电动汽车动态充电系统改进研究

大连市育明高级中学 提 前

电动汽车动态充电系统改进研究

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电动汽车动态充电技术目前属于技术空白，在世界仍没有一项工程应用实例。研究提出了“一种电动汽车充电系统”，该系统已于2017年02月13日获得《实用新型专利》。研究围绕 “一种电动汽车充电系统”展开，经过理论论证、实验分析、模型分析等阶段，相应地针对系统能量转化率低的问题提出了两种改进方案和发展方向。同时，研究也回顾了整个四年的研究历程，提及了前期的三种概念性技术方案。

电动汽车；动态充电系统

1.前言

为解决传统汽车尾气排放、石油资源已经接近枯竭的问题，电动汽车正成为各国汽车行业新的发展趋势。电动汽车能够达到零排放、耗能少，但电动汽车也存在动力性不足、续航里程低的缺点。现有的大多数电动汽车是充一次电可以行驶若干公里，在电量不足时需要停车再次充电，因此在电池充电技术未取得突破之前，纯电动汽车的续航里程仍受到很大制约。丰田汽车的副会长内山田武（内山田武被誉为“普锐斯之父”）表示：“因为存在行驶距离、成本和充电时间等问题，电动汽车不是大多数传统汽车切实可行的替代品。我们需要一些全新的东西，”[1]如果能使电动汽车在行进的过程中也进行充电，将能在很大程度的提高电动汽车的续驶里程，这对电动汽车的普及和推广具有重要意义。

2.研究内容

2.1 简述

研究提出了一种电动汽车（动态）充电系统，通过设置高频强磁场提供端、闭合回路线圈端和中心控制计算机实现能量由电网电能—磁场能—车体电池电能转化。通过设置保护性装置和保护性运行程序实现对人体、环境以及车体的保护。

图1 高频磁场提供端

2.2 结构组成

系统具体包括高频磁场提供端（其中有：产磁墙单元模块组2、电流和频率检测和控制模块3、无线Wi-Fi3）、闭合回路线圈端(其中有：磁能接收车轮、碳刷滑环电路系统10、电能检测及计费装置、无线Wi-Fi3、稳流稳压装置、车体电池及电动机)、中心控制计算机（通过无线Wi-Fi3的连接实时对两端口进行适应性调配）。

高频磁场提供端为安装于路面两侧的与轮胎高度匹配的产磁墙单元模块组2，产磁墙单元模块组2接电流和频率检测和控制模块3，电流和频率检测和控制模块3连接交流电网，电流和频率检测和控制模块3通过无线Wi-Fi3装置连接中心控制计算机，产磁墙2的上侧、下侧和后侧设有绝缘隔磁保护层1，产磁墙2靠近行车道一侧设有活动结构的金属屏蔽块6，金属屏蔽块6连接机械传动机构，机械传动机构连接控制器，整个供电产磁单元2通过Wi-Fi装置3与中心控制计算机通信；闭合回路线圈端是包括轮胎7，轮胎（充气）7部分以内设有金属线圈9，轮胎7靠近车体一侧设置碳纤维薄板，轮胎的轮毂8上安装碳刷滑环电路系统10，碳刷滑环电路系统10连接汽车充电端，轮毂8上设有电能检测及计费装置和无线Wi-Fi装置，电能检测及计费装置通过无线Wi-Fi连接中心控制计算机。具体实施方式，由于篇幅限制，从略。

2.3 改进方案的概念性研究方案

简述：通过设置中心控制计算机,在路面上方设置距离略小于车宽的（供电）产磁薄膜，在车的头部、尾部设置接收磁能线圈，并在接收磁能线圈周围也设置短程信息交互元件,实现在公路上对运动中汽车充电。

结构组成：（供电）产磁薄膜的位置由路面两侧搭建的碳纤维架和柔性弹性绳固定，使其离地高0.6M,间距1.4M，当有车通过时，其间距可增加至1.8M，且仍无较大的力作用于车体。产磁薄由四层薄膜层（分别为两侧外层的光滑保护性薄膜，产磁饼形小线圈薄膜、开关控制电子薄膜）复合而成。产磁线饼薄膜密集设置饼形产磁线圈组元件与短程信息交互元件并在这些元件下方覆盖开关控制电子薄膜，使每个饼形小线圈可以独立工作。

