電動汽車非接觸充電-范彥琨

電動汽車非接觸充電技術研究范彥琨2012.11.23主要內容研究背景非接觸充電裝置蓄電池充電方式電路拓撲國內外研究成果1.研究背景能源危機：石油資源枯竭，而中國石油需求連年遞增。節(jié)能減排：交通運輸占我國石油消費16%。汽車尾氣排放污染大氣，加速全球氣候變暖。大力發(fā)展新能源汽車是實現(xiàn)我國能源安全、環(huán)境保護以及中國汽車工業(yè)實現(xiàn)跨越式、可持續(xù)發(fā)展的需要。1.研究背景傳統(tǒng)電纜充電方式操作不便，環(huán)境適應性差，雨天作業(yè)安全隱患大。1.研究背景非接觸充電方式不需電纜連接，安全性高，適合停車場、住宅、無人值守充電站等場合。1.研究背景

2.非接觸充電裝置三種非接觸充電方式對比電磁感應磁共振微波充電原理充電線圈供交流電并產生磁場，磁力線穿過分隔一定距離的接收線圈產生相應感應電動勢，并對外輸出電流基本原理與電磁感應式相同，只是充電與接收部分使用同一共振周期，可將阻抗限制在最低值并加大傳輸距離充電與接收裝置均采用微波傳送與接收技術頻率范圍22kHz9.9MHz2.45GHz輸出功率30kW60W<20W傳輸距離<100mm2m<1000mm傳輸效率90%40%38%應用特點與不足傳輸功率大，最接近實用化；但送點距離短，遠小于車底盤距離地面距離；發(fā)熱比較大，且要防止雜物進入傳輸功率小，但傳輸距離較大，能夠實現(xiàn)空間全方位電能傳輸大部分能量產生為熱能；通過二次側串聯(lián)多個硅整流二極管提高功率，只適合夜間長時間充電

3.非接觸充電裝置電磁感應通過送電線圈和接收線圈之間傳輸力，是最接近實用化的一種充電方式。3.非接觸充電裝置E型和U型松耦合變壓器對比：

磁芯橫向尺寸L越大，磁柱中間間距Lc與氣隙g比值越大，則耦合系數(shù)k越高。平面磁芯配合分布式的平面繞組也有利于減小漏感。Reference:ZhangW,ChenQH,WongSC,etal.Anoveltransformerforcontactlessenergytransmissionsystems[C].ProceedingsoftheIEEEEnergyConversionCongressandExposition,2009:3218-3.非接觸充電裝置U型和C型松耦合變壓器對比：

左圖為10mm氣隙下磁通分布情況：C型磁芯磁通分布比較均勻；中圖圖為不同氣隙下的耦合系數(shù)：C型磁芯略高于U型磁芯。右圖為磁芯損耗：C型磁芯的磁芯損耗較大，體積也較大。Reference:Electromagneticanalysisofanewmagneticcoreoftransformerforacontactlesselectricvehiclecharging.ElectricalMachinesandSystems(ICEMS),2011InternationalConferenceon

U型C型3.非接觸充電裝置E-E型和圓形線圈對比：圓形線圈的耦合系數(shù)更好，體積也更薄Reference:DevelopmentofaNon-contactRapidChargingInductivePowerSupplySystemforElectric-drivenVehicles.VehiclePowerandPropulsionConference(VPPC),2010IEEE

3.非接觸充電裝置雙端線圈矩形和單端線圈圓形松耦合變壓器對比

(a)圖變壓器磁芯可以更小，x軸偏移情況下耦合系數(shù)好，但在鐵芯背面有漏磁通，需要加薄鋁片屏蔽。Reference:CompactContactlessPowerTransferSystemforElectricVehicles.Power

ElectronicsConference(IPEC),2010

3.非接觸充電裝置普通型和H型雙端線圈矩形對比：

H型在重量、原副邊水平偏差下耦合系數(shù)、傳輸效率上占優(yōu)。Reference:ContactlessChargingSystems

.TelecommunicationsEnergyConference(INTELEC),2011

3.非接觸充電裝置不同形狀松耦合變壓器對比：當二次側位于一次側中部時，耦合系數(shù)趨于穩(wěn)定；當靠近一次側兩端時，耦合系數(shù)變化很大。Reference：Studyandexperimentoflargepowerlinearcontactlesspowersupplysystemformovingapparatus.ElectricalMachines

and

Systems

(ICEMS),2011

3.蓄電池充電方式鉛酸蓄電池鎳氫蓄電池鋰離子電池單體電池電壓(V)2.01.23.6比容量(Wh/kg)30~5060~70130~150市場平均價（元/kWh）~500~5000~4000循環(huán)壽命（次/80%）~300~800~600優(yōu)點成本低廉，技術成熟，無記憶效應支持大電流放電，安全性高循環(huán)使用壽命長，無記憶效應，長期使用性價比高體積小，比能量和比功率高，電壓高，安全性高，無污染，無記憶效應缺點較低的比能量無法滿足電動汽車續(xù)駛里程的需要價格較高，單體電壓低，自放電損耗大，對環(huán)境溫度敏感等價格高，充電要求高

3.蓄電池充電方式馬斯定律：

1967年美國人J.A.MAS(馬斯)以最低析氣率為前提，提出了蓄電池能夠接受最大充電電流和可以接受的充電電流曲線。其方程為：

i=Ioe-at式中

i——任意時刻t時蓄電池可接受的充電電流；

Io——最大初始可接受充電電流；

a——衰減率常數(shù)，也稱充電接受比

3.蓄電池充電方式蓄電池三種常用的充電方式：帶放電去極化的三段式可變脈沖充電二階段充電三階段充電

3.蓄電池充電方式鎳氫電池恒流充電方式：t1階段：活性物質完全轉換，大電流快充t2階段：析出氧氣，電壓快速上升t3階段：過充電階段，大量產熱，應避免此階段

3.蓄電池充電方式大功率鋰離子電池三段式充電方式：t1t3t2t1階段：單體電壓<0.5V，以0.1C電流進行涓流充電t2階段：單體電壓0.5V~4.2V，以1C電流進行恒流快充t3階段：補足充電，充電電流逐級遞減直至0.1C，停止充電4.電路拓撲非接觸供電原理框圖：圖1.基于分離式電壓器的非接觸供電原理框圖

非接觸電動車充電原理框圖：4.電路拓撲WirelessCommunicationDisplayMCUMCUBMS4.電路拓撲1.單端式2.推挽式四種常用非接觸拓撲對比：4.電路拓撲四種常用拓撲對比：3.半橋4.全橋

4.電路拓撲雙向DC/DC拓撲：

4.電路拓撲蓄電池充放電控制電路：傳統(tǒng)的電池放電電路雙向半橋充放電電路5.國內外研究成果日