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目前研究的電動汽車移動式充電方式都有哪些?有哪些優缺點?

Will.liu,十年汽車生涯,怎能不白頭。

按照無線充電的原理,現在公認比較成熟的方式有三種。

  • 電磁感應
  • 電磁諧振
  • 無線電波

電磁感應

利用通電線圈的交流電變化,產生磁場(傳輸端)。該磁場將會無視非金屬的阻隔,傳遞能量到附近的線圈上(接收端),再由磁場轉化成電能。

也許,還記得高中物理的同學會覺得這個畫面眼熟,的確是的,這就是變壓器的原理,電磁感應嘛(這個原理最早在 1830 年,美國科學家亨利的磁生電的實驗中得到了證明。)

說到電磁感應方式的靜態無線充電,說到其優點,就是結構簡單,電磁場能穿透一切非金屬的物體,也就意味著水泥,玻璃這種非金屬材料也不能阻隔能量傳播,特別是電磁感應的傳輸功率足夠大,能夠輕松達到數百千瓦的功率傳輸。

電磁感應充電,已經在手機等小型數碼上應用很多年了,使用方法就是把手機貼合在輸出磁圈上,只要對準了,就可以開始充電。

電磁感應的缺點就是供電端和受電端的距離過短,在韓國的無線充電公交車的早期實測中,發現兩者距離 1CM 以上,傳輸的電量只有 80%,而如果隔開了 12CM,傳輸的電量只有 60%。這也說明了,這種電磁感應的靜態充電的適用范圍,必須是車體和充電端密切接觸才能有好的能量傳輸效果。

如同現在推出來的汽車靜態無線充電技術,基本也是這樣貼合的狀態。

車輛停到指定位置,然后下方的充電裝置上升,貼合到汽車端的接受裝置,兩者密切接觸,開始為車輛充電。

國內的車型,今年推出的智己 L7,也支持 11kW 的無線充電。從圖片上看來,應該也是采取的電磁感應的靜態充電方式。自動泊車定位,輸電端和接收端靠攏,然后開始充電。

但這種靜態充電方式,也有其弊端,這個就如同手機的無線充電一樣。

就是定位如果不準,雙方線圈對應位置有偏差,是無法進行正常能量傳輸的。從目前的解決方案來看,除了地面標識需要做好引導,司機必須嚴格按照定位停放之外,就是做大了充電輸送端的平臺。

但電磁感應的弊端是傳輸能量的距離太短了,車底充電端要做到距離地面很短甚至貼合到地面,而且必須要做到短時間內定位。

2022 年的 1 月,成都開通了首條無線充電公交線路 1058 路。

從石羊公交充電站出來,就是府城大道西段。12 點 30 分,委員和專家們登上一輛牌照為川 A07999 的 1058 路社區巴士。這輛公交車綠白相間,前窗玻璃下貼著“無線充電”4 個字。乍一看,沒發現它與其他行駛在大街小巷的社區巴士有什么大的差別。不過,車的底盤很低,一抬腳就上了車。這輛電動公交車內同樣配備逃生用的緊急按鈕、安全錘和滅火器等設施。
吳孟強和司機曹師傅聊了起來。有 10 多年駕齡的曹師傅說,開電動車,點火、起步、換擋都與普通公交車一樣。不過,電動公交車起步加速都很平穩,幾乎沒有噪音。
曹師傅把車開到 1058 路終點站天長南路,羅強注意到公交站的地面畫著一個 WIFI 符號。負責該項目的中興新能源汽車有限責任公司陳孜說,無線充電區域就設在終點站,地下埋有電線圈,只要將電動公交車停在上面就能充電。司機通過方向盤邊的一個“PAD”液晶顯示器,可以看到車輛每塊電池的情況,也可以點擊選擇充電。通過 WIFI 信號,路邊的“配電箱”就自動開始送電,每兩分鐘可充 1 度電。

這種靜態無線充電實際擴展后,可以在每個??康能囌竞徒K點站進行短暫充電,因為一輛公交汽車一般途經 20 個站點,一個站點停一兩分鐘,終點站修整 20 分鐘,一趟的沿途加起來可以充電一個小時。

只要解決快速定位的問題,司機一下就能把車身停到充電點,實際就可以利用這短短的幾分鐘進行充電。關于這類的專利,我查了下,已經有了相當多的儲備。比如利用光伏儲能,來給停下的公交車供電。

現在商用比較成熟的,應該是德國龐巴迪的 Primove Ebus 系統了,從 2013 年投入第一臺無線充電的純電巴士,利用站點、低速爬坡路段、終點站三個充電位置,來對電動巴士進行充電,至今已經跑了幾十萬公里。

Primove 技術包括:Charging 、Battery、Propuision and controls.

