电动汽车自动感应充电系统设计

姚静

摘要：作为新能源汽车的代表，电动汽车的优势就是节能环保。可是，充电问题和续航里程，一直是大众关注的焦点，也是市场的关键痛点。目前，电动汽车主流的充电方式有：便携式充电线充电、家用充电桩充电、快速充电桩充电、超级电站充电等，而这些都属于需要插入充电线的有线充电方式。目前国内充电桩的建设速度远远落后于电动汽车的增长速度。主要原因是：充电桩建设前期投入大、商业模式不清晰、盈利困难等。

Abstract： As the representative of new energy vehicle， the advantage of electric vehicle is energy conservation and environmental protection. However， the charging problem and range， has been the focus of public attention， but also the key pain point of the market. At present， the main charging methods for electric vehicles are： Portable charging wire， household charging post， quick charging post， super power station charging and so on， which are all wired charging methods that need to be plugged in. At present， the domestic charging pile construction rate lags far behind the growth rate of electric vehicles. The main reasons are： large investment in the early stage of charging pile construction， unclear business model， difficult to make a profit， etc.

关键词：电动汽车;感应充电;自动

Key words： electric vehicle;induction charging;auto

中图分类号：TM910.6                                  文献标识码：A                                文章編号：1674-957X（2020）24-0202-02

0  引言

据工信部发布的数据显示，2009年到2015年国内新能源汽车增加49.7万辆，累计已达56万辆，预计到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆，日益增长的新能源汽车将对充电基础设施提出更高的要求。

充电基础设施建设远落后于新能源汽车产业发展。国家计划在2020年建成1.2万座集中式充换电站、480万个分散式充电桩。电动汽车的快速增长，必然会对其充电模式的快捷与方便性提出更高的要求，目前各类电动汽车的充电方式主要以充电站、充电桩或更换电池的模式为主，而充电站或充电桩的建设速度完全无法匹配电动汽车快速增长的需求，成为了制约电动汽车发展的最大瓶颈之一。

1  传统充电系统的弊端

对于电动汽车来说，蓄电池充电系统是电动汽车在运行的过程当中绝对不能够缺少的一个子系统。蓄电池的充电系统会把电网的电能转换成电动汽车所需要的车载蓄电池的电能，由于它可以直接跟使用者打交道，所以说具有非常好的使用性能，以及良好的安全性能是非常重要的。现如今蓄电池的充电的方式主要采用的是导线连接这样的办法，使用这种办法来充电其导线需要裸露出来，而且容易出现接触的火花，在化工等一些比较易燃易爆的区域使用这种方法的话，其实会受到许多的限制，而且多次插拔很有可能会导致其充电接口出现磨损的情况，能量的传输也会相应的受到一些影响。在室外充电桩充电时，充电导线裸露在外，受温度、湿度等影响，存在着一定的安全隐患。因此新型充电方式的出现是一种必然趋势。

2  感应充电的优势

近些年来，无线传感网络技术开始出现并且得到了广泛的使用，对于使用无线的方式来传输电能是社会发展的必然需求。无线能量传输其实指的就是通过非接触的方式来把电能进行传输，这是一种新的技术，对于在空间内实现无线电能的传输，大致可以分成三类：第一种是用电磁感应原理来进行短程的传输，这种方式能够在短距离内传递比较大的功率。第二种是以非辐射性的交变磁场耦合的电磁谐振方式来实现中等程度的传输。第三种是把电能以微波或者是激光的方式发射到远程来进行接收，然后通过整流以及调制等之后完成远程的传输。使用感应充电系统在充电过程当中，绕组可以分别绕在不同的磁性结构上面，原边绕组跟供电系统的电源连接在一起，副边绕组跟负载联合在一起，这样能够有效地实现电源跟负载之间的能量的耦合，使用无接触式的充电，避免了接触过程当中容易出现的火花以及导线裸露所造成的安全隐患问题。对于移动类的电子设备来说，由于其外壳上面没有任何的金属接点或者是开口。可以增强电子产品的防水性，同时也可以解决目前不同品牌以及不同接口的一些充电的问题。

3  自动感应充电系统整体设计

有线充电方式存在传导式充电接口限制多、安全隐患大、占用公共资源多等问题。感应充电技术是应对这一问题的解决方案之一。感应技术可以解决传统传导式充电接口限制多、安全隐患大、占用公共资源多、用户充电操作过程效率低、占用充电位影响其他排队用户充电等问题。我所设计的感应充电系统，利用感应充电技术，可以通过非接触的方式为电动汽车提供能量供给，实现停车即可自动充电，无需人工干预，自动充电系统可在车位中自动定位充电车辆，不存在占桩问题引起的充电设备利用率低的问题，充电场地限制要求小，充电方式灵活、无导电点外漏、无电缆拖拽、操作智能化。该系统由感应充电装置、自动定位装置和升降充电基座三部分构成。

3.1 感应充电装置

感应充电技术在20cm传输间距下，可以实现3.3kW非接触能量传输，整体效率达到89%。应用变频闭环控制，使系统可以在垂直间距在20-25cm范围内或水平侧移位移在-10-+10cm范围内满足要求工作，传输功率在3.1-3.3kW范圍内，系统整体效率在85-89%范围内变化[2]。 通过研究发射功率和负载获得功率与充电间隔距离之间关系的实验，发现近距离充电时耦合因数会使最佳谐振频率漂移，远距离充电转换功率会减小，从而得出寻求合适的距离能使充电功率保持稳定的结论[3]。该系统是源于无线电力输送技术，是利用近场感应，也就是电感耦合，由供电设备（充电器）将能量传送至用电的装置。该装置由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量。能量接收器使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。由于充电器与用电装置之间以电感耦合传送能量，两者之间不用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。

