淺析電動汽車無線充電的效率影響因素

電動汽車無線充電，常見的技術路線有兩種，磁感應耦合式和磁耦合諧振式。無線充電技術出現(xiàn)的時間很長，一致無法使它替代有線充電的一個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)射端補償模塊，發(fā)射線圈，接收線圈，接收端補償模塊，接收整流模塊。其中發(fā)射接收線圈和補償模塊是無線電力傳輸?shù)年P鍵部件。

發(fā)射線圈，將電能轉化成磁場能量傳遞出去，接收線圈再將磁場能量還原為電能，無線電力傳輸過程中，線圈的性能至關重要。充電可以是靜態(tài)充電也可以是動態(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，應用已不多。單邊線圈，目前應用最多的具體實現(xiàn)形式是平面螺旋線圈，為了提高線圈的抗偏移能力，有研究設計了DDQ線圈?；镜木€圈結構是行車方向上，前后排列的兩個平面線圈，而DDQ線圈，是在前者的基礎上，在每個平面線圈內部垂直方向上增加一組線圈，構成“Q”字。

動態(tài)充電線圈，以預埋在路面下面的導軌的形式呈現(xiàn)，也可以分成兩種類型，集中供電導軌和分段供電導軌，區(qū)別只在導軌的設計形態(tài)。動態(tài)充電，需要車輛具有穩(wěn)定不變的運行路線，因此是適用于公交大巴的無線充電方式。趨膚效應，導體中流過交變電流或者存在交變磁場時，電流向導體表面集中的趨勢，頻率越高，這種趨勢就越明顯。電流集中在表面流動，造成導體電阻增加，發(fā)熱量增加等問題。

鄰近效應，指高頻交流電流在臨近的兩個導體中流動時，導體內部的電流由向臨近導體一側集中的趨勢。以上兩種效應，都可能造成多匝數(shù)線圈內部電流分布不均，從而增加內阻，增大發(fā)熱量。都是需要盡力避免的問題。什么是利茲線？利茲線指一種導體是由多根獨立絕緣導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和臨近效應問題。

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

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

這是一個與磁耦合傳輸方式相類似的需求，用補償電路調整系統(tǒng)的功率因數(shù)。磁感應耦合的無功主要來自松耦合可分離變壓器原邊與副邊之間有較多的漏磁，尤其在移動充電過程中，存在著送電線圈與受電線圈嚴重對不準的現(xiàn)象。回路中電阻值的調節(jié)，則可以起到調整發(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)過整流濾波電路后逆變成高頻交流，高頻交流通過松耦合變壓器的原邊線圈發(fā)射給次級線圈，它的效率、穩(wěn)定性和可靠性影響整個充電系統(tǒng)的性能全橋比半橋效率高，因此全橋高頻電路常常被應用于電動汽車充電發(fā)射端。相應的，全部能夠提高電力電子設備效率的方式，都可以提高無線充電系統(tǒng)的充電效率。

電動汽車無線充電系統(tǒng)中的松耦合變壓器，初級線圈部分埋設于地下，次級部分在汽車底盤上，底盤和地面存在豎直方向的氣隙，如果在水平位置沒有對準，還存在水平偏移，電動汽車無線充電系統(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)的無功功率大，電能傳輸效率低。

根據(jù)電力無線傳輸功率和效率公式，系統(tǒng)內的調節(jié)電阻，可以調節(jié)頻率和效率，而頻率越大，功率也越大；同時功率與電阻成正比，效率在一定范圍內也隨著電阻的增加而增加。但是最大功率點和最大效率點不重合。需要權衡發(fā)射功率與效率的關系。

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；兩個線圈的互感M的影響因素：兩個線圈的匝數(shù)、集合尺寸、相對位置和線圈之間的磁介質。

觀察上面公式，結合電動汽車充電場景的現(xiàn)實，可以看出，線圈耦合系數(shù)與線圈互感成正正比，與兩個線圈的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線圈的相對位置。線圈之間的距離、偏移和旋轉等變化，耦合系數(shù)也隨之變化，最終會導致充電效率的變化。