工作方式：当车通过产磁路面墙时，车体会撑开（供电）产磁薄膜，车载线圈周围短程信息交互元件激发薄膜上的短程信息交互元件工作，从而通过开关控制电子薄膜使且仅使车前、后备箱中线圈所对应的饼形小线圈工作。进而通过传统的磁感应式充电原理充电。中心控制计算机相当于整个系统的大脑，其工作方式与前型方案类似。

3.研究方法和结果

3.1 定量分析法，定性分析法、实验法、调查法相结合

电动汽车动态充电系统的两端口间电能传输实质上电磁感应式电能传输，两端口实质上是励磁线圈、感应线圈。通过调查法，在《汽车之家》网站[5]确定了市场上销量最大的三款电动汽车参数，并初步设定研究方案硬件参数。

励磁线圈 感应线圈U1 ----- U2 14V I1 待定 I2 -----n1 待定 n2 设为50匝R1 0.35m R2 0.35m f1 100kHz f2 -----L1 0.4m L2 0.1m D=0.1m

其中，I 表示负载电流（单位安培），U 表示负载电压（单位伏特），n 表示线圈匝数（单位匝数），R 表示线圈电阻（单位欧姆)，f 表示频率（单位千赫兹）,D表示两线圈间距离（单位米），L表示线圈长度。

根据毕奥·萨戈尔定律可以列出励磁线圈靠近感应线圈一端的一匝线圈对于感应线圈的磁通量的方程为：

关于励磁线圈轴长积分，可以得到整个励磁线圈对于感线圈的磁通量的方程为：

由于感应线圈端需要得到14V电压（考虑电路损耗，实际输入车体电压为12V，四个车轮上的感应线圈端串联可以得到48V充电电压），根据法拉第定律可以列出方程：

转化率

根据公式(2)、(3)、(4)，猜想转化率应当与感应线圈内部空间磁导率、励磁线圈电流频率、强度，两线圈匝数、面积，两线圈间距离有关，需要通过实验验证猜想正确性。

图2 实验装置图

实验测得数据为：

其中，d 表示感应线圈两端与励磁线圈的两端中距离最小值（单位），表示实验能量转化率：

根据实验，证实了缩短两线圈间距离，提高感应线圈内部空间磁导率均可以大幅度提高能量转化率。仅就实验，不改变其他变量，将感应线圈内部空间由空气替换为铁氧体，可以将转化率提高一个数量级。

但实验所得到转化率总体偏低，实验数据不理想，通过调查变压器制造行业，当线匝在密绕时，其单位面积负载电流为3A/cm2，实验设备选定预设单位面积负载电流为8A/cm2，这与实验中通电后，60秒励磁线圈温度升至70℃的现象相吻合。

再进一步分析，实验装置若能够提高励磁线圈中电流频率，增大励磁线圈与空气接触面积，也可以直接或间接增大能量转化率。

改进后实验装置如图3所示：

图3 改进后实验装置图

在改进装置后，实验结果理想。

3.2 定性分析法、比较研究法、初步的探究性研究法、实验法、观察法相结合

针对电动汽车动态充电技术研究的改进方案，即产磁薄膜路面，为使薄膜形状可塑，将产磁端由传统线圈替换为饼状线圈。

设N匝实心线饼，线径为r，通过电流为I，对于其上第i匝线圈某一点（长度为dL），求其受到磁场强度。其他任一匝线圈为i1，任一匝上某点（长度为△l）与定点夹角为β，可列出方程：

