Design and research on mobile charging device

Abstract:This paper expounds the classification of mobile charging devices, the working principle of mobile charging devices for electric vehicles and the application of mobile charging devices for electric vehicles, and contrasting and analyzes the advantages and disadvantages of the traditional energy supply mode and wireless charging mode of electric vehicles.The characteristics of mobile charging devices for electric vehicles are analyzed, and the development status of mobile charging devices applied to electric vehicles is introduced.Then, focusing on the driving charging technology, the future development of mobile charging devices for electric vehicles is expected.

Key words: mobile; portable; charging device; structural design

0 引言

随着社会的进步、科技的发展、环境和能源问题的日益突出，发展和普及电动汽车等新能源汽车的呼声日趋高涨，国内外纯电动汽车( EV) 和插电式混合动力汽车( PHEV) 的量产和销售也已开始。然而当前电动汽车的普及还面临着诸多问题。其中充电技术方面，现在电动汽车的充电方式全部是接触式充电 (无论是充电模式还是换电模式) ，非接触式的可移动充电装置尚处于起步阶段。然而，从便利性来看，非接触式可移动充电装置更适用。由于电动汽车二次电池的能量密度远不及汽油，必须经常进行充电作业，且每次充满电都需要数小时。而利用可移动充电装置可以省却繁琐的充电作业，甚至可以在汽车行驶中自动进行充电，实现智能化和人性化，同时解决了接触式充电在安全和维护方面的问题。

1 可移动充电装置

可移动充电装置引源于无线电力输送技术。无线电力传输也称无线能量传输或无线功率传输，主要通过电磁感应、电磁共振、射频、微波、激光等方式实现非接触式的电力传输。根据在空间实现无线电力传输供电距离的不同， 可以把无线电力传输形式分为短程、中程和远程传输三大类。

1.1 短程传输

通过电磁感应电力传输（ICPT）技术来实现， 一般适用于小型便携式电子设备供电。ICPT 主要以磁场为媒介，利用变压器耦合，通过初级和次级线圈感应产生电流，电磁场可以穿透一切非金属的物体， 电能可以隔着很多非金属材料进行传输，从而将能量从传输端转移到接收端，实现无电气连接的电能传输。电磁感应传输功率大，能达几百千瓦，但电磁感应原理的应用受制于过短的供电端和受电端距离，传输距离上限是10 cm 左右。

1.2 中程传输

通过电磁耦合共振电力传输（ERPT）技术或射频电力传输（RFPT）技术实现，中程传输可为手机、MP3 等仪器提供无线电力传输。ERPT 技术主要是利用接收天线固有频率与发射场电磁频率相一致时引起电磁共振，发生强电磁耦合的工作原理，通过非辐射磁场实现电能的高效传输。电磁共振型与电磁感应型相比，采用的磁场要弱得多，传输功率可达几千瓦，能实现更长距离的传输，传输距离可达3～4 m。RFPT 主要通过功率放大器发射射频信号， 通过检波、高频整流后得到直流电，供负载使用。RFPT 距离较远，能达10 m，但传输功率很小，为几毫瓦至百毫瓦。

1.3 远程传输

通过微波电力传输（MPT）技术或激光电力传输（LPT）技术来实现。远程传输对于太空科技领域如人造卫星、航天器之间的能量传输以及新能源开发利用等有重要的战略意义。MPT 是将电能转化为微波， 让微波经自由空间传送到目标位置， 再经整流，转化成直流电能，提供给负载。微波电能传输适合应用于大范围、长距离且不易受环境影响的电能传输，如空间太阳能电站等。LPT 是利用激光可以携带大量的能量，用较小的发射功率实现较远距离的电能传输。激光方向性强、能量集中， 不存在干扰通信卫星的风

险，但障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换，射束能量在传输途中会部分丧失。

2 可移动充电装置在电动汽车上的应用及特点

电动汽车用的非接触式可移动充电装置有3 大类，分别为电磁感应式、微波式和电磁共振式。可移动充电装置在电动汽车上的应用， 是通过埋设于地表的一次线圈与固定于车辆底盘的二次线圈的电磁耦合来传输电能，对动力电池进行充电，具有安全环保、全自动、免维护等一系列优点。目前常用的3 种可移动充电装置中，因为ICPT 和ERPT 在中等距离的传输效率较高，更适合于电动汽车充电。特别是东南大学采用的电磁耦合共振式ERPT 技术,已能将无线传输的距离增加到50 cm 左右，也是国内唯一实现0.5 m 以上千瓦级无线电能传输的研究成果。

电动汽车用可移动充电装置的特点由于电动汽车的特殊使用环境和条件，其可移动充电装置有以下特点:

