【《无线电能传输BEV-WPT技术在各车型应用中的分析与BEV动力电池组的研究》5200字】

无线电能传输BEV-WPT技术在各车型应用中的分析与BEV动力电池组的研究目录TOC\o"1-3"\h\u26557无线电能传输BEV-WPT技术在各车型应用中的分析与BEV动力电池组的研究 1238701.1 BEV动力电池组的分析 2279661.1.1 Li电池工作原理与放电特性分析 222151.1.2 Li电池在BEV中的工作方式分析 3157141.1.3 Li电池充电特性研究分析 537741.2 BEV-WPT系统在公共交通中的应用 5324341.2.1 公共交通运行特点分析 5109241.2.2 公共交通的BEV-WPT系统简要设计讨论 6316011.3 通勤运输车辆的BEV-WPT系统简要设计讨论 7293041.3.1 通勤运输BEV运行特点分析 7233111.3.2 通勤运输类BEV-WPT系统简要设计讨论 7233511.4 BEV-WPT系统在小型客车中的应用 810661.1.1 小型客车类BEV运行特点分析 8183021.1.2 小型客车类BEV-WPT系统简要设计讨论 8近几年BEV的发展飞速且方兴未艾，在当前的2021年已经取得了长足的进步。过去几年里BEV多作为大体积的公共交通车以及短距离通勤车出现在道路上，从试点示范运行发展到规模实际运行。但最近几年随着BEV技术的发展，BEV不仅仅作为一辆地面交通工具来行使，更是将要以移动无线智能终端的姿态出现在历史发展的舞台上，因此BEV-WPT技术需要在各种车型之间进行分析，针对各个车型不同的特点，结合其所配置的动力电池组进行研究，最终提出一系列针对性强，实用性强，普适性强的BEV-WPT技术。任何种类的BEV都受到其最关键的部位——电源（即为动力电池组）所决定其最终性能，任何脱离BEV动力电池组本身来研究的BEV-WPT系统最终都会像纸上谈兵落为空谈。本部分将首先对于目前BEV所配置的Li离子动力电池进行研究分析，再根据各种车型对其配置的动力电池组进行分析并提出相对比较适配的电池组方案，然后再以各种车型的用途与运载行驶特点提出最佳适配的BEV-WPT方案。1.1 BEV动力电池组的分析BEV从诞生发展到现在经历了几代电池的更替，最终从上一代体积大重量高容量小的铅酸电池发展到目前的锂离子动力电池。锂离子动力电池基本作为当前最好的BEV供能选择，且笔者在这里大胆预测，未来十年以内不会出现能够代替锂离子动力电池的新技术电池出现。1.1.1 Li电池工作原理与放电特性分析目前存在的电池从储能工作原理分为三大类，分别是：物理电池、化学电池、生物电池。锂离子动力电池便是一种化学电池，通过锂离子在电池内存在的不同形态变化进行储能放能，其内部结构大体由正极、负极、隔膜、电解液、封装外壳构成，其部结构图与其充电放电原理图如下图所示

图4-1 Li电池内部图目前最为主流的Li电池为三元锂电池与磷酸铁锂锂电池两种电池，三元锂电池与磷酸铁锂锂电池在结构上最大的区别就是其正极材料的不同。两种结构的电池在应用上虽然有区别，但均可应用于BEV动力系统中，且在充电过程中两者区别并不明显，因此本部分中将这两种结构电池不假以区分。Li动力电池虽然已经是目前市面上存在的一种性能十分优异的电池，但因其作为化学电池，受到工作原理与其结构原理的限制，在放电过程中不可避免地会有一个内阻不断增大且外电压不断降低的过程。Li动力电池的标准电压为3.7V，充电截止电压为1.2V，放电截止电压一般小于3V。因为其存在内阻的关系，所以在放电过程中放电电流倍率越高时电压降落越快，如图4-1所示。图4-1 一种Li动力电池的放电曲线1.1.2 Li电池在BEV中的工作方式分析Li动力电池在BEV中的存在形式一般有两种：一种是0型圆柱电池，另一种是方形软包电池。图4-2 两种电池组其中0型圆柱电池单只容量较小，大概在3000mha左右，但是因其铁皮外壳包裹，再加上单只容量有限，因此安全系数较高。但因为数量繁多，所以对电池组的容量管理技术要求也比较高，目前只有Tesla品牌具备这种先进的0型电池并联管理技术。价格方面，0型圆柱电池价格十分高昂，以Tesla委托Panasonic公司生产的18650并联电芯为例，单只18650Li电池的价格就达到了数十元。