电动汽车无线充电技术

电动汽车普通充电方式及优缺点

目前市面上对电动汽车充电主要有两种方式，一种是使用车载充电机，另一种是使用外置充电桩。这两种方式的区别是车载充电机可以接入220V的家用工频电，功率较小，可以进行慢速充电；而充电桩一般接入的是380V的三相电，功率较大，理论上可以实现快速充电。相同之处是他们都采用插入式连接器的方式进行充电。

电动汽车普遍采用的充电方式是利用充电粧或充电站通过导线与电网进行有线连接（即电缆连接），从电网获取电能为电动汽车进行常规充电、快速充电和换电，然而上述充电方式存在诸多弊端；①电池的充电需在人为情况下对插头进行插拔，存在安全隐患；

②充电全程均需人工操作，自动化程度低；

③在温度低、天气恶劣的条件下无法对电动汽车进行室外充电。

④插电容易产生火花、容易产生磨损、不容易维护、不够美观、不够灵活、不够安全 不同充电模式优缺点对比 充电模式 整车慢充 优点 1、充电功率小，设备成本低 2、利用电力低谷时段充电或有序充电能力强，充电成本低 3、可有效延长电池使用寿命 整车快充 1、充电时间较短，效率高 2、相较慢充方式占土地面积较小 1、大规模直流快充会对电网产生相应的影响 2、工作和安装成本相对较高 3、充电电流大，对电池的使用寿命和性能有很大影响 电池更换 1、电动汽车与动力电池相分离，降低购车成本 2、便于电力峰谷差，实现V2G功能 3、便于电池维护，有利于提高电池的寿命

无线充电技术分类及特点

WPT技术主要分为三种：射频或微波WPT、电磁感应式WPT以及电磁共振式WPT，下面分别予以介绍。 所谓微波WPT，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的技术[16]。由于工作频率高、系统效率较低，微波WPT并不适合于EV这种能量传输距离较短的应用场合。系统能量变换效率仅有38%。

1、电池与电动乘用车的标准难于统一 2、不适应电动汽车灵活多样的需要 3、换电站初期投资成本大，成本风险高 缺点 充电时间相对较长，需要建设专门停车场地 电磁感应式WPT是基于电磁感应原理，利用一次、二次分离的变压器，在较近距离条件下进行无线电能传输的技术。目前较成熟的无线供电方式均采用该技术。然而，电磁感应式WPT仍存在一系列问题：传输距离较短，距离增大时效率急剧下降；传输效率对非接触变压器的一次、二次的错位非常敏感等。

ICPT技术的原理是在原边发射线圈中产生高频的正弦波电流，它会在原边线圈的周围产生高频的交变磁场，而副边线圈将会在磁场中感应出电能，再经过能量变换便得到我们需要的电能形式给用电设备供电。

感应耦合电能传输技术与一般的变压器的原理非常接近，都是高频交流电通过电磁感应来进行传输。区别在于ICPT的发射线圈和接收线圈是松耦合方式的，通常情况下发射线圈和接收线圈的距离较大，而且根据传输的需要还分为有磁芯和无磁芯的感应线圈。由于是松耦合方式，能量在原边到副边线圈传递过程中，会在空气中有一部分的损失。

电磁共振式WPT，两个固有谐振频率相等的铜绕组（为方便表述，称其为“变压器”），在共振激励条件下（即激励频率等于绕组的固有谐振频率），距离2m处，成功点亮了一个60W的灯泡[21]，其中变压器的效率达到了40%。与电磁感应式WPT相比，电磁共振式WPT可显著提高能量的有效耦合及变压器的传输效率。相比于电磁感应式WPT的一些优点：如对非接触变压器绕组间错位的敏感度减小。利用共振模式对激励频率要求的严格性，可通过合理设置激励频率，向指定电器供电，提高安全性。然而，目前该方向的研究要么过于理论化，要么为实验研究，缺乏对应用、工程设计有定量指导意义的研究成果。目前，该技术传输的功率较小，尚未用于EV充电。

(3)无线充电部分包括DC/DC变换器、DC/AC高频逆变器、收发线圈及相应调谐电容。光伏微电网发出的电能经DC/DC变换器、DC/AC高频逆变器逆变为20kHz高频电压为无线传输系统发射端供电，谐振式系统将电能高效地传到接收端为下级负荷供电。

