电动汽车非接触充电-范彦琨

电动汽车非接触充电技术研究范彦琨2012.11.23主要内容研究背景非接触充电装置蓄电池充电方式电路拓扑国内外研究成果1.研究背景能源危机：石油资源枯竭，而中国石油需求连年递增。节能减排：交通运输占我国石油消费16%。汽车尾气排放污染大气，加速全球气候变暖。大力发展新能源汽车是实现我国能源安全、环境保护以及中国汽车工业实现跨越式、可持续发展的需要。1.研究背景传统电缆充电方式操作不便，环境适应性差，雨天作业安全隐患大。1.研究背景非接触充电方式不需电缆连接，安全性高，适合停车场、住宅、无人值守充电站等场合。1.研究背景

2.非接触充电装置三种非接触充电方式对比电磁感应磁共振微波充电原理充电线圈供交流电并产生磁场，磁力线穿过分隔一定距离的接收线圈产生相应感应电动势，并对外输出电流基本原理与电磁感应式相同，只是充电与接收部分使用同一共振周期，可将阻抗限制在最低值并加大传输距离充电与接收装置均采用微波传送与接收技术频率范围22kHz9.9MHz2.45GHz输出功率30kW60W<20W传输距离<100mm2m<1000mm传输效率90%40%38%应用特点与不足传输功率大，最接近实用化；但送点距离短，远小于车底盘距离地面距离；发热比较大，且要防止杂物进入传输功率小，但传输距离较大，能够实现空间全方位电能传输大部分能量产生为热能；通过二次侧串联多个硅整流二极管提高功率，只适合夜间长时间充电

3.非接触充电装置电磁感应通过送电线圈和接收线圈之间传输力，是最接近实用化的一种充电方式。3.非接触充电装置E型和U型松耦合变压器对比：

磁芯横向尺寸L越大，磁柱中间间距Lc与气隙g比值越大，则耦合系数k越高。平面磁芯配合分布式的平面绕组也有利于减小漏感。Reference:ZhangW,ChenQH,WongSC,etal.Anoveltransformerforcontactlessenergytransmissionsystems[C].ProceedingsoftheIEEEEnergyConversionCongressandExposition,2009:3218-3.非接触充电装置U型和C型松耦合变压器对比：

左图为10mm气隙下磁通分布情况：C型磁芯磁通分布比较均匀；中图图为不同气隙下的耦合系数：C型磁芯略高于U型磁芯。右图为磁芯损耗：C型磁芯的磁芯损耗较大，体积也较大。Reference:Electromagneticanalysisofanewmagneticcoreoftransformerforacontactlesselectricvehiclecharging.ElectricalMachinesandSystems(ICEMS),2011InternationalConferenceon

U型C型3.非接触充电装置E-E型和圆形线圈对比：圆形线圈的耦合系数更好，体积也更薄Reference:DevelopmentofaNon-contactRapidChargingInductivePowerSupplySystemforElectric-drivenVehicles.VehiclePowerandPropulsionConference(VPPC),2010IEEE

3.非接触充电装置双端线圈矩形和单端线圈圆形松耦合变压器对比

(a)图变压器磁芯可以更小，x轴偏移情况下耦合系数好，但在铁芯背面有漏磁通，需要加薄铝片屏蔽。Reference:CompactContactlessPowerTransferSystemforElectricVehicles.Power

ElectronicsConference(IPEC),2010

3.非接触充电装置普通型和H型双端线圈矩形对比：

H型在重量、原副边水平偏差下耦合系数、传输效率上占优。Reference:ContactlessChargingSystems

.TelecommunicationsEnergyConference(INTELEC),2011

3.非接触充电装置不同形状松耦合变压器对比：当二次侧位于一次侧中部时，耦合系数趋于稳定；当靠近一次侧两端时，耦合系数变化很大。Reference：Studyandexperimentoflargepowerlinearcontactlesspowersupplysystemformovingapparatus.ElectricalMachines

and

Systems

(ICEMS),2011

3.蓄电池充电方式铅酸蓄电池镍氢蓄电池锂离子电池单体电池电压(V)2.01.23.6比容量(Wh/kg)30~5060~70130~150市场平均价（元/kWh）~500~5000~4000循环寿命（次/80%）~300~800~600优点成本低廉，技术成熟，无记忆效应支持大电流放电，安全性高循环使用寿命长，无记忆效应，长期使用性价比高体积小，比能量和比功率高，电压高，安全性高，无污染，无记忆效应缺点较低的比能量无法满足电动汽车续驶里程的需要价格较高，单体电压低，自放电损耗大，对环境温度敏感等价格高，充电要求高

3.蓄电池充电方式马斯定律：

1967年美国人J.A.MAS(马斯)以最低析气率为前提，提出了蓄电池能够接受最大充电电流和可以接受的充电电流曲线。其方程为：

i=Ioe-at式中

i——任意时刻t时蓄电池可接受的充电电流；

Io——最大初始可接受充电电流；

a——衰减率常数，也称充电接受比

3.蓄电池充电方式蓄电池三种常用的充电方式：带放电去极化的三段式可变脉冲充电二阶段充电三阶段充电

3.蓄电池充电方式镍氢电池恒流充电方式：t1阶段：活性物质完全转换，大电流快充t2阶段：析出氧气，电压快速上升t3阶段：过充电阶段，大量产热，应避免此阶段

3.蓄电池充电方式大功率锂离子电池三段式充电方式：t1t3t2t1阶段：单体电压<0.5V，以0.1C电流进行涓流充电t2阶段：单体电压0.5V~4.2V，以1C电流进行恒流快充t3阶段：补足充电，充电电流逐级递减直至0.1C，停止充电4.电路拓扑非接触供电原理框图：图1.基于分离式电压器的非接触供电原理框图

非接触电动车充电原理框图：4.电路拓扑WirelessCommunicationDisplayMCUMCUBMS4.电路拓扑1.单端式2.推挽式四种常用非接触拓扑对比：4.电路拓扑四种常用拓扑对比：3.半桥4.全桥

4.电路拓扑双向DC/DC拓扑：

4.电路拓扑蓄电池充放电控制电路：传统的电池放电电路双向半桥充放电电路5.国内外研究成果日