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        智能無(wú)線充電的技術(shù)及其應(yīng)用

        2020-10-09 11:07:00王建輝

        王建輝

        摘要:新能源汽車(chē)做環(huán)保車(chē)輛,越來(lái)越被人們認(rèn)識(shí)和接受,充電的方式不僅有之前的有線充電,新興的智能無(wú)線充電技術(shù)也走進(jìn)人們的視野。無(wú)線充電可以提升智能駕駛的體驗(yàn),不需要人操作充電,車(chē)輛完成自動(dòng)泊車(chē)后便自行開(kāi)啟充電。 本文介紹了國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)情況,分析了磁耦合無(wú)線充電的原理,并研究了整車(chē)上的應(yīng)用方案。

        關(guān)鍵詞:無(wú)線充電;新能源汽車(chē);磁耦合

        中圖分類(lèi)號(hào):TM724 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9416(2020)08-0054-04

        0 引言

        新能源汽車(chē)近些年發(fā)展迅速,如何方便的充電是用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題,也是制約新能源汽車(chē)普及的重要因素。當(dāng)前充電方式分為有線充電和無(wú)線充電,有線充電在充電連接和撥充電槍時(shí)可能產(chǎn)生火花,影響充電連接設(shè)備的壽命也有安全隱患,同時(shí)有線充電環(huán)境要求較高,雨雪等惡劣天氣時(shí)充電困難。而無(wú)線充電發(fā)射端埋在地下,靠電磁場(chǎng)傳輸能量,不產(chǎn)生火花,不產(chǎn)生磨損,解決了安全和維護(hù)問(wèn)題;另外也不需要人為操作即可充電,大大提升了用戶(hù)體驗(yàn)。

        1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

        1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

        國(guó)外整車(chē)企業(yè)如沃爾沃、奧迪、寶馬、奔馳等整車(chē)企業(yè),都已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)或測(cè)試無(wú)線充電系統(tǒng)。美國(guó)WiTricity公司開(kāi)發(fā)的無(wú)線充電系統(tǒng)Drive11,在2018年與寶馬公司合作發(fā)布了搭載了3.3kW的無(wú)線充電系統(tǒng),行業(yè)內(nèi)第一款配置無(wú)線充電功能的車(chē)型BMW 530e。美國(guó)Evatran公司開(kāi)發(fā)了PLUGLESS無(wú)線充電系統(tǒng),并為特斯拉Model S、日產(chǎn)LEAF、寶馬I3、雪佛蘭volt等車(chē)技術(shù)支持,已實(shí)現(xiàn)3.6kW和7.2kW的無(wú)線充電功率。

        1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

        國(guó)內(nèi)的無(wú)線充電技術(shù)與國(guó)外技術(shù)差距越來(lái)越小,東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校、中國(guó)科學(xué)院和科研機(jī)構(gòu)已開(kāi)展多年的研究,在磁耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),電磁兼容性,負(fù)載識(shí)別,異物檢測(cè)等多個(gè)技術(shù)方面取得了突破和創(chuàng)新。國(guó)內(nèi)多家企業(yè)開(kāi)發(fā)出無(wú)線充電系列產(chǎn)品,如有感科技、安潔無(wú)線、中興新能源汽車(chē)、華為科技、中惠創(chuàng)智等,覆蓋功率:3.7kW、7.7kW、11kW、30kW及以上。

        國(guó)家的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)化工作分四個(gè)步驟:優(yōu)先制定無(wú)線充電的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),為產(chǎn)業(yè)提供發(fā)展環(huán)境;加快制定無(wú)線充電互操作標(biāo)準(zhǔn),為產(chǎn)業(yè)提供應(yīng)用條件;試點(diǎn)制定無(wú)線充電產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),為產(chǎn)業(yè)提供推廣基礎(chǔ);制定無(wú)線充電運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn),為產(chǎn)業(yè)提供服務(wù)準(zhǔn)則。

