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电动汽车无线充电技术
[发布时间]:2019年9月11日 [来源]: [点击率]:10915
【导读】: 背景  为了节约能源,减少环境污染,电动汽车受到了世界各国的大力推广。目前,由于电池容量及充电基础设施等条件的限制,充电问题成为电动汽车发展过程中而临的最主要的瓶颈问题。由于无线充电技术可以解决传...

  电磁兼容技术
  动态无线电能传输利用高频强磁场实现电能的无线传输,自身工作频率较高,电磁环境复杂,因此电磁兼容设计是一项重要内容,具体包括磁屏蔽设计、频率配置、接地设计、剩磁设计、软件抗干扰设计等。
  电动汽车无线电能传输电磁干扰抑制可分为主动屏蔽与被动屏蔽两类。被动屏蔽方而,主要是通过铁磁性材料为磁通提供一个可替代路径或者利用低磁导率金属导体材料产生一个与漏磁相反的磁场。利用铁磁性材料可改善磁藕合线圈的自感和互感系数,在增强耦合性能的基础上进一步优化磁场空间分布约束,磁路损耗较小,但屏蔽效果有限。金属屏蔽广泛应用于射频场合中,可抑制高频磁场电磁干扰。KAIST和橡树岭国家实验室的研究人员开展了金属导体材料磁屏蔽方而的研究,利用低磁导率金属导体来降低电磁干扰,该方案优点为设计简单、易于操作,但其局限性在于无法将发射线圈与接收线圈全部覆盖,导电材料在地而上的暴露磨损及存在的涡流损耗直接影响系统的性能。
  主动屏蔽方而,主要通过在耦合机构附近放置一个有源或无源主动屏蔽线圈,用以产生抵消磁场,相比于金属屏蔽,所占空间更小。KAIST在2013年发表的文章中,提出了一种加入谐振线圈的主动磁场抵消方法,并在一个绿色公交系统中进行了实验。在此基础上,2015年又提出了一种基于双线圈和相位调节的谐振式无源主动屏蔽方案,将屏蔽线圈放置在藕合机构的一侧,通过漏磁场产生感应电流,生成一个与原磁场相反的抵消磁场,实现磁屏蔽功能。然而由于受到控制因素制约,要产生一个与原磁场相位相反、幅度完全相同的抵消磁场难度较大,且引入的屏蔽线圈带来的系统整体效率的降低成为不可忽视的短板。

  多导轨充电技术
  (1)多级导轨模式分析
  电动汽车无线供电系统的导轨模式分为单级导轨模式和多级导轨模式,如右图所示。对于单级导轨供电模式,系统工作时在初级回路中只有一条导轨和一套初级电能变换装置在工作。对于多级导轨供电模式,系统工作时在初级线圈中有多段导轨和多套电能变换装置在工作,当电动汽车行驶到哪一条导轨上时就由该条导轨给电动汽车供电,其余导轨处于待机状态。当汽车行驶到下一段导轨时就关断上一段导轨并开启下一段导轨给电动汽车供电。

  由图可以看出单级导轨供电模式结构简单,容易控制和维护。但是由于导轨结构是单根长导轨,它也存在以下这些缺点:
  ①当导轨上行驶的汽车数量少时,系统的传输效率将会非常低;
  ②系统非常不稳定,对参数的变化敏感,任何微小的参数变化都可能导致系统无法稳定运行。
  因此希望提出基于多级导轨模式的电动汽车不停车供电系统,解决单级导轨供电模式下系统传输效率低,对参数变化十分敏感等问题。

  (2)单层多级导轨模式
  在单层多级导轨模式中,系统供电导轨被切分成N段导轨,每段供电导轨都配备有各自的电能变换装置、谐振补偿装置和换流开关,如右图所示。电能从电网输出,通过每段供电导轨各自的电能变换装置将工频交流电转换为高频交流电,在换流开关的控制下注入到谐振补偿网络中,在每段供电导轨中产生高频激励电流。最后通过祸合机构将能量输送到系统次级回路。

  由图看出单层多级导轨模式具有以下优点:
  ①实现了多级导轨的分时供电,提高了系统的传输效率;
  ②某一段导轨出现故障时,并不影响其他导轨的正常工作;
  ③降低了系统对参数变化的敏感性,提高了系统的稳定性;
  但是,这种导轨模式也存在一些争论。如果导轨长度设计的非常短,可以大大减小系统损耗,提高系统传输效率。但是由于增加了许多电能变换装置,也增加了系统控制和维护的难度,降低了系统的稳定性。如果导轨长度设计的较长,可以大大减少电能变换装置的数量,但是电能变换装置的单机容量增大,对电子器件的要求更高。同时增加了系统对参数变化的敏感性,也降低了系统的稳定性。为了解决这些问题,本文提出了另一种多级导轨供电模式,即双层多级导轨模式。

  (3)双层多级导轨模式
  在单层多级导轨的基础上,将N个导轨段改为N个导轨组,在每个导轨组中只有一套电能变换装置将工频交流电转换为高频交变电后注入到供电导轨中。每个导轨组又被分为n个小的导轨段,这n个小的导轨段都配备有各自的谐振补偿装置和换流开关。它们根据自身的负载状况,自适应切换到导轨供电状态,即实现了对双层多级导轨的分级控制。双层多级导轨示意图如图所示。

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