而0型圆柱电芯因其并联结构的缘故，可同时允许很大的电流通过，因此充电速度很快，可以实现超级快充。方型软包电池因为体积较大，因此单只容量较大，加上方型结构，在电池组内可以紧密排列，因此空隙较小，容量体积比要比0型圆柱电池要高，同体积下放行方型电池能够获得比0型圆柱电池更大的容量。但也因为其容量大，单个电芯容量大，因此安全隐患较大，容易发生安全事故。方型软包电池生成成本相对于0型圆柱电池也较低，因其数量较少，所以要求的并联管理技术层次也较低，不管是本身生产成本还是其管理技术成本都相对于0型圆柱电池都很低，因此被各个品牌广泛的应用于各种价位各种车型的BEV中。表4-1 两种Li动力电池对比0型圆柱电池方型软包电池单只容量较低单个容量高单个电池组内数量多单个电池组内数量少安全系数高安全系数较低容量管理技术要求高容量管理技术要求较低充电速度快充电速度较慢成本高成本较低应用较少应用范围广泛不管是0型圆柱电池还是方型软包电池，在BEV中作为电池组的结构组成都是因车型而各有所不同的，其具体的数据都掌握在BEV生产厂家中，这些组成数据厂家是不会公开的。而且尽管通过拆解BEV中的电池组我们可以轻易的出这些数据，但是这种数据并不具有普适性，因此本部分中对于BEV中Li动力电池组的相关分析讨论不包含具体的数据，只对有着决定性的各种充放电趋势、规律进行研究。1.1.3 Li电池充电特性研究分析Li电池作为一种非常成熟的技术，其充电趋势与特性可以轻易的得到，本节中我们选取了几款主流的不同品牌电池，如索尼C4、C5A，LGG6等高性能动力电池，以实物进行放电实验，来测定并绘制出其充电特性曲线，如下图4-3所示。图4-3 几种Li电池充电曲线图由Li电池放电规律曲线图可知，其放电的趋势基本呈S型。在充电开始时处在放电截止电压，电池内可以释放的能量十分少，接受能量的速度较快，因此电压提升较快。当充电进行到标准电压3.7V一定水平下时电压提升速度趋于平缓，此时是Li动力电池充电的最关键阶段。当电压提升至Li动力电池标压3.7V时电压迅速提升，此时过高的充电功率甚至会损害电池，造成过充，因此此时并不需要高功率。Li动力电池的放电规律在第五部分进行BEV-WPT系统设计时具有非常重要的指导意义，而且对于接下来各种BEV车型的WPT应用分析研究时也具有十分重要的意义，我们可以根据这种放电规律，来提出适合各类BEV车型的大体供电方案。1.2 BEV-WPT系统在公共交通中的应用1.2.1 公共交通运行特点分析我国公共交通线路相对繁忙，线路繁多而且在特定时间不间断运行，每车辆单天运行里程可达200千米，且载客量大，因此每天造成的能量消耗巨大，如果长久使用一次石油能源进行运载不管是对能源消耗还是环境污染都是很大的挑战。因此将传统的公共交通系统替换为新式BEV公共交通系统是十分必要且具有很大现实意义的。公共交通因其每天行驶里程多，运载量大，因此对于功能部分要求比较高，所以在公共交通BEV-WPT系统设计时必须提出能够切实有效解决这种问题的方案。我国公共交通运输绝大多数时候集中在白天，因此夜间时可以进行常规满额充电。但仅凭夜间进行的一次满额充电也满足不了公共交通BEV繁重的运输任务，因此在白天运载间隙也需要进行短时间快速充电，好在我国公共交通系统建设比较全面，往往同一条线路同时有多辆车辆同时运行，这一时间间隙为我们的设计提供了关键思路。1.2.2 公共交通的BEV-WPT系统简要设计讨论首先我们讨论夜间充电时的BEV-WPT系统。夜间基本所有公交车都停止运行，此时公交车属于0负载状态，因此可以继续较慢速度的常规充电，而不必过多的考虑充电速度这一性能指标，在公共交通BEV夜间充电时最需要考虑的是大范围公共交通BEV同时进行集中充电时对电网造成的冲击。在降低对电网冲击这方面BEV-WPT系统有着很大的优势，因为其逆变整流侧处在BEV一侧，电网只需要进行一次AC-高频AC的电能变换，而且BEV-WPT系统无需集中布置充电桩，因此电网接入端口较为分散，再加上目前国内公交系统的终点站也非常分散，夜间电能往往也不会达到供不应求的程度，因此夜间的公共交通BEV-WPT系统设计较为常规，无需考虑过多因素的影响。