        關(guān)于無(wú)線充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布4項(xiàng),《電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)第1部分:通用要求》、《電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)第2部分:車(chē)載充電機(jī)與充電設(shè)備之間的通信協(xié)議》、《電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)第3部分:特殊要求》、《電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)第4部分:電磁環(huán)境限值與測(cè)試方法》。該標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)18 項(xiàng),規(guī)范了電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)在公共以及私人應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)要求、性能要求、功能要求、安全要求、通信協(xié)議、測(cè)試要求及試驗(yàn)方法、互操作性要求及測(cè)試方法、施工驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)等。

        2 無(wú)線能量傳輸?shù)募夹g(shù)發(fā)展

        2.1 電磁感應(yīng)式無(wú)線能量傳輸

        電磁感應(yīng)式的運(yùn)用是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ),可以把這項(xiàng)技術(shù)理解成分離式變壓器,一般壓器由一個(gè)磁芯和初級(jí)線圈、次級(jí)線圈組成;當(dāng)初級(jí)線圈加上一個(gè)交變壓電壓時(shí),磁芯感應(yīng)出交變磁場(chǎng),次級(jí)線圈感應(yīng)出相同頻率的交變電壓,即實(shí)現(xiàn)了能量傳輸?shù)男ЧH绻寻l(fā)射線圈和接收線圈分開(kāi),當(dāng)交變電壓加在發(fā)射線圈產(chǎn)生了磁場(chǎng),磁場(chǎng)穿過(guò)接收線圈、就產(chǎn)生電壓,這樣實(shí)現(xiàn)了無(wú)線能量傳輸[1]。

        目前市場(chǎng)上較成熟的無(wú)線充電方式是電磁感應(yīng)WPT方案,新西蘭國(guó)家地?zé)峁珗@旅客電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)(充電功率30KW)是比較典型的應(yīng)用之一,以及Splashpower公司的無(wú)線充電機(jī)等,電磁感應(yīng)式WPT不僅能夠運(yùn)用在小功率電子產(chǎn)品中,還可在大功率EV無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)用。但電磁感應(yīng)WPT技術(shù)的主要缺點(diǎn)是傳輸距離短,隨著傳輸距離的增大,發(fā)射接收線圈錯(cuò)位,效率都會(huì)驟然下降, 在汽車(chē)上應(yīng)用難度大。

        2.2 電磁共振式無(wú)線能量傳輸

        磁共振技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的傳輸距離,支持?jǐn)?shù)厘米至無(wú)線充電。磁共振要求發(fā)射線圈和接收線圈的諧振頻率相同,發(fā)射線圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng);接收線圈與之發(fā)生共振,產(chǎn)生的電流整流后就可以為汽車(chē)動(dòng)力電池充電。除了傳輸距離較遠(yuǎn)外,磁共振方式還可以同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行供電,并且不嚴(yán)格限制負(fù)載設(shè)備的位置,相對(duì)磁感應(yīng)方式更加靈活。在傳輸效率方面,磁共振方式可以達(dá)到90%以上。

        2007年,美國(guó)MIT Soljacic的研究小組使無(wú)線能力傳輸有了突破性進(jìn)展,點(diǎn)亮了距離兩米外的60W的燈泡,傳輸效率達(dá)到了40%,這個(gè)技術(shù)就是電磁共振式WPT。我開(kāi)展WPT研究稍晚,2011年10月在天津召開(kāi)了“無(wú)線電能傳輸技術(shù)”專(zhuān)題研討會(huì),2014年在南京召開(kāi)了“無(wú)線電能傳輸技術(shù)與應(yīng)用國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議”,探討了當(dāng)前無(wú)線電能傳輸技術(shù)的新進(jìn)展和當(dāng)前研究中的問(wèn)題。2018年啟動(dòng)了無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)體系建立。

        3 智能無(wú)線充電系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)

