电动汽车电池管理及无线充电技术课程报告

2017 年春季学期研究生课程考核

（阅读报告、研究报告）

考核科目:电动汽车电池管理及无线充电技术

学生所在院电气工程及自动化学院

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电动汽车的无线充电技术调研学习报告

赵航宇

院（系）：电气工程及自动化学院专业：仪器仪表工程

学号：16S101097 指导教师：朱春波魏国

2017年3月

概述第一章

电能是我们日常生活中不可或缺的能源之一，我们日常生活中具有电池的装置有很多，手机、pad等电子设备快速发展，这些都是需要时常充电的设备，无线充电技术对电池设备的方便使用有着重要的作用，当前无线充电技术的发展中，机遇与挑战并存，把握相关关键技术，促进无线电技术的发展，为人类社会做贡献是当前相关研究人员的重要任务。

无线充电技术指的是，电池设备在充电过程中不借助电能传送导线，利用电磁波感应原理或者其他相关的交流感应技术，在电能的发送和接收处安装相应的设备，通过设备发送和接收产生的交流信号给设备进行充电的一种新型充电技术，无线充电技术实现了不用电源线给设备进行充电，极大地增加了充电的便利性，当前无线充电技术的应用还不够广泛，在其发展的过程中有机遇也有挑战，我们应当积极了解无线电技术的发展和相关关键技术。

1831年，迈克尔法拉第发现了电磁感应现象，通过实验研究发现，电磁通量的

变化会产生感应电动势，从而产生一定的感应电流，电磁感应现象的发现对无线充电技术的产生有着重要的指导作用。

19世纪90年代，尼古拉特斯拉提出了无线电力传输的构想，这也是人类第一次

的无线电力传输思想，所以人们称之为无线电能传输之父。特斯拉在构想中将地球作为内导体，外导体是地球外的地球电离层，在内导体和外导体之间建立低频共振的径向电磁波振荡模式，从而实现表面电磁波传输能量。特斯拉的大胆构想虽然因为财力等各种原因没有实现，但其无线电力传输的思想对之后无线传输技术的发展有着重要的启蒙作用。

进入21世纪以来，便携类电子产品逐渐深入到人们的日常生活中，无线充电技术随着电子产品的广泛应用得到了快速发展，各种无线充电产品的出现满足了人们日常设备的充电需要，例如各研究机构和公司研发的无线充电手机、便携式电脑等。无线充电相关关键技术也取得了长足的进步。

无线充电技术解决电动汽车发展难题第二章

受动力电池容量的限制，目前 EV 的续驶里程较短,电池充电站的建设成为制约EV

应用和发展的最大瓶颈。为此，各国均大力进行充电站建设来推动EV的应用，如美国计划建设800万个充电站；日本计划于 2012在东京建成1 000个充电站。无线充电技术将是未来电动车充电的主要方式。当前电动汽车主要的充电方式有3种，分别是普通充电的充电桩快速充电的充电站以及可更换电池的换电站。但是这 3 种方式都有一定的弊端。普通方式充电多为交流充电，电压 220 V 或380 V，一次需要 8～10 h才能充满，一个有 10个位置的电站一天充 30 辆汽车，10 万辆汽车需要大量充电站，将占用大量用地。快速充电方式多为直流充电，一次充电需要 10～20 min。数据显示，把 35 kWh的电池充电完毕大约需要 250 k W 的充电功率，一次快速充电消耗的电能是一栋办公大楼用电负荷的 5倍。一个充电站开 4个充电机，功率就达到“兆瓦”级，快速充电对城市电网的冲击非常大。

