制保证低环流和软开关。3.非接触变压器的设计非接触变压器是非接触充电器中的核心元件，图5~图6给出目前电动汽车的两种非接触充电方式和对应的非接触变压器结构示意图：①适于人工操作的手持插入式充电，SAEJ-1773给出其变压器方案，如图5(b)所示，并用于通用EV1车型。将变压器原边绕组和部分磁芯(嵌在中部)作为可活动的手持部分，当手持部分插入磁芯间隙，则构成变压器；且原边被副边绕组夹绕，实现了“非接触”和变压器的紧耦合。由于该变压器的耦合系数k高，易于实现高效率——输出功率1kW时，DC-DC转换效率可达到90%。该方案利用手持部分，使充电站与电动汽车无电气连接，但实际充电时变压器的原、副边仍为紧耦合，且无法实现自动或移动充电，不能起到应用无线充电减少电动车蓄电池能量和汽车自重的作用。②全分离型充电方式，如图6所示，这种方式可实现自动和移动充电，是理想的非接触充电方式。静止充电用变压器的气隙通常在10~50mm，移动充电用变压器的气隙可达到150mm，甚至更大。根据对图5(b)所示结构的变压器的分析结果，磁芯横向尺寸与气隙比值L/g越大k越高。由于g相对较大，这种非接触变压器的k较低，变压器及转换器效率较低，一般系统效率低于70%甚至小于50%。目前可查最好的实验结果为：输出功率2kW，系统效率为82%。补偿电路和控制策略虽然能有效降低电路的无功损耗和开关损耗，却对提高变压器的效率无能为力。因此，提高变压器耦合系数k成为提高电磁感应式非接触转换器效率的关键所在。为了提高k，以增大磁芯体积和重量为代价，但过大的体积重量削弱了其实用价值。如何提高变压器的k，并减小其体积重量，成为无线充电技术的研究难点。提高无线充电传输效率的技术研究1.基于电磁感应式无线充电技术要提高非接触变压器的能量传输效率，可从两方面进行：一是提高非接触变压器的耦合系数；二是解决移动充电系统中的“磁通分布不均”问题，使得不同位置的车辆均能得到有效的磁通耦合，提高系统电能转换效率。(1)提高非接触变压器耦合系数图7所示的变压器，磁芯结构通过增加原副边磁芯正对面积，提高全耦合磁通的比例，提高了耦合系数；将磁芯边沿的扩展部分限制在边柱的底部，因而在获得高耦合系数的同时显著降低变压器的体积重量，相同测试条件，相近的k，磁芯重量从122g减小到约60g。此结构的新型非接触变压器用于小功率的人体植入式非接触电能传输系统，该优化思路同样适用于大功率电动汽车无线供电。与常规变压器相比，非接触变压器的磁芯主要用于约束磁通，提高磁通耦合能力。但磁芯的加入，必然使变压器的重量大大增加。为此，研究人员直接使用空心变压器传输能量，输出功率2kW、传输距离15cm时，系统效率为82%，但此空心变压器的体积远大于磁芯变压器。(2)移动充电系统的高效率耦合问题要实现感应式移动充电，可在马路下层铺设非接触变压器的原边线圈，利用电磁感应原理，通过车体上的副边电路接受电能并在行驶过程中对电动汽车进行充电。移动供电系统面临着“磁通分布不均”的问题，不同位置、不同方向的磁通耦合效率不同。香港城市大学的S.Y.RonHui教授利用多层PCB绕组，通过磁场的“交错”巧妙的解决了“磁通分布不均的问题。又提出由集中绕组和螺旋绕组构成复合绕组，将两种磁通分布特性不同的绕组结构组合，使得充电平台中的磁场均匀分布。此外，针对移动式充电所用大原边面积、小副边面积的变压器结构，为减小激励磁场总能量和相关损耗，可将大面积的变压器原边分区，以“区域激励”方式控制次级侧，每个区域可单独控制。当检测到电动汽车位于某个区域的上方时，就将那个位置的线圈激活；停止使用后，该区域自动终止“原边激磁”，以提高系统转换效率。图8给出电动汽车“区域化激磁方法”的概念示意图。2.“强耦合”电磁共振式无线充电技术大气隙条件下，变压器k可提高的空间有限，靠提高k来进一步提高变压器和系统的效率比较困难。美国麻省理工学院的研究人员提出的“强耦合”电磁共振式无线充电技术打破了变压器传输效率依赖于耦合系数的传统思路，给无线充电技术带来了突破。实验使用两个半径30cm的螺旋线圈，在9.9MHz的频率下进行能量传输，相隔2m传输60W功率，效率约为40%，而此时的耦合系数小于1%。电磁共振式无线充电为低耦合系数下高效能量传输提供了全新的思路。若成功用于电动车充电，可带来显著的效率提升，并使得移动充电更加方便，是无线充电技术的重要发展方向。相对于感应式移动充电系统，共振式的传输距离更远，且可实现空间全方位的电能传输。2009年，日本昭和飞机工业描绘出电磁共振式非接触移动充电系统的理想蓝图。在道路或护栏上安装“变压器”原边，在电动汽车上安装“变压器”副边，则行驶过程中可实现非接触充电。华南理工大学对电磁共振式无线充电技术进行了跟踪研究：认为电磁共振式无线充电是常规蓄电池感应式无线充电的特例，并用互感模型对“变压器”建模，对转换器效率进行了细致的分析，推导了最大效率的负载匹配条件和互感要求。哈尔滨工业大学也对电磁共振式无线充电进行了相关实验和模型研究，实现了50W功率传输，效率达到60%。尽管共振无线充电的“变压器”效率较高，但由于其激励频率偏高，高频电路损耗大，系统效率仍不高。因此，应结合电动车大功率应用需求，运用共振式无线充电的变压器数学模型，探索大功率、低频高效的共振式无线充电的设计技术。综上所述，尽管共振式无线充电激发了业界极大的研究兴趣，为中等距离非接触能量传输提供了新思路，但在数学模型、低频化、定量设计等方面仍存在技术盲点，这也将成为未来无线供电技术的研究热点。