(4)车载电池系统包括AC/DC整流器、DC/DC变换器和车载电池，AC/DC整流器将20kHz高频电压变换成直流，通过DC/DC变换器实现车载电池的充电控制。

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10和图11给出了目前电动汽车的两种非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10b所示，并用于GMEV1车型。该方案将变压器一次绕组和部分磁心（嵌在中部）作为可活动的手持部分。当手持部分插入磁心间隙，则构成变压器；且一次绕组被二次绕组夹绕，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，直直变换效率可达到90%[27]。

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一二次仍为紧耦合；且无法实现自动或移动充电，不能起到应用WPT减少EV电池容量和汽车自重的作用。该铁心外径超过140mm，质量约6kg，体积重量均较大。

（2）全分离型充电方式，如图11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[28]，移动充电用变压器的气隙可达到150mm[29]甚至更大。根据对图11b所示结构的变压器的分析结果，磁心横向尺寸L越大，磁柱中心间距Lc与气隙比值Lc/g越大，

则k越高[30]。由于g相对较大，这种非接触变压器的k较低，变压器及变换器效率较低，一般系统效率低于70%甚至小于50%[31]。目前可查最好的实验结果为：输出功率2kW，开关频率20kHz，L/g为5.33（L=800mm，g=150mm），系统效率为82%[29]。

拾取装置方案设计

根据电动车的运行状况，可以将供电模式分为以下两种情况：

①电动车静止充电：电动车驻停时，埋置在地面下方的能量发射机构一般为线圈结构，此时车上的拾取端变换装置和充电器接通，充电器工作给电池充电。而与电机之间的连接断开。这种模式下，由于车的静止，故互感M不变；而电池充电时由于电化学反应，相当于负载在保持变化。

②电动车行驶中供电：电动车在行驶过程中，埋置在地面下方的能量发射机构一般为长导轨结构，此时拾取端变换装置和电控系统接通而与电池断开，给电机直接进行供电。这种模式下，由于地面长导轨各部位的差异性，以及电动车行驶中的左右偏移，会导致互感M变化；而且这种情况下，电机作为负载，由于速度、上下坡、载重等原因，相当于负载在不断变化，而且变化的速度快、范围大。

装置整体方案设计

根据前面对电动车无线充供电系统的需求分析，拾取装置的原理如图2.1所示，拾取装置主要功能分为能量拾取和能量变换两部分。本装置由能量拾取电路、变换电路以及控制电路三个部分构成，分别在图2.1的几个虚线框内。

变换装置后接充电器和电机控制器，其中电池和电机控制器是并联的。根据三种工作模式的需要，电路中安装三个切换开关对电路进行切换。

①断开K1、K3，开通K1，为静止充电模式。

②断开K1、K2，开通K3，为电动车无线供电行驶模式。

③断开K1、K3，开通K2，不采用无线供电，电动车采用电池电能行驶。

供电模式：拾取装置给电机控制器供电。由于示范系统的电动车所采用的是72V直流电机，因此此模式下拾取装置输出72V的直流即可。

充电模式：拾取装置给电池充电器供电。虽然电池充电器正常工作需要220V工频交流电，但考虑到充电器的结构为整流、滤波、DC-DC变换的结构，而直流电后接整流桥仍能正常输出，因此可以直接将直流电能接入充电器，只要电压范围合适，充电器就可以正常工作。只是由于在整流二极管上会产生压降而产生一定的功率损耗。

根据国家标准《电能质量供电电压允许偏差》，家用的单相220V供电电压允许的偏差应当为标称系统电压的+7％、-10%[25]。因此，220V单相家用电实际的电压有效值范围约为：198V~236V。根据交流电经整流和大电容滤波的知识可知，输出端的直流电压为输入交流电压有效值的1.4倍，实际充电器的DC-DC环节的输入直流电压为270V~330V。因此充电模式下拾取装置输出直流电压在270V~330V之间即可使充电器正常工作。