将(7)(8)(9)(10)(11)(12)联立方程，得出了一个极其复杂的方程，其还没有完全展开平方式、根号就有16项。

转而对计算简化，在实心饼形线圈中，设导线直径为da，通过电流为I，线饼内半径为R2，外半径为R，可以粗略求出饼状线圈的第i匝上某点的磁场强度Bi。

可以得出：

然而此式也仅能对同一线饼上点与点的磁场强度的大小做定性上的比较，通过求极值，当在第匝时，磁场强度可以取到最大值，此数据对于系统实际应用起到启发价值，同时引发了问题：同样规格线圈，实心线饼和空心(匝数大于匝)线饼哪个会产生更高的转化率？

实验将左侧线饼与右侧线饼的位置关于轴心重合，覆叠放置，通过比较LED灯亮度探究何种方式时能量转化率高。（绕制两种线饼外径相同，线圈与它们匝数相同，所用漆包线线径相同）

相关参数为：

励磁线饼1 励磁线饼2 励磁线圈3 感应线圈 感应线饼（补加）N(匝数) 32(双层) 54(双层) 28 28 32(双层)R内(mm) 8.4 0 13.30 13.30 8.4 R外 (mm) 15.30 15.35 15.20 15.20 15.30

由模拟实验可以初步估算改进方案2的能量转化率可以达到30%-60%。

4.分析和讨论

电动汽车动态充电系统研究过程中，由于实验条件所限，缺乏专业器材，利用了弱电代替强电模拟效果，然而在实际应用中，强电与弱电在许多方面有着截然不同的性质，例如：变压器中220V励磁线圈端，应考虑漆包线击穿问题，二者对于变量忽略也不尽相同。在计算系统能量转化率时没有考虑自感对于磁场的影响。另外，在制作电动汽车动态充电系统模型过程中，由于道路旁励磁线圈无法做到适时开启。因此，在系统运行过程中，整条模拟道路线圈均处于常开状态，在模拟系统运行时，须考虑动态电动势对系统影响，即楞次定律。设B为磁场强度，d为接收线圈直径，v为车体速度，r0为导线导电率，l为导线长度，为其他部分电阻，n为匝数。

实验模型装置需补偿44%动生电动势损耗，但实际系统中由于隔磁活动挡板会不断开闭，再加上电流频率的影响，动生电动势产生的楞次定律现象可以忽略。

应考虑到的是，电动汽车动态充电系统研究讨论频率对于转化率的影响时，没有涉及波形对转化率的影响，但据分析和查阅相关文献，正弦波相对于方波有更好的转化率，因其磁场强度变化率更大，且方波形有棱角，易于在空间中激发干扰电磁波。进一步地，关于何种波形，会使能量转化率更高，仍需进一步探究。

最后，关于改进的两种方案，如果能使两端口在磁传导时达到共振频率是最理想的，即能够利用共面谐振电磁耦合式传导技术。电磁谐振耦合技术，在目前技术未实际应用。

根据目前情况，又提出了产磁薄膜充电系统，但仍有关于大功率传输的技术难题。系统也存在与车体会产生摩擦生热，尽管会采用先进的材料避免生热，但道路仍需限速。

5.研究结论

针对生活中充电汽车，研究提出了一种电动汽车动态路面系统，经过一系列实验，参考文献后，得出结论：若使用电磁感应式无线电输电技术，其理论转化率达0.5%。于是提出改进方案：

电磁感应输电技术的电能转化率与两端口距离的三次方成反比，与传导介质导磁率成正比，根据以上转化率与传输距离、传输介质密切相关计算和实验结果，对概念方案进行了再一次改进，新方案对接收端口增加导磁介质，将传输距离由至少0.15米缩短至0.01米以内。通过小功率模拟实验，其转化率可以达到30%-60%。

[1]百度百科-电动车词条[OL].

[2]百度百科-公路等级词条[OL].

[3]李宗台.浅说高频电磁场危害及其保护方法-技术改造[J].

[4]曾翔.无线电力传输技术研究[J].硅谷.

[5]汽车之家网站[OL].

[6]程稼夫.中学奥林匹克竞赛物理教程电磁学篇[M].中国科学技术大学出版社.

[7]黄季樨,汪海.飞机结构设计与强度计算-图1.3.1飞机研制的流程图[M].上海交通大学出版社.