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探讨动力电池无线充电技术
来源:汽车维修与保养  作者:佚名  2023-02-21 09:49:18

 问:我从事汽车维修已有20年,有个问题请问,现在车辆上已经可以实现手机的无线充电功能,十分方便,既然手机能无线充电,那么电动车的动力电池也应该可以实现无线充电,请问这项技术的原理 是什么,为什么这项技术没有普及推广呢?

 
答:你的提问很有意义。“无线充电”是很有前途的技术,已在手机、相机、医疗器械和笔记本电脑等多个领域得到成功应用。随着电动汽车的快速发展,动力电池进行无线充电已是时代的需求。汽车无线充电的原理是什么?当前有什么技术瓶颈呢?
    无线充电的基本原理,是将交流电转换成变化的磁场,通过空气的传输,再将磁场能量转换成电流输出给设备充电,简单的讲,仍是电生磁、磁生电的过程。
    图1反映了无线充电系统的基本原理。工作时输入交流市电,经全波整流和滤波后成为DC直流电,通过有源晶振的高频斩波,转为高频交流电,供给初级线圈产生高频交变的磁场,次级线圈受到磁场感应而藕合电能,产生高频交流电流,再经整流和滤波为直流电后,给动力电池充电。如图1所示,能量以磁场形式进行无线传输,相当于一个隔离变压器实现了无线充电,形成电源的发送端和能量接收端。斩波成高频电能较大程度减少能量传播损耗,提升传输效率,变压器同时还有电气隔离、保证安全的作用。
    电池无线充电技术示意图如图2所示。把供电端高频交变磁场的GA初级线圈,以导轨形式埋在地下,车辆通过能量拾取装置即次级线圈VA 来接收电能,实现静态或行驶态给动力电池充电。
    从图2中的红色圆圈可见,电磁场能量转换是无线充电的核心技术,当前主要有四种能量转换的方式:
    1.电磁感应式:电磁感应式是现代无线充电较多采用的技术,充电电源发射端有GA初级线圈,被充车辆接收端设置VA次级线圈,通过电磁感应理,次级线圈感生电流就可以构建无线电能传输系统。其主要缺点是能量四面散发,传输效率很低,传输距离也很短,只有10cm的极小范围。
    2.磁场共振式:如图3所示,采用两个规格完全匹配的初级、次级线圈进行耦合,利用谐振原理获得最大的传输效率。这种传输方式的距离可达数米,效率可达40%~60%,当前已初步具有商业运行的条件。
    3.无线电波式:无线电波式是最早的无线充电技术,利用电波来发射和接收能量,传输效率极低,实用价值不高。
    4.微波谐振式:微波谐振式是利用微波来传递能量,如家用微波炉即用到了微波的热效应。若将微波能量转为电信号,再经共振和整流电路,还原为给动力电池充电的直流电,就实现了无线充电的功能。缺点同样是能量八方散射,利用效率低。
    发展电动车无线充电技术,涉及的先进技术领域甚多,遇到的瓶颈也很多。如磁性材料、系统集成控制、模组及传输线圈设计及制造等。特别是涉及到了技术含量极高,利润高达整个产业链30%以上的“芯片”技术,在很大程度上直接影响了无线充电技术的发展。
    目前,电动汽车快速发展,2021年我国新能源汽车产量超过352万辆,连续7年位居全球第一,预期2022年将会达500万辆。基于此,对无线充电技术的要求也越来越迫切。目前,我国及其他一些先进国家,在电动车无线充电领域取得的技术进步也较显著。2002年,重庆大学就开展了汽车充电的”大功率无线电能充电传输装置”研究;2005年,比亚迪公司申请了 “非接触感应式充电器”的专利,并在2014年款纯电动巴士上试验WAVE无线充电垫。沃尔沃、奥迪、奔驰、丰田等世界主要汽车厂商,均已开始研究无线充电技术。沃尔沃已完成电动汽车无线充电系统测试。2014年韩国铺设了12km的无线充电路段,实现了动态充电试验。2017款奔驰S550e混电车已使用功率3.6kW的无线充电技术,效率可达90%。目前,全球已成立了无线充电的“Qi”组织,制定了具有通用性强和便捷的标准,规定了无线充电85kHz的频率,为电动车辆的静态和行驶态无线充电奠定了基础,并已取得一定成果。
    我们有理由相信,在不远的将来,更实用、更智能化的静态和行驶态的无线感应充电技术必将推广使用。
 

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