此外，针对移动式充电变压器一次面积大、二次面积小的结构特点，为减小激励磁场总能量和相关损

耗，可将大面积的变压器一次分区，以“区域激励”方式控制一次侧。当检测到受电方时，将对应位置的线圈激活；停止使用后，该区域自动停止工作，来减小损耗。图 21 给出 EV“区域化激磁方法”的概念示意图。

光伏路面

光伏高速公路是指：利用高速公路的路面、沿线设施以及周边的环境实现太阳能光伏发电，并为公路设施本身和沿线居民供电。它大致可以分为：路面光伏发电系统和沿线设施光伏发电系统两大类。

路面光伏发电系统顾名思义是指：利用高速公路路面作为载体实现光伏发电的系统，通常称为“太阳能高速公路公路”或“太阳能公路”，它的基本结构由三层组成（见图2）：

最下层：为基础层或承载层，用来隔绝土壤的湿气，避免其影响到上层太阳能光伏组件的正常工作； 光伏发电组件就是和太阳能电池板一样，不过要满足路面使用，强化了抗压、抗滑的性能。 中间层：为太阳能光伏电池层，用来产生电能；

最上层：为透明的保护层，保护内部的太阳能光伏组件，同时也让太阳光透过；也要承载路面上各种载荷的正常通过，即要满足作为路面的所有一切条件，如坚硬度、粗糙度和摩擦力等。这种特殊的新型路面光学材料可以是透明陶瓷、聚光透镜或特殊的玻璃钢。

表面与车辆行人接触的是保护层用的是“透明混凝土”，不仅能承载小型电动汽车的行驶，还要能承载中型货车的行驶，其技术指标和通行安全系数均超过当前普遍使用的沥青混凝土路面。

光伏路面上不仅能承载小型电动汽车的行驶，也能承载中型货车的行驶。车辆行驶在光伏路面上与普通沥青路面并未有明显差异。在示范区旁边，同时配备了电动汽车充电桩、智能引导标线等衍生应用设施。

光伏路面通过收集到的太阳能转化为电能，从而实现太阳能发电。如同玻璃一般的镜片是一种叫做光伏面板的高科技合成物质。它所具有的超高摩擦力可以完美地KO掉传统的高速公路地面。不仅如此，它还能在发电的同时，通过电磁感应，为支持无线充电的汽车进行充电；甚至对于未来的信息技术和智能驾驶的数据连接，光伏道路上可以实现道路和车辆的信息交互，为无人驾驶汽车也打造了良好的基础。

 性能揭秘路面结冰，可自动加热除冰雪

当光伏智能道路，通过路面结冰检测系统，可实时感知道路结冰情况，从而自动开启电力加热系统，及时除去道路冰雪，保障出行安全。  可为行驶中的电动汽车充电

当前电动汽车无线充电技术已经较为成熟。2013年，世界上首条无线充电公交车车道在韩国建成。今年5月18日美国高通公司已经实现了电动汽车速度100km/h条件下的无线充电。“通过与电动汽车技术的衔接，光伏路面能实现车辆移动充电，遍布全国的高速公路网，将会变成一个流动的‘太阳能充电宝’。”  与大数据衔接，引导无人驾驶

通过与信息技术和大数据的衔接，光伏路面还将实现道路与车辆的信息交互，为无人驾驶提供前置性技术支持。比如，通过接入光伏智能道路信息网络系统，道路内置的车辆定位系统，可以实现车辆之间以及车路之间的信息交互，达到真正意义上的车路协同，从而实现汽车自动驾驶引导。而交通管理部门可以

根据实时交通信息和大数据分析结果，对交通实现系统化和精细化管理。例如，可以通过该系统进行整个城市或区域的车辆网络化调度；也可以通过更改某条道路或某个路口的标志标识实现局部的交通控制。

2014年1月，世界上最大的太阳能发电桥在伦敦揭幕运行，该桥顶共覆盖4400块太阳能电池板，可满足该桥北岸繁忙的布莱克弗赖尔斯火车站一半的用电需求，并将减少大量的碳排放。

2013年，日本佐贺县准备向利用太阳能电池板开展发电业务的运营商颁发许可，允许其免费占用该县管理的地区高规格道路路基斜坡。作为发电设施设置场所的是有明海沿岸公路从久保田立交附近到福所江大桥共约2公里的南侧斜坡（图7）。合计面积约为1万平方米。