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浅析电动汽车无线充电的效率影响因素

2019年08月05日 16:50 次阅读

电动汽车无线充电,常见的技术路线有两种,磁感应耦合式和磁耦合谐振式。无线充电技术出现的时间很长,一致无法使它替代有线充电的一个重要问题就是充电效率低。磁耦合谐振系统,基本的组成模块包括发射整流模块,逆变模块,发射端补偿模块,发射线圈,接收线圈,接收端补偿模块,接收整流模块。其中发射接收线圈和补偿模块是无线电力传输的关键部件。

发射线圈,将电能转化成磁场能量传递出去,接收线圈再将磁场能量还原为电能,无线电力传输过程中,线圈的性能至关重要。充电可以是静态充电也可以是动态的边走边充,不同的充电形式,要求线圈的样式并不相同。

静态充电线圈形式,主要有双边线圈和单边线圈两种。双边线圈存在漏磁现象,应用已不多。单边线圈,目前应用最多的具体实现形式是平面螺旋线圈,为了提高线圈的抗偏移能力,有研究设计了DDQ线圈。基本的线圈结构是行车方向上,前后排列的两个平面线圈,而DDQ线圈,是在前者的基础上,在每个平面线圈内部垂直方向上增加一组线圈,构成“Q”字。

动态充电线圈,以预埋在路面下面的导轨的形式呈现,也可以分成两种类型,集中供电导轨和分段供电导轨,区别只在导轨的设计形态。动态充电,需要车辆具有稳定不变的运行路线,因此是适用于公交大巴的无线充电方式。趋肤效应,导体中流过交变电流或者存在交变磁场时,电流向导体表面集中的趋势,频率越高,这种趋势就越明显。电流集中在表面流动,造成导体电阻增加,发热量增加等问题。

邻近效应,指高频交流电流在临近的两个导体中流动时,导体内部的电流由向临近导体一侧集中的趋势。以上两种效应,都可能造成多匝数线圈内部电流分布不均,从而增加内阻,增大发热量。都是需要尽力避免的问题。什么是利兹线?利兹线指一种导体是由多根独立绝缘导线绞合或者编织而成,利兹线利用较小的单股线径和特别的编织方式,在很大程度上解决了趋肤效应和临近效应问题。

电能传输线圈之间的松耦合关系,漏感较大,耦合率低,使得回路中的无功占比比较大。系统中设置谐振补偿模块,目的是进行无功补偿,提高功率系数。补偿模块的原理主要有串联补偿和并联补偿两种形式,其中串联应用较多。LCL 型谐振电路,能使发射线圈的电流表现恒流源特性,是当前研究的重点。

浅析电动汽车无线充电的效率影响因素

正交拾取机构以外,还有圆形电磁结构,微型铝线圈等。前者可以在更大范围内充电,后者则可以有效减小电阻,一定程度上提高输电效率。

这是一个与磁耦合传输方式相类似的需求,用补偿电路调整系统的功率因数。磁感应耦合的无功主要来自松耦合可分离变压器原边与副边之间有较多的漏磁,尤其在移动充电过程中,存在着送电线圈与受电线圈严重对不准的现象。回路中电阻值的调节,则可以起到调整发射功率和电能传输效率的作用。

它将从电网获得的交流经过整流滤波电路后逆变成高频交流,高频交流通过松耦合变压器的原边线圈发射给次级线圈,它的效率、稳定性和可靠性影响整个充电系统的性能全桥比半桥效率高,因此全桥高频电路常常被应用于电动汽车充电发射端。相应的,全部能够提高电力电子设备效率的方式,都可以提高无线充电系统的充电效率。

电动汽车无线充电系统中的松耦合变压器,初级线圈部分埋设于地下,次级部分在汽车底盘上,底盘和地面存在竖直方向的气隙,如果在水平位置没有对准,还存在水平偏移,电动汽车无线充电系统中的松耦合变压器与地面发射线圈的耦合系数将减小,漏感较大。漏感大,系统的无功功率大,电能传输效率低。

根据电力无线传输功率和效率公式,系统内的调节电阻,可以调节频率和效率,而频率越大,功率也越大;同时功率与电阻成正比,效率在一定范围内也随着电阻的增加而增加。但是最大功率点和最大效率点不重合。需要权衡发射功率与效率的关系。

线圈电感L的影响因素包括线圈的大小、形状、匝数,以及是否有铁芯;两个线圈的互感M的影响因素:两个线圈的匝数、集合尺寸、相对位置和线圈之间的磁介质。

观察上面公式,结合电动汽车充电场景的现实,可以看出,线圈耦合系数与线圈互感成正正比,与两个线圈的2次方根成反比。探究下一层的影响因素,线圈自身因素确定的情况下,影响耦合系数的主要因素就是两个线圈的相对位置。线圈之间的距离、偏移和旋转等变化,耦合系数也随之变化,最终会导致充电效率的变化。

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