白天时公共交通BEV-WPT系统设计面临的问题很大，主要有以下几点：公共交通BEV面临的运输任务繁重、夜间单次充电不能满足运载需求、在特性时间需要不间断运行、发车间隙时间有限。针对这几点问题以及更多没有提到的问题，本文提出几种独特的公共交通BEV-WPT系统设计方案。针对公共交通BEV所面临的运载难题，本文中提出一种根据中大型公共交通BEV车辆而设计的新型电池组供能结构——多电池组供能结构。多电池组功能结构是指在公共交通型BEV上的各处分别配置多个Li动力电池组，每个电池组均附带二次侧接收端模块，这样就能同时进行多个电池组的充电，也可以通过对各个接收端的管理多个二次侧接收端线圈同时为一个电池组形成超级快充。这种结构的可行性是基于公共交通BEV庞大的体积，因此可以在很多地方分别布置动力电池组。如果使用本文提出的多电池组供能结构，便可以完全解决公共交通BEV在白天的充电问题。当发车时多个电池组并联同时进行供能，将一次侧发射端线圈布置在各个公共交通BEV发车停靠点，停歇间隙的时候多个电池组同时进行WPT充电，使得充电效率大大提高，甚至达到倍增的效果。可以一举解决之前提到的诸如运输任务繁重、夜间单次充电不能满足运载需求、在特性时间需要不间断运行、发车间隙时间有限等问题。1.3 通勤运输车辆的BEV-WPT系统简要设计讨论1.3.1 通勤运输BEV运行特点分析针对大型长途运输车辆，BEV目前还没有达到能够完全取代的程度，因为其运载负荷巨大，而且行驶里程过于长，不管是其他充电方式还是BEV-WPT方式均不能满足其能源补充需求，因此在本文中不再进行讨论。本节中所提到的通勤运输BEV属于在一定范围内的通勤运输，例如港口、码头、工业园等地区，具有较为便利的电能补充条件。首先考虑通勤类BEV，通勤类BEV通常包括景区通勤、企业园区通勤等情况，运输距离并不长，且不会长时间高强度进行运载工作，运载人数也在一定范围内，因此其对BEV的性能指标要求不高。而运输类BEV，例如码头运货，港口集装箱运输等BEV，现在已经基本实现智能化调度，因此需要此类BEV具有长时间持续运载的能力，而且运输任务较为繁重，因此对BEV的性能指标有着很高的要求，需要极高的能源补充速度。1.3.2 通勤运输类BEV-WPT系统简要设计讨论针对通勤类BEV，其BEV-WPT系统设计较为简单，因为其运载任务并不繁重，常规BEV-WPT系统就可以满足其充电需求，因此设计较为简便，可以应用第五部分中将要设计的普适性BEV-WPT系统。而运输类BEV，因为其运载任务繁重，且工作强度高，并不像公共交通型BEV一样有发车间隙，因此需要极高的电能补充形式。本文针对这类运输类BEV，提出换电式电能补充结构。换电视电能补充结构是指将其内部提供电力能源的动力电池组设计成可以进行冷拆卸的形式，当原本的动力电池组电量耗尽时便可将其拆卸，更换为已经满电量的动力电池组，这样就能实现快速电能补充。这种换电式电能补充结构的前提是有一个非常理想的换电充电条件，因为换电对于技术环境的要求是非常高的，在没有相应换电条件下换电极易引起安全事故，伤害动力电池组与BEV本身，甚至发生危险。但目前很多港口码头或工业园区已经实现自动化、无人化、智能化等条件，因此这一前提条件得以满足。当动力电池组被拆卸下时，便可应用BEV-WPT系统对其直接进行WPT电能补充，只需将动力电池组放置在特定的位置即可实现充电，无需拔插，节省人工，可无人化自动完成。当充电完成时也无需进行任何操作，由自动化控制系统自动暂停WPT充电。1.4 BEV-WPT系统在小型客车中的应用我国交通对于小型客车的定义包括家用车、的士车以及小型长途客车等，现在小型长途客车已比较少见，本文将针对家用BEV与的士BEV进行分析。1.1.1 小型客车类BEV运行特点分析对家用BEV，其运行时间大部分集中在白天，晚上运行的频率很低，因此在夜间其一次满额充电需满足其白天一天的运行需求。家用BEV一天运行里程不超过150公里至200公里，就目前的BEV电池组技术而言，可以轻易地达到这种标准。的士BEV相对家用BEV。其运载任务较为繁重，行驶里程长，且需白天黑夜换班持续行驶，对能源需求以及电能补充速度的要求非常苛刻，因此对于其BEV-WPT系统的设计挑战较为大且问题较多。1.1.2 小型客车类BEV-WPT系统简要设计讨论对小型客车类BEV夜间充电，使用常规BEV-WPT系统即可完成，其详细结