3.2 自动定位装置

目前充电设施使用的都依赖人工操作，尤其对于分时租赁的电动汽车运营商，充电管理成本高，车辆满电率低，无法带给用户良好的体验。 本设计系统结合当前应用较为普遍和可靠的技术，对自动充电系统进行一系列的研究工作，旨在开发出一套操作自动化、运行可靠稳定，且有完备功能并适宜在城市普遍推广的电动汽车自动定位充电系统。自动定位式充电器可以解决前期充电桩建造费用大、数量多的问题[4]。自动充电技术现在已经在家用扫地机器人上应用，机器人电量不足时会自动寻找插头进行蓄电，整个充电过程无需人工干预。汽车充电利用该技术可以实现充电桩共享节约建设成本的目的。这个过程汽车对充电基座发出定位信息，基座忙时可以预约等候，当基座空闲时可以自动移动到待充电汽车底部和该汽车无线充电器进行匹配充电，充电结束充电基座自动寻找下一辆待充电汽车，期间无需人工拔插插头或移动汽车，提高充电桩利用率。此过程方便快捷，变“车找电”为“电找车”。

3.3 升降充电基座

不同型号的汽车存在底盘高度不同的问题，如果采用感应充电，接收器与充电机座势必需要选择合适的距离，因此必须让接收器或者充电机座动起来。我的设计方案是采用可升降的充电机座。采用升降式设计还可以解决多型号汽车底盘高低不等感应充电距离不同充电效率不稳定的问题。同时使用升降式充电基座，可使得基座和接收器之间距离控制在最合理的范围内，可有效的减小感应充电过程的能量衰减保持充电功率稳定。

4  自动感应充电系统模型设计

本设计旨在研究如何将无线移动充电技术应用于停车场充电站。该设计采用玩具汽车来模拟真实汽车，进行无线充电改造，并与手机预约充电APP通信，汽车模型至少包含3种车型;停车场底层机构采用钣金结构，地面为有机玻璃，可通过有机玻璃直观看到地下移动无线充电结构，每个移动无线充电设备至少可负责5个停车位的无线充电功能，如果学校资金允许，可采用定制智能停车场沙盘模式，配有地面设施，包含停车场、摄像头设备、起落杆、道路、绿化、围栏、灯光、指示标志、构筑物等。

自动感应充电系统移动单元采用麦克纳姆轮，铝合金结构，车架尺寸：188*215*71mm，采用4个优质TT减速电机，带有AB双相霍尔编码器，可承重15kg，可直行和横行，带动电源拖链和无线充电基座。如果资金允许也可以采用无源移动至充电位置后自动接通电源和充电。

升高系统：升降行程为60mm，驱动为精研丝杆副和滑动导轨，采用步进电机驱动，主体材料采用铝合金，表面阳极氧化处理，中心承载重量为10kg，并装有接近传感器，当接近汽车底盘时减速后停止，可以尽可能的靠近汽车底盘充电。

无线充电系统输入电压为24-30VDC，线圈外直径70mm，厚3mm，输出电压12V，输出电流2A，接受距离为6-10mm，线圈外直径50mm，厚2.5mm。

5  模型分析

经过对自动感应充电模型分析，我发现自动感应充电系统相比于目前插入式或称接触式的充电技术在充电站建设、实际使用、后期维护等方面均体现了一定的优势：①空间利用率高。移动无线充电设备贴近地面安装，甚至可以埋入地下，且可自由移动，在相同建设面积情况下，只需少量移动无线充电设备，就可完成充电站建设;②适应性强、可靠性高。移动无线充电可以采取密封安装与无接触使用，可在雨雪天气下进行使用并提高了可靠性;③安全性高。无线充电设备无外露导电点，且使用时车与人都无需接触充电设备，理论上可杜绝由于漏电产生的安全问题，保障人身安全。

6  结束语

该充电系统投入应用后，相比传统充电桩的充电方式更加便捷。充电器基座自动移动，按照定位寻找预约车辆，自动匹配，无需用户移动汽车，拔插插头，可以杜绝汽车占桩行为，提高了资源利用率。充电过程无需人工干预，用户体验大大提高。该充电系统无需征地，利用城市电网，依托现有停车路面进行改造，建设成本相对低廉。另外，自动感应充电位具有建设快速、分布式、无外露导线、充电器共享，运营成本更低、安全性更高。

参考文献：

[1]电动汽车无线充电系统效率特性研究[D].2017.

[2]任晓峰.电动汽车无线充电系统的研制及性能优化[D].哈尔滨工业大学，2014.

[3]冯锟.关于磁耦合谐振式无线充电系统能量传输原理及距离因素的研究[J].现代传输，2014（3）：63-66.

[4]施莹.基于机器人的电动汽车充电系统及其自动插接的研究[D].哈尔滨工业大学，2016.

[5]李赟，朱发旺.基于感应充电的电动车充电系统设计[J].电源技术，2017，41（09）：1364-1365，1376.

[6]蒋强，熊小龙，艾劼.电动汽车充电模式及充电接口进展[J].电源技术，2018，42（08）：1257-1260.