電動車的三種非接觸式充電方式解析

    電動車的充電裝置相當(dāng)于汽車燃料的加注站，可以通過反復(fù)充電提供車輛持續(xù)運行的能源。當(dāng)國內(nèi)開始大張旗鼓地建設(shè)有線充電樁和充電站時，國外涌現(xiàn)出了三種非接觸式電動車充電裝置，并不同程度地進入了商業(yè)化運營。非接觸充電裝置有哪些類型?基本工作原理是什么?它的充電效率、安全性、便利性如何?這些，都是人們所關(guān)注的。
    非接觸充電裝置的類型
    非接觸充電裝置有電磁感應(yīng)、磁共振、微波三種方式。

    非接觸充電裝置的優(yōu)勢
    與電動車相比，傳統(tǒng)燃料汽車不僅在使用便利性、整備質(zhì)量、續(xù)駛能力、制造和使用成本等方面存在著諸多優(yōu)勢，而且補充燃料時也無需消耗更多的時間。
    電動車不僅充電時間長，并且更換電池或利用充電樁等通過電纜充電等模式，的確存在操作上的不便。并且雨天作業(yè)的安全性問題，更是令人擔(dān)憂。
    非接觸充電裝置不需要用電纜將車輛與供電系統(tǒng)連接，便可以直接對其進行快速充電。加之非接觸快速充電能夠布置在停車場、住宅、路邊等多種場所，又可以為各種類型的電動(包括外充電式混合動力)汽車提供充電服務(wù)，使電動車隨時隨地充電變?yōu)榭赡堋τ诠卉?，可以將充電設(shè)施布置在終點站、樞紐站、換乘站等地點，利用短暫的停車時間便可以完成快速充電。
    非接觸充電裝置的工作原理
    一、電磁感應(yīng)方式
    電磁感應(yīng)通過送電線圈和接收線圈之間傳輸電力，是最接近實用化的一種充電方式。當(dāng)送電線圈中有交變電流通過時，發(fā)送(初級)、接收(次級)兩線圈之間產(chǎn)生交替變化的磁束，由此在次級線圈產(chǎn)生隨磁束變化的感應(yīng)電動勢，通過接收線圈端子對外輸出交變電流。

    a)電力傳送基本原理

    b)實際布線方式

    電磁感應(yīng)方式的基本工作原理
    目前存在的問題是：送電距離比較短(約100mm左右)，并且送電與接受兩部分出現(xiàn)較大偏差時，則電力傳輸效率就會明顯下降;功率大小與線圈尺寸直接相關(guān)，需要大功率傳送電力時，須在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和電力設(shè)備方面加大投入。
    二、磁共振方式
    磁共振傳送方式由美國麻省理工學(xué)院(MIT)于2007年研制成功，公諸于世以來，一直備受世界各國的普遍關(guān)注。
    它主要由電源、電力輸出、電力接收、整流器等主要部分組成，基本原理與電磁感應(yīng)方式基本相同。電源傳送部分有電流通過時，所產(chǎn)生的交變磁束使接收部分產(chǎn)生電勢，為電池充電時輸出電流。
    不同之處在于，磁共振方式加裝了一個高頻驅(qū)動電源，采用兼?zhèn)渚€圈和電容器的LC共振電路，而并非由簡單線圈構(gòu)成送電和接收兩個單元。

    磁共振方式的基本工作原理

    共振頻率的數(shù)值，會隨送電與接收單元之間距離的變化而改變。當(dāng)傳送距離發(fā)生改變時，傳輸效率也會像電磁感應(yīng)一樣迅速降低。為此，可通過控制電路調(diào)整共振頻率，使兩個單元的電路發(fā)生共振亦即”共鳴”。所以，也稱這種磁共振狀態(tài)為”磁共鳴”。
    在控制回路的作用下改變傳送與接收的頻率，可將電力傳送距離增大至數(shù)米左右，同時將兩單元電路的電阻降至最小以提高傳送效率。
    當(dāng)然，傳輸效率還與發(fā)送與接收電單元的直徑相關(guān)，傳送面積越大，傳輸效率也越高。目前的傳輸距離可達400mm左右，傳輸效率可達95%。
    三、微波方式
    使用2.45GHz的電波發(fā)生裝置傳送電力，發(fā)送裝置與微波爐使用的”磁控管”基本相同。傳送的微波也是交流電波，可用天線在不同方向接收，用整流電路轉(zhuǎn)換成直流電為汽車電池充電，并且可以實現(xiàn)一點對多點的遠距離傳送。

    微波方式可以同時一點對多點的遠距離傳送

    為防止充電時微波外漏，充電部部分裝有金屬屏蔽裝置。使用中，送電與接收之間的有效屏蔽可防止微波外漏。
    目前存在的主要的問題是，磁控管產(chǎn)生微波時的效率過低，造成許多電力變?yōu)闊崮鼙话装紫摹?br />    非接觸充電裝置在日本的應(yīng)用
    2009年7月，日產(chǎn)與昭和飛行機公司公開了電磁感應(yīng)式非接觸充電系統(tǒng)，其傳輸距離為100mm左右，傳輸效率可達90%。
    但是，當(dāng)停車位置出現(xiàn)偏差而導(dǎo)致發(fā)送與接收盤之間出現(xiàn)較大誤差時，則會嚴(yán)重影響電力傳送效率。目前，正在致力于停車的橫、縱向偏差在200～300mm范圍，同樣確保其具有90%以上傳輸效率的研究。

    a) 充電工作狀態(tài)，圖中上為車載部分，下為傳送部分

    b) 車載接收裝置總成

    昭和飛行機公司研制的電磁感應(yīng)式非接觸充電裝置
    此外，上述兩家公司對傳送、接收之間進入動物以及金屬碎片等造成的不良影響也進行了研究。因為，這類異物會在二者之間產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致發(fā)熱并影響傳送效率。
    長野日本無線公司，于2009年8月宣布開發(fā)出了基于磁共振的充電系統(tǒng)。與電磁感應(yīng)方式相比，磁共振方式具有傳送距離長、停車誤差要求低等優(yōu)點?？梢栽?00mm的傳輸距離內(nèi)確保90%的傳送效率。但目前的傳送功率還比較小(約1kW左右)，擬定從叉車等使用范圍進入市場，伴隨著技術(shù)成熟程度和傳送功率的提高，有望很快進入電動車電充電領(lǐng)域。
    三菱重工業(yè)開發(fā)的微波式非接觸充電系統(tǒng)，將一組共48個硅整流二極管作為接收天線，每個硅整流二極管可產(chǎn)生20V的電壓和一定的直流電，能夠?qū)㈦妷禾嵘脸潆娝璧闹笜?biāo)并可實現(xiàn)1kW的功率輸出。其優(yōu)點是成本低，整套費用約合人民幣2萬元左右。缺點是傳輸效率低，目前的傳送效率只有38%。對此，三菱重工認(rèn)為：”雖不適于快速充電，但作為夜間谷區(qū)充電，電費只有傳統(tǒng)燃料費的10%～20%。如果將發(fā)熱過大的磁控管用于生活用水加熱，則綜合效率可到70%。此外，在安全方面也有防止微波泄露裝置，使用中不會給車輛上的電子設(shè)備和周邊人員身上的起搏器造成影響。
    非接觸充電方式一經(jīng)問世，便得到了世界各國的普遍關(guān)注，同樣也值得國內(nèi)同行學(xué)習(xí)與借鑒。