        3.1 基本原理

        整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)主要包括:功率傳輸控制器、地面端通信單元,功率接收控制器、車(chē)載控制單單元以及原、副邊接收設(shè)備[2]。

        功率傳輸控制器:用于輸出端的功率控制,將電網(wǎng)的工頻交流轉(zhuǎn)換成為高頻交流,驅(qū)動(dòng)原邊設(shè)備,并能根據(jù)地面控制單元的指令,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)對(duì)整個(gè)無(wú)線充電的控制,控制器具備功率檢測(cè)單元,可以時(shí)時(shí)檢測(cè)輸入功率,并由通訊模塊發(fā)給車(chē)端。

        功率接收控制器:用于車(chē)載端功率控制,對(duì)副邊設(shè)備輸出高頻交流整流并按BMS的控制指令完成執(zhí)行充電,控制器輸出端有功率檢測(cè)單元,可以時(shí)時(shí)檢測(cè)輸出功率,并由通訊模塊發(fā)給車(chē)端,單片機(jī)計(jì)算輸出與輸入功率的比值,如效率低于設(shè)定值提時(shí)用戶(hù)調(diào)整車(chē)輛位置。

        地面、車(chē)載通信控制單元:通訊控制器,分別對(duì)功率傳輸器和功率接收控制器進(jìn)行控制管理功能。

        3.2 控制傳輸控制器硬件原理設(shè)計(jì)

        控制傳輸控制的硬件包括功率因數(shù)較正電路和DC/AC轉(zhuǎn)換電路,由于功率因數(shù)較正電路與連接電網(wǎng)的相同功率等級(jí)的用電設(shè)備原理相同,成熟度較高,不做研究。

        DC/AC轉(zhuǎn)換電路的振蕩頻率選為典型的85kHz,PWM的驅(qū)動(dòng)源由UCC2895實(shí)現(xiàn),全橋逆變電路中的MOSFET選用東芝的TK20D60T,最大漏-源電壓VDSS為600V,導(dǎo)通電阻0.165Ω,最大的柵極-源極VGSS為30V。驅(qū)動(dòng)芯片選用TI的UCC27324,驅(qū)動(dòng)芯片后面接脈沖變壓器然后驅(qū)動(dòng)半橋。

        3.3 功率接收控制器原理設(shè)計(jì)

        副邊設(shè)備的電流為85kHz交流電,經(jīng)過(guò)整流橋整流和C2濾波,成為直流電;G1、G2、L2、C3形成一個(gè)BUCK電路,通過(guò)調(diào)整G1的占空比,調(diào)整輸出電流和輸出電壓。Vfb信號(hào)經(jīng)過(guò)處理之后連接單片機(jī),單片機(jī)得到實(shí)時(shí)的輸出電壓;Ifb經(jīng)過(guò)RC濾波、放大后連接單片機(jī),單片機(jī)得到實(shí)時(shí)輸出電流,最后單片機(jī)可以計(jì)算出接收端的實(shí)時(shí)輸出功率。當(dāng)充電過(guò)程中動(dòng)力電池出現(xiàn)異常,急需斷開(kāi)輸出,只需給G1驅(qū)動(dòng)低電平,不需要從原邊停止輸出,起到了快速保護(hù)效果,參見(jiàn)圖1所示。

        3.4 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

        控制芯片選用英飛凌XC886,采用兼容8051處理器的XC800內(nèi)核。此外,由于XC886具有XC866的所有功能,因此可以方便地進(jìn)行從XC866到XC888的程序移植。主要特性包括:I/O為5.0V供電,上電自動(dòng)復(fù)位;可編程16位看門(mén)狗定時(shí)器;六個(gè)端口:多達(dá)48個(gè)數(shù)字I/O;8通道、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC;同步串行通道SSC;兩個(gè)全雙工串行接口UART和UART1,綜合以上基本滿(mǎn)足功能要求。外圍接口通過(guò)英飛凌的提供的軟件工具DAvE配置,提高了軟件設(shè)計(jì)的效率,可以設(shè)置的外圍接口有:GPIO、UART/UART1、CCU6、MultiCAN、ADC、SSC和JTAG。