(1) 一次线圈和二次线圈间的气隙大;

(2) 一次线圈和二次线圈间存在位置偏移;

(3) 车载装置( 二次线圈) 必须要小型轻量化;

(4) 电磁辐射安全;

(5) 高效率低成本。

气隙大小根据二次线圈在车上的安装位置和一次线圈在停车场的设置而不同。二次线圈安装在车的底部、一次线圈埋设在地面以下的话，气隙长度至少为最小离地间隙( 约150 mm) 。减小气隙可以实现无线充电装置的小型轻量化、高效率、低价格，磁通量泄漏也会减少。为方便施工，可以采用在停车场地面上设置一次线圈的方式，这样气隙约为50 ～ 100 mm。充电装置必须要有很强的对应位置偏移的能力。如果使用车轮挡块，前后方向的位置偏移可以控制在± 50 mm 以下，左右方向的位置偏移允许± 150 mm 的偏差。对于乘用车，小型化和轻量化尤其重要。车载装置安装在车底时，平面尺寸必须控制在400× 400 mm 以下，厚度在40 mm 以下。在可移动充电装置实用化前，必须解决电磁辐射的人体防护安全问题。

例如在电动客车上配备22 kHz、30 kW 无线充电系统时，一次线圈和二次线圈之间的磁场强度非常高，距其约100 mm 远位置的强度为72 μT。而德国规定心脏起搏器的最大允许值为66．5 μT，所以需要离开100 mm 以上的距离。国际非电离辐射防护委员会( ICNIRP) 制订的电磁场人体防护指南的影响力最大。ICNIRP于2010 年修改了低频域1 Hz ～ 100 kHz 的限值， 20 kHz 时的磁场强度由6． 25 μT 放宽至27 μT，这表示要离开至少约150 mm 的距离。

3 电动汽车可移动充电装置应用情况

当今，许多国家都在研制电动汽车可移动充电装置，其中美国、英国、日本等是最早开始电动汽车可移动充电装置研究的国家。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， 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 kW），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， 有望很快进入电动汽车充电领域。

英国HaloIPT 公司于2010 年11 月开发出一种新型无线充电系统， 该感应式电能传输技术利用感应电荷的原理，将电源板埋藏于道路的沥青之下，进行无线充电；同时由于电源板不暴露在外，既可以得到有效保护，减少磨损，又不会受到恶劣天气的影响。

日本IHI 株式会社于2011 年11 月采用美国WiTricity 公司磁共振无线供电技术，研发出电动汽车无线充电系统，并已实施现场使用。该系统包含了安装在电动汽车上的无线电能接收装置及安装在地面的无线供电装置，适用于各种电动汽车及充电电池。电动汽车在充电点停车时，将自动予以充电，而汽车与充电设备之间并无接触。WiTricity 公司表示，与电磁感应和微波等无线电能传输系统相比， 该系统具有更高传输效率和更远输电距离， 系统在20 cm 传输距离可实现无线充电输出功率3.3 kW，充电效率达90％以上。

最近， 美国斯坦福大学一个研究小组正在设计开发一种高效充电系统， 可使电动汽车在公路上一边行驶一边自动充电。该充电系统的工作原理是将一系列接通电流的线圈埋入高速路面下， 在汽车底部装上感应线圈，当汽车通过该高速路时就会引起共振，产生的磁场将电力持续不断地传输给电池， 这种无线传输方案的充电效率可达97％。

4 电动汽车有线和可移动充电装置优缺点分析

4.1有线充电技术

优点： 能源转换一次性获得，电能损失小，节能环保；交直流转换一次性，不存在中高频电磁辐射； 充电桩及充电机等充电设备技术门槛不太高，经济投入不大，维修方便；充电功率调节范围较宽， 适合多种不同电压和电流等级的动力电池储能补给。

缺点：充电设备的移动搬运和电源的引线过长，人工操作繁琐；充电站及充电设备公共占地面积过大；人工操作过程中，极易出现设备的过度磨损等不安全性隐患。

4.2可移动充电装置

优点：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。

缺点：设备的经济成本投入较高，维修费用大；实现远距离大功率无线电磁转换，能量损耗相对较高；无线充电设备的电磁辐射会对环境造成污染。

5 结束语

本文分析了电动汽车用可移动充电装置的现状，并对将来进行了展望。电动汽车普及的同时，可移动充电装置在全世界受到了越来越多的关注，各种充电方式面临的难关将逐步得到攻克，可以预测将来数年内无线充电市场规模将井喷式增长。不远的将来，汽车在高速公路上行驶中，自动接受来自路面下方的供电，人们将从繁琐的充电作业中解脱。

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