为EV无线充电(二):进入实用阶段的电磁感应方式

2011-08-31 19:13:21来源: 技术在线

进入实用阶段的电磁感应方式

  在上述三大方式中,采用本公司的电磁感应方式的无线供电系统已经进入实证阶段。预定2011年秋季以后导入到实际的公交线路上使用。就这一意义而言,可以认为目前能立即实用化的无线供电方式还只有电磁感应方式。

  下面将详细介绍电磁感应方式。电磁感应方式基本可以认为是变压器的一种(图4)。也就是说,类似于当内核与内核间的缝隙为零时,以50Hz的频率输入后会输出50Hz频率的变压器。

 
图4:与变压器相同
非接触充电类似于缝隙较大的变压器。

  如果是理想的变压器,由于缝隙非常小,磁力线不会泄漏,因此耦合系数(k)基本为1。但用于无线供电时需要一定的缝隙,所以会泄漏磁力线。因此,k会小于1。

  一次线圈和二次线圈正相对的静止式电路原则上在任何情况下都会设置逆变器,从逆变器经由一次线圈在二次线圈接收电力,然后连接至负荷(RL)(图5)。当然,也可转换为直流,但需要整流。


图5:需要利用电容器进行共振
静止式电磁感应方式为提高传输效率需要利用电容器进行共振。

  不过,仅靠线圈效率无法提高。使传输效率最大化的最佳负荷(ZL)用ZL=RL-jωL来表示。由该公式可知,RL的后侧存在负电抗,因此需要基于电容成分的共振部分。所以,无论是串联还是并联安装电容器,均通过电容器的电容成分获得共振。

  另外,为了不让二次线圈的变动给一次线圈的电压变动率带来负面影响,大多情况下会在一次线圈部分也安装电容器,以提高系统的电源功率因数。那么,电容器该安装在何处呢?本文将列举约九种安装示例,下并具体介绍其中具有代表性的四种。

  由于k值较大时,互感M也较大,如图5的“/串联方式”所示,有时仅在二次线圈中配置用来补偿漏磁的串联电容器即可。k值较小时,如“/并联方式”所示,在二次线圈部分并联配置以二次侧自感的共振频率为电源频率的电容器。

  为改善电源功率因数,一般会像“串联/并联方式”那样,在一次侧配置串联电容器,不过有时也会像“并联/并联”方式那样,配置用来从一次线圈向气隙(Air Gap)提供无功励磁的并联电容器。

  其实,以电磁感应方式为首,磁共振方式的线圈间传输效率(η)是与耦合系数(k)和共振峰值(Q)乘积的平方(α)成比例的(图6)。我们的30kW电磁感应方式在α约为103时的线圈间效率为92%左右。


图6:与α成比例的传输效率
以电磁感应方式为首,任何情况下磁共振方式的线圈间传输效率η都与kQ乘积的平方α成比例。黑点为电磁感应方式、蓝点为磁共振方式的实验结果。

  我们还在开发磁共振方式,目前已达到图6的黑点水平。在这一水平时,即使距离60cm~1m左右,通过提高Q值也可使线圈间效率实现60%左右。

1980年代亮相

  汽车拥有悠久的历史,其实EV比发动机出现得更早。早在汽车的黎明期,就曾经有过EV盛行的时期。之后,由于汽油这种燃料的便利性,EV逐渐退出历史舞台,但最近,EV的时代终于有望重返舞台了。

  汽车的无线供电诞生于1980年代。当时出现了价格便宜的小型逆变器,无线供电开发由此步入正轨。1995年,标致雪铁龙(PSA Peugeot Citroen)集团在法国实施采用电磁感应方式的非接触充电系统“Tulip(Transport Urbain,Individuel et Public)”计划,这就是现在我们的无线供电系统的原型。该系统在地面上设置一次线圈,当地板下方配备二次线圈的汽车停在一次线圈上之后,在一次侧和二次侧之间进行信息交换,根据车辆所需的电力控制充电量。当时的输出功率较小,为6kW。

  能以更大输出功率传输电力的无线供电系统是德国稳孚勒(Wampfler)的“IPT(Inductive Power Transfer)”。目前海外已经导入数十台,日本也导入了4台。其原理与Tulip计划相同,不过输出功率可以达到30kW。稳孚勒开发出了与让车辆蓄电池达到最佳充电状态的BMS(Battery Management System)之间相互通信,获得充电需要的数值的系统。IPT配备于公交车上,在公交车站点乘客上下车时从车辆下侧完成充电,可以说是目前电动公交车无线供电基本概念的早期实践。

日本也在开始实证试验

  昭和飞机工业也在NEDO的协助下,于2004年为早稻田大学制造了“WEB-1(Waseda Electric micro Bus 1号机)”微型电动巴士,并配备了稳孚勒的IPT(图7)。车载蓄电池采用瑞士MESDEA公司的钠熔盐电池“ZEBRA Battery”,之后又改为锂离子充电电池,不过两种做法都存在电池成本高的问题。


图7:配备无线供电系统的微型电动巴士“WEB- 1”
WEB-1最初的非接触供电系统采用稳孚勒公司的IPT、车载蓄电池配备了钠熔盐电池和电容器,后来变更为了自主开发的无线供电系统和锂离子充电电池。

  因此,我们在通过尽量削减电池配备量降低初期导入成本的同时,还减轻了车辆的重量,从而提高了燃效。可是削减电池配备量后,充电一次的行驶距离会缩短,因此不是只在终点站和车站为电池充满电,而是以多次短时间充电为基本模式。

  IPT在早稻田大学本庄校园实施的试验结果表明,即使电池容量较小也可使用。尤其是CO2减排效果非常大。

  不过,海外生产的无线供电系统存在尺寸大、价格高以及无法确保大缝隙等诸多课题。因此,2005~2008年度我们在NEDO的协助下,开始着手无线供电系统的国产化工作。

关键字:进入  实用  阶段

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0831/article_4308.html
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