大連市育明高級中學(xué) 提 前

電動汽車動態(tài)充電系統(tǒng)改進(jìn)研究

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電動汽車動態(tài)充電技術(shù)目前屬于技術(shù)空白，在世界仍沒有一項工程應(yīng)用實例。研究提出了“一種電動汽車充電系統(tǒng)”，該系統(tǒng)已于2017年02月13日獲得《實用新型專利》。研究圍繞 “一種電動汽車充電系統(tǒng)”展開，經(jīng)過理論論證、實驗分析、模型分析等階段，相應(yīng)地針對系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化率低的問題提出了兩種改進(jìn)方案和發(fā)展方向。同時，研究也回顧了整個四年的研究歷程，提及了前期的三種概念性技術(shù)方案。

電動汽車；動態(tài)充電系統(tǒng)

1.前言

為解決傳統(tǒng)汽車尾氣排放、石油資源已經(jīng)接近枯竭的問題，電動汽車正成為各國汽車行業(yè)新的發(fā)展趨勢。電動汽車能夠達(dá)到零排放、耗能少，但電動汽車也存在動力性不足、續(xù)航里程低的缺點?，F(xiàn)有的大多數(shù)電動汽車是充一次電可以行駛?cè)舾晒?，在電量不足時需要停車再次充電，因此在電池充電技術(shù)未取得突破之前，純電動汽車的續(xù)航里程仍受到很大制約。豐田汽車的副會長內(nèi)山田武（內(nèi)山田武被譽為“普銳斯之父”）表示：“因為存在行駛距離、成本和充電時間等問題，電動汽車不是大多數(shù)傳統(tǒng)汽車切實可行的替代品。我們需要一些全新的東西，”[1]如果能使電動汽車在行進(jìn)的過程中也進(jìn)行充電，將能在很大程度的提高電動汽車的續(xù)駛里程，這對電動汽車的普及和推廣具有重要意義。

2.研究內(nèi)容

2.1 簡述

研究提出了一種電動汽車（動態(tài)）充電系統(tǒng)，通過設(shè)置高頻強磁場提供端、閉合回路線圈端和中心控制計算機實現(xiàn)能量由電網(wǎng)電能—磁場能—車體電池電能轉(zhuǎn)化。通過設(shè)置保護(hù)性裝置和保護(hù)性運行程序?qū)崿F(xiàn)對人體、環(huán)境以及車體的保護(hù)。

圖1 高頻磁場提供端

2.2 結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)具體包括高頻磁場提供端（其中有：產(chǎn)磁墻單元模塊組2、電流和頻率檢測和控制模塊3、無線Wi-Fi3）、閉合回路線圈端(其中有：磁能接收車輪、碳刷滑環(huán)電路系統(tǒng)10、電能檢測及計費裝置、無線Wi-Fi3、穩(wěn)流穩(wěn)壓裝置、車體電池及電動機)、中心控制計算機（通過無線Wi-Fi3的連接實時對兩端口進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)配）。

高頻磁場提供端為安裝于路面兩側(cè)的與輪胎高度匹配的產(chǎn)磁墻單元模塊組2，產(chǎn)磁墻單元模塊組2接電流和頻率檢測和控制模塊3，電流和頻率檢測和控制模塊3連接交流電網(wǎng)，電流和頻率檢測和控制模塊3通過無線Wi-Fi3裝置連接中心控制計算機，產(chǎn)磁墻2的上側(cè)、下側(cè)和后側(cè)設(shè)有絕緣隔磁保護(hù)層1，產(chǎn)磁墻2靠近行車道一側(cè)設(shè)有活動結(jié)構(gòu)的金屬屏蔽塊6，金屬屏蔽塊6連接機械傳動機構(gòu)，機械傳動機構(gòu)連接控制器，整個供電產(chǎn)磁單元2通過Wi-Fi裝置3與中心控制計算機通信；閉合回路線圈端是包括輪胎7，輪胎（充氣）7部分以內(nèi)設(shè)有金屬線圈9，輪胎7靠近車體一側(cè)設(shè)置碳纖維薄板，輪胎的輪轂8上安裝碳刷滑環(huán)電路系統(tǒng)10，碳刷滑環(huán)電路系統(tǒng)10連接汽車充電端，輪轂8上設(shè)有電能檢測及計費裝置和無線Wi-Fi裝置，電能檢測及計費裝置通過無線Wi-Fi連接中心控制計算機。具體實施方式，由于篇幅限制，從略。