Primove Charging 200 技術參數

據有關統計,截止到 2018 年底,一共有 26 份 primove 無線充電歐洲專利,涉及到車地通信(雙邊控制、車輛??浚?、磁芯和線圈技術、電路拓撲、控制技術、其他工程類專利。

但以上的電磁感應充電模式,需要在較低速環境下,而且需要路面極為平整,對路面潔凈度(路面遺留金屬渣屑)也有要求。如果線圈之間有金屬雜物進入,會形成電渦流,產生安全問題。

要進行真正的快速行駛的動態無線充電,需要更寬廣的路面適用性,需要滿足輸送端和接收端的距離能超過 15CM 甚至更遠,而不是必須要輸出端和接收端緊密貼合。

這個時候,就要提到一個中程無線充電技術了,能夠較遠距離進行能量傳輸的電磁諧振技術。

電磁諧振

利用接受天線固有頻率和發射場電磁頻率相一致時,兩者引發的電磁共振,產生強電磁耦合,利用輻射磁場實現電能的高效傳輸。

比方說,運輸交流電的頻率為 50HZ(一秒內 50 次周期變化),我們利用調制器把傳輸端的頻率設定為 X HZ,然后在接收端(車輛上)也設定為 X HZ,那么在一定的范圍內,兩者磁場發生共振,就會實現能量的傳輸過程。

其優點是傳輸距離遠大于電磁感應,可以進行大于 10cm 的電磁感應的能量傳輸,即便在 3-4m 的傳輸距離上,傳輸功率依舊可以達到數千瓦。

2008 年,英特爾在美國 IDF 上展示無線共振能量鏈接(WREL)技術

其優點在于輸出端和接收端的距離可以比較遠,也就意味著如果是用在公路上,輸出端可以埋在比較深的地方,不會輕易被大車碾壓遭到破壞,抗壓能力較強。另外可以適用于快速行駛的載體充電,比如應用于高速鐵路列車的充電。

但現階段的難點也很多,系統建模、電能變幻拓撲結構,電磁耦合機構設計,能量和信息同步傳輸,負載識別及異物檢測,電磁兼容及電磁屏蔽技術都需要進一步的設計與優化,以及相關標準也需要官方制定。

按照電磁共振的原理,我們可以設置導軌模式的動態供電模式。利用道路下方鋪設的發射導軌給路上駕駛的電動汽車進行充電。(根據外界因素,實時調節發射功率因數的頻率跟蹤控制技術,利用這套電磁共振的動態無現能量傳輸技術,應用于動態充電的場景。)

其中的困難點,就是如何保障輸出端和接收端的頻率在任何狀態下的完全相同,所以即時調頻是其中的核心難點。

導軌模式可以分為單級導軌模式和多級導軌模式(單層多級導軌,雙層多級導軌)。

最后一個中遠程的無線射頻電力傳輸,原理是將電磁波發射出去,在接收端把電磁波轉為電流,傳輸距離可以達到十米及以上,但因為功率較小,只支持毫瓦級別,無法適用于車輛,可以用來給微型電池充電,這里就不多提了。

以上講述了一些無線充電技術的運用方面,對比有線充電,無線充電能有效減少車載電池重量(容量),充電方便快捷,不用人工挪動充電設備,無直接觸電風險,充電設備也無接觸摩擦的損耗,能適應多種惡劣天氣情況。

其缺點就是目前無線充電裝置成本過高,無論是電磁感應還是電磁諧振,因為輸出端的設備有部分需鋪設在地下,相關申請周期漫長(時間成本),前期費用投入高(建設成本),且維護、維修費用(后期成本)較高。

比如最簡單的公交車終點站感應式充電,因為要破土開挖,前期就要向城建管理報批。充電需要增加的地面配電箱,占地也需要相關部門報批。且因為埋設地下,地面還會做水泥等硬化措施,后期如果輸出端出現問題,維修起來并不方便。且傳輸能源方式的能量過大,會產生強電磁場,即便做了電磁屏蔽處理,一旦發生故障,也容易造成周邊的電磁輻射污染。

(圖片來源網絡,侵刪?。?/p>

參考資料

1.朱春波, 姜金海, 宋凱,等. 電動汽車動態無線充電關鍵技術研究進展[J]. 電力系統自動化, 2017, 41(2):60-65.

2.高建強,宋超,王平,鞏志貴,專利,電動公交車沿線站點無線充電系統,20180511.

3.李斌, 劉暢, 陳企楚,等. 電動汽車無線充電技術[J]. 江蘇電機工程, 2013, 32(1):81-84.