动力电池的电气充电方法包括接触式充电和无线充电。接触式充电采用插头与插座的金属接触来导电；无线充电或称无线供电（WPT）是以耦合的电磁场为媒介实现电能传递。对于 EV 用WPT，即将变压器原、副边绕组分置于车外和车内通过高频磁场的耦合传输电能。与接触式充电相比，WPT 使用方便、安全，无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣环境和天气。由于动力电池组输出电压较高，带来的安全隐患较多，高安全性、方便性是人们早期关注汽车 WPT 的主要原因。随着研发的深入, 人们认识到WPT 便于实现无人自动充电和移动式充电，在保证所需行驶里程的前提下，可通过频繁充电来大幅减少 EV 配备的动力电池容量，减轻车体质量，提高能量的有效利用率；并有助于降低 EV 初始购置成本，解决其受制于大容量电池的高成本问题，推进EV 的市场化。

一般来说，实现无线充电主要通过 3 种方式，即电磁感应、电磁共振和无线电波。

电磁感应原理的应用受制于过短的供电端和受电端距离,而另外 2 种方式则可能突破这一制约。国外对 EV 用 WPT 技术的研究已经取得了较好的成果。相比于接触式充电器，两者的 PFC（功率因数校正）技术、动力电池充电控制及单体电池电压均衡技术基本相同；不同点在于非接触变压器的设计、变换器拓扑

及其控制和非接触反馈技术。

此外，非接触反馈还可以采用磁隔离方式来实现。虽然,无线能源在电动汽车领域目前还是一个全新的概念,但商业化运作已经在手机、MP3 及电脑等小容量电源中使用。随着无线充电技术的成熟，电动汽车将是无线充电设备最具潜力的市场。

无线充电技术是近几年才开始发展起来的一个新兴行业，未来有着广阔的发展空间。快速充电和非接触充电技术的进步可能会大大改变包括产业设备及电动汽车在内的产品设计，并开创出新的市场。快速充电的锂离子充电电池在电动汽车等领域推进,或将推动非接触充电的引用。采用快速充电电池的电动工具市场在迅速成长。产业设

备及电动汽车使用电线的充电方式较为麻烦，与非接触充电相结合是扩大市场的关键。具体而言，无人搬运机、产业机器人等产业设备，和新一代有轨电车、巴士和商用车辆这是由其充电等在固定线路运营的电动汽车等将对非接触充电的应用起到推动作用。目前，可为电动汽车等充电的大功率非接安全性的提高和方便省事的优点所决定的。

触充电技术的开发比以往任何时候都兴盛。其中，共振方式的非接触充电技术引起了极大关注。

第三章电动汽车无线充电装置的类型及工作原理

无线电能传输就是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。无导线分为：电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式。电磁感应可用于低功率、近距离传输；电磁共振适于中等功率、中等距离传输；电磁辐射则可用于大功率、远距离传输。电源电线频繁地拔插，既不安全，也容易磨损。一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一，这样即造成了浪费，也对环境造成了污染。而在特殊场合下，传统输电方式在安全上存在隐患，采用架设电线的传统配电方式很困难。因此，无导线便愈发显得重要和迫切。

电磁感应式充电是由初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端；磁场共振是由能量发送装置，和能量接收装置组成，当 2 个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量；无线电波式（电磁辐射式）充电是类似于早期使用的矿石收音机，主要由微波发射装置和微波接收装置组成，接收电路可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。电动汽车不但充电时间长，更换电池或利用充电桩等通过电缆充电的模式，也存在操作上的不便，而且雨天作业的安全性问题，更是令人担忧。相比而言，非接触充电装置不需要用电缆将车辆与供电系统连接，便可以直接对其进行快速充电。加之非接触快速充电能够布置在停车场、住宅及路边等多场所，又可以为各种类型的电动汽车（包括插电式合动力汽车）提供充电服务，使电动汽车随时随地充电变为可能。对于公交车，可以将充电设施布置在终点站、枢

纽站及换乘站等地点，利用短暂的停车时间便可以完成快速充电。电磁感应通过送电线圈和接收线圈之间传输电力，是最接近实用化的 1 种充电方式。当送电线圈中有交变电流通过时，发送（初级）、接收（次级）两线圈之间产生交替变化的磁束，由此在次级线圈产生随磁束变化的感应电动势，通过接收线圈端子对外输出交变电流。目前存在的问题是：送电距离比较短（约 100 mm），并且送电与接收两部分出现较大偏差时，则电力传输效率就会明显下降；功率大小与线圈尺寸直接相关，需要大功率传送电力时，须在基础设施建设和电力设备方面加大投入。