2.3 改進(jìn)方案的概念性研究方案

簡述：通過設(shè)置中心控制計算機,在路面上方設(shè)置距離略小于車寬的（供電）產(chǎn)磁薄膜，在車的頭部、尾部設(shè)置接收磁能線圈，并在接收磁能線圈周圍也設(shè)置短程信息交互元件,實現(xiàn)在公路上對運動中汽車充電。

結(jié)構(gòu)組成：（供電）產(chǎn)磁薄膜的位置由路面兩側(cè)搭建的碳纖維架和柔性彈性繩固定，使其離地高0.6M,間距1.4M，當(dāng)有車通過時，其間距可增加至1.8M，且仍無較大的力作用于車體。產(chǎn)磁薄由四層薄膜層（分別為兩側(cè)外層的光滑保護(hù)性薄膜，產(chǎn)磁餅形小線圈薄膜、開關(guān)控制電子薄膜）復(fù)合而成。產(chǎn)磁線餅薄膜密集設(shè)置餅形產(chǎn)磁線圈組元件與短程信息交互元件并在這些元件下方覆蓋開關(guān)控制電子薄膜，使每個餅形小線圈可以獨立工作。

工作方式：當(dāng)車通過產(chǎn)磁路面墻時，車體會撐開（供電）產(chǎn)磁薄膜，車載線圈周圍短程信息交互元件激發(fā)薄膜上的短程信息交互元件工作，從而通過開關(guān)控制電子薄膜使且僅使車前、后備箱中線圈所對應(yīng)的餅形小線圈工作。進(jìn)而通過傳統(tǒng)的磁感應(yīng)式充電原理充電。中心控制計算機相當(dāng)于整個系統(tǒng)的大腦，其工作方式與前型方案類似。

3.研究方法和結(jié)果

3.1 定量分析法，定性分析法、實驗法、調(diào)查法相結(jié)合

電動汽車動態(tài)充電系統(tǒng)的兩端口間電能傳輸實質(zhì)上電磁感應(yīng)式電能傳輸，兩端口實質(zhì)上是勵磁線圈、感應(yīng)線圈。通過調(diào)查法，在《汽車之家》網(wǎng)站[5]確定了市場上銷量最大的三款電動汽車參數(shù)，并初步設(shè)定研究方案硬件參數(shù)。

勵磁線圈 感應(yīng)線圈U1 ----- U2 14V I1 待定 I2 -----n1 待定 n2 設(shè)為50匝R1 0.35m R2 0.35m f1 100kHz f2 -----L1 0.4m L2 0.1m D=0.1m

其中，I 表示負(fù)載電流（單位安培），U 表示負(fù)載電壓（單位伏特），n 表示線圈匝數(shù)（單位匝數(shù)），R 表示線圈電阻（單位歐姆)，f 表示頻率（單位千赫茲）,D表示兩線圈間距離（單位米），L表示線圈長度。

根據(jù)畢奧·薩戈爾定律可以列出勵磁線圈靠近感應(yīng)線圈一端的一匝線圈對于感應(yīng)線圈的磁通量的方程為：

關(guān)于勵磁線圈軸長積分，可以得到整個勵磁線圈對于感線圈的磁通量的方程為：

由于感應(yīng)線圈端需要得到14V電壓（考慮電路損耗，實際輸入車體電壓為12V，四個車輪上的感應(yīng)線圈端串聯(lián)可以得到48V充電電壓），根據(jù)法拉第定律可以列出方程：

轉(zhuǎn)化率

根據(jù)公式(2)、(3)、(4)，猜想轉(zhuǎn)化率應(yīng)當(dāng)與感應(yīng)線圈內(nèi)部空間磁導(dǎo)率、勵磁線圈電流頻率、強度，兩線圈匝數(shù)、面積，兩線圈間距離有關(guān)，需要通過實驗驗證猜想正確性。

