基于无线充电道路的充电模型研究

吴新宇　刘望

摘 要：本文以基于无线智能充电道路的电动汽车为研究对象，采用对比分析、仿真设计等方法，研究无线充电、储能技术。提出了一种解决电动汽车续航里程短及充电时间长的问题的方法，使汽车可以实现边行驶边充电，最终达到零充电时间、无限续航的目的。

关键词：道路无线充电技术 零充电时间 无限续航

Automatic driving system based on wireless intelligent charging road

Wu Xinyu Liu Wang

Abstract：This article takes electric vehicles based on wireless intelligent charging roads as the research object， and uses comparative analysis， simulation design and other methods to study wireless charging and energy storage technologies. This subject aims to propose a method to solve the problems of short cruising range and long charging time of electric vehicles， so that the car can be charged while driving， and finally achieve the purpose of zero charging time and unlimited battery life.

Key words：road wireless charging technology; zero charging time; unlimited battery life; automatic driving

1 引言

全球近四分之一的能源用于交通运输，以现有技术要想解决能源危机和环境污染问题，最佳选择无疑是电能全面取代化石燃油的交通能源新格局。相比于充电桩，无线充电装置的建设投入成本更加低，其中最显著优势是无线充电装置不受场地等因素的影响，也不占用任何空間，使得布局更加简易灵活。

本课题旨在于解决电动汽车续航能力不足及充电耗时时长的问题，最终实现的是无限续航、充电时间为零，从而使电动汽车普遍被人们所接受，从而逐步替代传统燃油汽车。

2 设计思路

针对新能源汽车发展中遇到的问题，本课题提出了一种简易解决电动汽车续航里程短及充电时间长的问题的方法，采用互感式道路无线充电技术，汽车与道路进行通信，当检测到有电动汽车通过时，发射线圈通电，电动车接收端把磁场能转变为电能储存，实现边行驶边充电的目的。

通过对比电磁感应、磁共振、无线电波三种无线充电方案，在目前技术发展水平上磁感式无线充电技术显然占据较大优势，充电功率高达数千瓦已经完全满足电动汽车充电功率需求，在能量转化效率上是最高的，能量转化效率通常可达到95%以上，工艺性较低，可大规模生产。

综合各类动力电池优缺点分析，本课题储能装置最终选择为超级电容为一级储能装置，其原因如下：大单体充放电电流可达到1000A，充电时间只需几秒支持超级快充技术，不受大电流冲击影响，放电循环寿命高达数百万次，尤其适用于这种道路点铺设无线充电的间断性大电流充电，物理储能能量效率近100%，自放率高;电容型三元锂池（电池三元锂电池并联电容，降低大电流对锂电池使用寿命影响）为二级储能装置直接作为电动汽车供能装置，自放率低可以弥补超级电容缺陷，在电动汽车长期不使用的情况下仍然能够保持充足电量。

3 设计原理

3.1 无线充电道路模型

无线充电道路模型：智能无线充电道路中间铺设有电磁信号线，进行发射电磁导航信号;电磁信号线两旁装设电缆及无线充电发射端和无线通信装置，检测到有电动汽车通过时，电缆发射电磁信号，智能汽车接收端把磁场能转变为电能储存，实现边行驶边充电的目的。智能无线充电道路如图1所示。

3.2 最高充电效率模型

研究最高充电效率模型：此模型建立的基本原理是电磁互感效应，考虑到电流的“趋肤效应”为进一步降低导线内阻，在线圈选择时应以较细导线多股缠绕为宜，发射线圈用直径为1.1mm的漆包线多股绕制并联4.6nF电容完成电流谐振，谐振电压为12V，640kHz交流电。

确定发射线圈与接收线圈效率最高位置，接收端线圈（内径70mm外径93mm），发射端线圈（直径260mm），输出功率：P=UI，在输出功率一定时，接受端线圈电流与电压成反比，实验发现接受端线圈与发射端线圈在一定范围内随着接收端线圈高度增加电压升高，电流减小，接收端线圈距离发射端线圈-5～5cm的高度时传输功率最大，根据电流、电压计算出内阻，再通过接收端线圈电流、电压计算出接收端功率P2=U2I2。

通过MATLAB控制电子升降台和电子负载，利用步进电机控制接收端线圈沿直径方向匀速移动，可以测量出接收线圈每一个位置的电压-电流，进行绘制的无线充电效率测试图如图2所示。

综上分析可知接收线圈并不是处于发射端线圈正中心位置时传输效率最高，而是在偏离接收端线圈中心位置处50mm输出功率最大。

3.3 无线充电自动调整装置

无线充电自动调整装置主要包括：无线充电接收线圈、X轴滑轨、Y轴滑轨、电动滑轮。本装置设计目的保证无线充电装置时刻处于能量传输效率最佳状态，根据上述实验所得出的结论，设定无线充电高效充电区域，并以此区域边界处的冲电效率作为阈值，无线充电自动调整装置安装在汽车底盘处，接收线圈可以沿着X轴滑轨和Y轴滑轨自由移动，当接收线圈充电效率大于等于阈值时，处理器判断接收线圈进入高效充电区域，此时电动滑轮停止运转;若接收线圈充电效率小于阈值时，电动滑轮不断沿着X轴滑轨和Y轴滑轨以平面扫描方式运动直到进入高效充电区域为止，所以无线充电自动调整装置能够自动追踪最佳充电效率，无线充电自动调整装置如图3所示。

3.4 储能方案选择

采用超級电容直接从道路获能，电能累积达到设定值后给电容型三元锂电池充电，使电池组使用寿命进一步增加。根据电容充放电特性：电压越高电容自放速率就越快，电容在一定的放电条件下随着放电时间增加电压降低的速率逐渐减缓。

根据以上特性，本课题设计使用四个100F的法拉电容进行串联连接，电容的额定电压为2.7V、耐压值3.3V。由于电容单体击穿电压非常低，通常都会设计防过充过压保护电路如图4所示。根据超级电容放电规律，要想充分利用超级电容内储存的电能，不能直接稳压输出而是采取先升压再稳压的策略，其目的是最大可能把超级电容中的电能释放出来，升压模块如图5所示。

4 结论

通过对比现有的各类无线充电技术方案，选择互感式无线充电技术。用CAD软件绘制无线充电道路模型、研究无线充电高效率模型，自动调整装置使充电效率时刻保持最佳状态。设计无线充电自动调整装置，使充电效率时刻保持最佳状态。分析各类储能装置优缺点，设计最优储能方案，超级电容为一级储能装置，电容型三元锂池为二级储能装置。通过Altium Designer 14.3软件对电路系统设计，使其在安全范围内充分释放出电能，进一步提高能量利用率。

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