淺析電動(dòng)汽車無(wú)線充電的效率影響因素

電動(dòng)汽車無(wú)線充電，常見的技術(shù)路線有兩種，磁感應(yīng)耦合式和磁耦合諧振式。無(wú)線充電技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間很長(zhǎng)，一致無(wú)法使它替代有線充電的一個(gè)重要問題就是充電效率低。磁耦合諧振系統(tǒng)，基本的組成模塊包括發(fā)射整流模塊，逆變模塊，發(fā)射端補(bǔ)償模塊，發(fā)射線圈，接收線圈，接收端補(bǔ)償模塊，接收整流模塊。其中發(fā)射接收線圈和補(bǔ)償模塊是無(wú)線電力傳輸?shù)年P(guān)鍵部件。

發(fā)射線圈，將電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能量傳遞出去，接收線圈再將磁場(chǎng)能量還原為電能，無(wú)線電力傳輸過(guò)程中，線圈的性能至關(guān)重要。充電可以是靜態(tài)充電也可以是動(dòng)態(tài)的邊走邊充，不同的充電形式，要求線圈的樣式并不相同。

靜態(tài)充電線圈形式，主要有雙邊線圈和單邊線圈兩種。雙邊線圈存在漏磁現(xiàn)象，應(yīng)用已不多。單邊線圈，目前應(yīng)用最多的具體實(shí)現(xiàn)形式是平面螺旋線圈，為了提高線圈的抗偏移能力，有研究設(shè)計(jì)了DDQ線圈。基本的線圈結(jié)構(gòu)是行車方向上，前后排列的兩個(gè)平面線圈，而DDQ線圈，是在前者的基礎(chǔ)上，在每個(gè)平面線圈內(nèi)部垂直方向上增加一組線圈，構(gòu)成“Q”字。

動(dòng)態(tài)充電線圈，以預(yù)埋在路面下面的導(dǎo)軌的形式呈現(xiàn)，也可以分成兩種類型，集中供電導(dǎo)軌和分段供電導(dǎo)軌，區(qū)別只在導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)形態(tài)。動(dòng)態(tài)充電，需要車輛具有穩(wěn)定不變的運(yùn)行路線，因此是適用于公交大巴的無(wú)線充電方式。趨膚效應(yīng)，導(dǎo)體中流過(guò)交變電流或者存在交變磁場(chǎng)時(shí)，電流向?qū)w表面集中的趨勢(shì)，頻率越高，這種趨勢(shì)就越明顯。電流集中在表面流動(dòng)，造成導(dǎo)體電阻增加，發(fā)熱量增加等問題。

鄰近效應(yīng)，指高頻交流電流在臨近的兩個(gè)導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流由向臨近導(dǎo)體一側(cè)集中的趨勢(shì)。以上兩種效應(yīng)，都可能造成多匝數(shù)線圈內(nèi)部電流分布不均，從而增加內(nèi)阻，增大發(fā)熱量。都是需要盡力避免的問題。什么是利茲線？利茲線指一種導(dǎo)體是由多根獨(dú)立絕緣導(dǎo)線絞合或者編織而成，利茲線利用較小的單股線徑和特別的編織方式，在很大程度上解決了趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)問題。

電能傳輸線圈之間的松耦合關(guān)系，漏感較大，耦合率低，使得回路中的無(wú)功占比比較大。系統(tǒng)中設(shè)置諧振補(bǔ)償模塊，目的是進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高功率系數(shù)。補(bǔ)償模塊的原理主要有串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償兩種形式，其中串聯(lián)應(yīng)用較多。LCL 型諧振電路，能使發(fā)射線圈的電流表現(xiàn)恒流源特性，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

正交拾取機(jī)構(gòu)以外，還有圓形電磁結(jié)構(gòu)，微型鋁線圈等。前者可以在更大范圍內(nèi)充電，后者則可以有效減小電阻，一定程度上提高輸電效率。

這是一個(gè)與磁耦合傳輸方式相類似的需求，用補(bǔ)償電路調(diào)整系統(tǒng)的功率因數(shù)。磁感應(yīng)耦合的無(wú)功主要來(lái)自松耦合可分離變壓器原邊與副邊之間有較多的漏磁，尤其在移動(dòng)充電過(guò)程中，存在著送電線圈與受電線圈嚴(yán)重對(duì)不準(zhǔn)的現(xiàn)象?；芈分须娮柚档恼{(diào)節(jié)，則可以起到調(diào)整發(fā)射功率和電能傳輸效率的作用。

它將從電網(wǎng)獲得的交流經(jīng)過(guò)整流濾波電路后逆變成高頻交流，高頻交流通過(guò)松耦合變壓器的原邊線圈發(fā)射給次級(jí)線圈，它的效率、穩(wěn)定性和可靠性影響整個(gè)充電系統(tǒng)的性能全橋比半橋效率高，因此全橋高頻電路常常被應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電發(fā)射端。相應(yīng)的，全部能夠提高電力電子設(shè)備效率的方式，都可以提高無(wú)線充電系統(tǒng)的充電效率。

電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)中的松耦合變壓器，初級(jí)線圈部分埋設(shè)于地下，次級(jí)部分在汽車底盤上，底盤和地面存在豎直方向的氣隙，如果在水平位置沒有對(duì)準(zhǔn)，還存在水平偏移，電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)中的松耦合變壓器與地面發(fā)射線圈的耦合系數(shù)將減小，漏感較大。漏感大，系統(tǒng)的無(wú)功功率大，電能傳輸效率低。

根據(jù)電力無(wú)線傳輸功率和效率公式，系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)節(jié)電阻，可以調(diào)節(jié)頻率和效率，而頻率越大，功率也越大；同時(shí)功率與電阻成正比，效率在一定范圍內(nèi)也隨著電阻的增加而增加。但是最大功率點(diǎn)和最大效率點(diǎn)不重合。需要權(quán)衡發(fā)射功率與效率的關(guān)系。

線圈電感L的影響因素包括線圈的大小、形狀、匝數(shù)，以及是否有鐵芯；兩個(gè)線圈的互感M的影響因素：兩個(gè)線圈的匝數(shù)、集合尺寸、相對(duì)位置和線圈之間的磁介質(zhì)。

觀察上面公式，結(jié)合電動(dòng)汽車充電場(chǎng)景的現(xiàn)實(shí)，可以看出，線圈耦合系數(shù)與線圈互感成正正比，與兩個(gè)線圈的2次方根成反比。探究下一層的影響因素，線圈自身因素確定的情況下，影響耦合系數(shù)的主要因素就是兩個(gè)線圈的相對(duì)位置。線圈之間的距離、偏移和旋轉(zhuǎn)等變化，耦合系數(shù)也隨之變化，最終會(huì)導(dǎo)致充電效率的變化。