圖2 實驗裝置圖

實驗測得數(shù)據(jù)為：

其中，d 表示感應(yīng)線圈兩端與勵磁線圈的兩端中距離最小值（單位），表示實驗?zāi)芰哭D(zhuǎn)化率：

根據(jù)實驗，證實了縮短兩線圈間距離，提高感應(yīng)線圈內(nèi)部空間磁導(dǎo)率均可以大幅度提高能量轉(zhuǎn)化率。僅就實驗，不改變其他變量，將感應(yīng)線圈內(nèi)部空間由空氣替換為鐵氧體，可以將轉(zhuǎn)化率提高一個數(shù)量級。

但實驗所得到轉(zhuǎn)化率總體偏低，實驗數(shù)據(jù)不理想，通過調(diào)查變壓器制造行業(yè)，當(dāng)線匝在密繞時，其單位面積負(fù)載電流為3A/cm2，實驗設(shè)備選定預(yù)設(shè)單位面積負(fù)載電流為8A/cm2，這與實驗中通電后，60秒勵磁線圈溫度升至70℃的現(xiàn)象相吻合。

再進(jìn)一步分析，實驗裝置若能夠提高勵磁線圈中電流頻率，增大勵磁線圈與空氣接觸面積，也可以直接或間接增大能量轉(zhuǎn)化率。

改進(jìn)后實驗裝置如圖3所示：

圖3 改進(jìn)后實驗裝置圖

在改進(jìn)裝置后，實驗結(jié)果理想。

3.2 定性分析法、比較研究法、初步的探究性研究法、實驗法、觀察法相結(jié)合

針對電動汽車動態(tài)充電技術(shù)研究的改進(jìn)方案，即產(chǎn)磁薄膜路面，為使薄膜形狀可塑，將產(chǎn)磁端由傳統(tǒng)線圈替換為餅狀線圈。

設(shè)N匝實心線餅，線徑為r，通過電流為I，對于其上第i匝線圈某一點（長度為dL），求其受到磁場強度。其他任一匝線圈為i1，任一匝上某點（長度為△l）與定點夾角為β，可列出方程：

將(7)(8)(9)(10)(11)(12)聯(lián)立方程，得出了一個極其復(fù)雜的方程，其還沒有完全展開平方式、根號就有16項。

轉(zhuǎn)而對計算簡化，在實心餅形線圈中，設(shè)導(dǎo)線直徑為da，通過電流為I，線餅內(nèi)半徑為R2，外半徑為R，可以粗略求出餅狀線圈的第i匝上某點的磁場強度Bi。

可以得出：

然而此式也僅能對同一線餅上點與點的磁場強度的大小做定性上的比較，通過求極值，當(dāng)在第匝時，磁場強度可以取到最大值，此數(shù)據(jù)對于系統(tǒng)實際應(yīng)用起到啟發(fā)價值，同時引發(fā)了問題：同樣規(guī)格線圈，實心線餅和空心(匝數(shù)大于匝)線餅?zāi)膫€會產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)化率？

實驗將左側(cè)線餅與右側(cè)線餅的位置關(guān)于軸心重合，覆疊放置，通過比較LED燈亮度探究何種方式時能量轉(zhuǎn)化率高。（繞制兩種線餅外徑相同，線圈與它們匝數(shù)相同，所用漆包線線徑相同）

相關(guān)參數(shù)為：

勵磁線餅1 勵磁線餅2 勵磁線圈3 感應(yīng)線圈 感應(yīng)線餅（補加）N(匝數(shù)) 32(雙層) 54(雙層) 28 28 32(雙層)R內(nèi)(mm) 8.4 0 13.30 13.30 8.4 R外 (mm) 15.30 15.35 15.20 15.20 15.30

由模擬實驗可以初步估算改進(jìn)方案2的能量轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到30%-60%。