        4 測(cè)試結(jié)果

        4.1 實(shí)驗(yàn)條件

        實(shí)驗(yàn)溫度:20℃。

        實(shí)驗(yàn)設(shè)備:示波器泰科TDS3034C,電源分析儀PM3000,F(xiàn)LUKE數(shù)字萬(wàn)用表,PCAN等。

        負(fù)載:電動(dòng)車(chē)。

        待測(cè)試設(shè)備:無(wú)線充電系統(tǒng)一套,含:車(chē)載、非車(chē)載功率組件(相同的殼體結(jié)構(gòu))。

        4.2 測(cè)試結(jié)果

        首先對(duì)智能無(wú)線充電系統(tǒng)做了臺(tái)架測(cè)試,如圖2所示,包括基本的功能和性能;主要功能如,地面端和車(chē)載端的通訊,故障診斷及顯示,待機(jī)喚醒功能等,都滿(mǎn)足了整車(chē)功能要求。性能方面如,功率因數(shù)達(dá)到98%以上,電磁騷擾滿(mǎn)足國(guó)家要求,功能樣機(jī)功率≥3.3kW;無(wú)線傳輸距離汽車(chē)底盤(pán)到地面的距離:182~258mm等,關(guān)鍵參數(shù)滿(mǎn)足應(yīng)用需求。

        基于整車(chē)的無(wú)線充電系統(tǒng)調(diào)試,實(shí)現(xiàn)了車(chē)載端功率控制單元可以對(duì)動(dòng)力電池充電,充電過(guò)程中的電流、電壓及溫度等信號(hào)的顯示,整車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)不同偏移量時(shí)的充電效率參見(jiàn)圖3所示。

        5 總結(jié)與展望

        5.1 全文總結(jié)

        本文以新能源汽車(chē)的快速發(fā)展和有線充電的技術(shù)問(wèn)題為背景,以智能無(wú)線充電系統(tǒng)為研究對(duì)象。研究的內(nèi)容包括新能源的國(guó)家政策、市場(chǎng)前景,無(wú)線充電的標(biāo)準(zhǔn)和充電發(fā)展方向,功率傳輸、功率接收控制單元等關(guān)鍵的電路,無(wú)線充電系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試及基于整車(chē)的調(diào)試,最后實(shí)現(xiàn)了在182~258mm內(nèi),輸出功率3.3kW,充電效率達(dá)到85%~89%。

        5.2 展望

        無(wú)線充電產(chǎn)業(yè)在2020-2025年會(huì)快速發(fā)展,實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電商業(yè)化運(yùn)營(yíng)[3],2025年后,隨著智能駕駛產(chǎn)業(yè)成熟,無(wú)線充電會(huì)有大量的市場(chǎng)需求,大大提高了電動(dòng)汽車(chē)的駕駛體驗(yàn)。在產(chǎn)業(yè)化成熟之前,智能無(wú)線充電項(xiàng)目如,專(zhuān)用場(chǎng)站、立體車(chē)庫(kù)、示范試點(diǎn)等開(kāi)始發(fā)展。目前各整車(chē)企業(yè)在無(wú)線充電領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備還不夠,車(chē)載設(shè)備在整車(chē)上的布置,熱管理方案,無(wú)線充電系統(tǒng)與整車(chē)匹配策略,無(wú)線充電系統(tǒng)與自動(dòng)汽車(chē)的匹配還需要大量的測(cè)試和驗(yàn)證。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 張茂春,王進(jìn)華,石亞偉.無(wú)線電能傳輸技術(shù)綜述[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(5):485-488.

        [2] 張峰,王慧貞.非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)中松耦合變壓器的研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2007(4):54-58.

        [3] 王振亞,王學(xué)梅,張波,等.電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電源學(xué)報(bào),2014(3):27-32.

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