无线电能传输原理：变压器的疏松耦合非接触式实现了电能的无物理连接传输。它将系统的变压器紧密型耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在具有不同磁性的结构上，实现在电源和负载单元之间进行能量传递而不需物理连接。其一次侧、二次侧之间通过电磁感应实现电能传输，因气隙导致的耦合系数的降低由提高一次侧输入电源的频率加以补偿。理论和经验都表明：当原边电流频率幅值越高，原副边距离越小，与空气相比，磁芯周围介质的相对磁导率越大时，可分离式变压器的传输效率越高。但实际应用当中，原副边距离不可能无限小，必须对原副边采取相应的补偿措施，这种无线电能传输效率较低。电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电磁现象之

间的相互联系和转化。

第四章电动汽车无线充电装置的应用前景

虽然这项技术用于电动车充电刚刚兴起，但是对电磁之间的关系，科学家早已不陌生。电动汽车无线充电方式一经问世，便得到了世界各国的普遍关注，同样也值得国内同行学习与借鉴。与充电站、充电桩的建设投资相比成本较低，并且免去了接线所需的操作和等待的时间，具有布置灵活、使用便利及安全可靠等绝对优势。

2009 年 7 月，日产与昭和飞行机公司公开了电磁感应式非接触充电系统，其传输距离为 100 mm 左右，传输效率可达 90%。但是，当停车位置出现偏差而导致

发送与接收盘之间出现较大误差时，则会严重影响电力传送效率。目前，研究人员正在致力于停车的横、纵向偏差在 200～300 mm 范围内，同样确保其具有90%以上传输效率的研究。此外，上述 2 家公司对传送、接收装置之间进入动物以及金属碎片等造成的不良影响也进行了研究。因为，这类异物会在二者之间产生涡流，从而导致发热并影响传送效率。

日本长野无线公司于 2009 年 8 月宣布开发出了基于磁共振的充电系统。与电磁感应方式相比，磁共振方式具有传送距离长、停车误差要求低等优点。可以在600 mm 的传输距离内确保 90%的传送效率。但目前的传送功率还比较小（约1 k W），拟定从叉车等使用范围进入市场，伴随着技术成熟程度和传送功率的提高，有望很快进入电动车充电领域。三菱重工开发的微波式非接触充电系统，将一组共 48 个硅整流二极管作为接收天线，每个硅整流二极管可产生 20 V 的电压和一定的直流电，能够将电压提升至充电所需的指标并可实现 1 k W 的功

率输出。其优点是成本低，整套费用约合人民币 2 万元。缺点是传输效率低，目前的传输效率只有 38%。对此，三菱重工认为：“虽不适于快速充电，但作为夜间谷区充电，电费只有传统燃料费的 10%～20%。如果将发热过大的磁控管用于生活用水加热，则综合效率可到 70%。此外，在安全方面也有防止微波泄露装置，使用中不会给车辆上的电子设备和周边人员身上的心脏起搏器造成影响。

2010 年 11 月，英国 Halo IPT 公司利用其最新研发的感应式电能传输技术，成功实现为电动汽车无线充电。电能接收垫安装于 1 台雪铁龙电动汽车车身下侧，通过无线充电系统对电池进行充电。该公司表示，这种感应式电能传输系统的另一个好处是可以让汽车驾驶员根本无须担心忘记为电动汽车充电。据透露，这种感应式电能传输技术将于 2012 年开始实现商业化推广应用。目前这项无线充电技术已经发展得较为成熟，同时，在成本上，无线充电设备为几千元，而有线充电桩则要上万元。应当鼓励无线充电技术走向市场。美国、欧洲和日本等国家和地区已经开始着手电动车无线技术的商业化。

参考文献

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