4.分析和討論

電動汽車動態(tài)充電系統(tǒng)研究過程中，由于實驗條件所限，缺乏專業(yè)器材，利用了弱電代替強電模擬效果，然而在實際應(yīng)用中，強電與弱電在許多方面有著截然不同的性質(zhì)，例如：變壓器中220V勵磁線圈端，應(yīng)考慮漆包線擊穿問題，二者對于變量忽略也不盡相同。在計算系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化率時沒有考慮自感對于磁場的影響。另外，在制作電動汽車動態(tài)充電系統(tǒng)模型過程中，由于道路旁勵磁線圈無法做到適時開啟。因此，在系統(tǒng)運行過程中，整條模擬道路線圈均處于常開狀態(tài)，在模擬系統(tǒng)運行時，須考慮動態(tài)電動勢對系統(tǒng)影響，即楞次定律。設(shè)B為磁場強度，d為接收線圈直徑，v為車體速度，r0為導(dǎo)線導(dǎo)電率，l為導(dǎo)線長度，為其他部分電阻，n為匝數(shù)。

實驗?zāi)Ｐ脱b置需補償44%動生電動勢損耗，但實際系統(tǒng)中由于隔磁活動擋板會不斷開閉，再加上電流頻率的影響，動生電動勢產(chǎn)生的楞次定律現(xiàn)象可以忽略。

應(yīng)考慮到的是，電動汽車動態(tài)充電系統(tǒng)研究討論頻率對于轉(zhuǎn)化率的影響時，沒有涉及波形對轉(zhuǎn)化率的影響，但據(jù)分析和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，正弦波相對于方波有更好的轉(zhuǎn)化率，因其磁場強度變化率更大，且方波形有棱角，易于在空間中激發(fā)干擾電磁波。進(jìn)一步地，關(guān)于何種波形，會使能量轉(zhuǎn)化率更高，仍需進(jìn)一步探究。

最后，關(guān)于改進(jìn)的兩種方案，如果能使兩端口在磁傳導(dǎo)時達(dá)到共振頻率是最理想的，即能夠利用共面諧振電磁耦合式傳導(dǎo)技術(shù)。電磁諧振耦合技術(shù)，在目前技術(shù)未實際應(yīng)用。

根據(jù)目前情況，又提出了產(chǎn)磁薄膜充電系統(tǒng)，但仍有關(guān)于大功率傳輸?shù)募夹g(shù)難題。系統(tǒng)也存在與車體會產(chǎn)生摩擦生熱，盡管會采用先進(jìn)的材料避免生熱，但道路仍需限速。

5.研究結(jié)論

針對生活中充電汽車，研究提出了一種電動汽車動態(tài)路面系統(tǒng)，經(jīng)過一系列實驗，參考文獻(xiàn)后，得出結(jié)論：若使用電磁感應(yīng)式無線電輸電技術(shù)，其理論轉(zhuǎn)化率達(dá)0.5%。于是提出改進(jìn)方案：

電磁感應(yīng)輸電技術(shù)的電能轉(zhuǎn)化率與兩端口距離的三次方成反比，與傳導(dǎo)介質(zhì)導(dǎo)磁率成正比，根據(jù)以上轉(zhuǎn)化率與傳輸距離、傳輸介質(zhì)密切相關(guān)計算和實驗結(jié)果，對概念方案進(jìn)行了再一次改進(jìn)，新方案對接收端口增加導(dǎo)磁介質(zhì)，將傳輸距離由至少0.15米縮短至0.01米以內(nèi)。通過小功率模擬實驗，其轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到30%-60%。

[1]百度百科-電動車詞條[OL].

[2]百度百科-公路等級詞條[OL].

[3]李宗臺.淺說高頻電磁場危害及其保護(hù)方法-技術(shù)改造[J].

[4]曾翔.無線電力傳輸技術(shù)研究[J].硅谷.

[5]汽車之家網(wǎng)站[OL].

[6]程稼夫.中學(xué)奧林匹克競賽物理教程電磁學(xué)篇[M].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.

[7]黃季樨,汪海.飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度計算-圖1.3.1飛機研制的流程圖[M].上海交通大學(xué)出版社.