电动汽车电池管理及无线充电技术课程报告

1、2017年春季学期研究生课程评估(阅读报告、研究报告)考试科目：电动汽车的电池管理和无线充电技术学生所在的学院(系):电气工程和自动化学院学生科目：仪表工程学这个学生的姓是：赵学校编号：16S101097学生类别：应用程序类型评估结果审查员电动汽车无线充电技术研究报告赵学院(系):电气工程与自动化学院专业：仪器工程学号：16S101097讲师：朱春波郭玮2017年3月第一章概述电能是我们日常生活中不可缺少的能源之一。在我们的日常生活中，有许多带电池的设备，像手机和PADs这样的电子设备正在迅速发展。这些设备需要经常充电。无线充电技术在方便使用电池设备方面发挥着重要作用。在当前无线充电技术的发展

2、中，机遇与挑战并存。掌握相关关键技术，促进无线电技术的发展，为人类社会做出贡献，是当前相关研究者的重要任务。无线充电技术是一种新的充电技术，它利用电磁波感应原理或其他相关的交流感应技术，在电能的发送和接收处安装相应的设备，通过发送和接收产生的交流信号对设备进行充电。无线充电技术实现了对设备的无电源线充电，大大增加了充电的便利性。目前，无线充电技术的应用还不够广泛，其发展过程中也存在机遇和挑战，因此我们应该积极应对。1831年，迈克尔法拉第发现了电磁感应现象。通过实验研究发现，电磁流量的变化会产生感应电动势，感应电动势会产生一定的感应电流。电磁感应的发现对无线充电技术的产生具有重要的指导作用。1

3、9世纪90年代，尼古拉特斯拉提出了无线电力传输的概念，这也是人类第一个无线电力传输的概念，因此人们称之为无线电力传输之父。在特斯拉的概念中，地球被视为内部导体，外部导体是地球外部的地球电离层。内导体和外导体之间建立了低频谐振的径向电磁波振荡模式，实现了表面电磁波的能量传输。尽管特斯拉的大胆想法由于资金等多种原因没有实现，但他的无线电力传输思想对无线传输技术的发展起到了重要的启发作用。21世纪以来，便携式电子产品逐渐渗透到人们的日常生活中，随着电子产品的广泛应用，无线充电技术发展迅速。各种无线充电产品的出现满足了人们日常设备的充电需求，如各种研究机构和公司开发的无线充电手机和便携式电脑。与无线充

4、电相关的关键技术也取得了很大进展。第二章解决电动汽车发展问题的无线充电技术由于动力电池容量的限制，目前电动汽车的行驶里程较短，电池充电站的建设已成为制约电动汽车应用和发展的最大瓶颈。为此，各国都大力建设充电站，推广电动汽车的应用。例如，美国计划建造800万个充电站；日本计划在2012年在东京建造1000个充电站。无线充电技术将是未来电动汽车充电的主要方式。目前，电动汽车主要有三种充电模式，即普通充电桩充电站和快速充电站，以及可更换电池的发电站。然而，所有这三种方法都有一些缺点。常用的充电方法主要是交流充电，电压为220伏或380伏，完全充电需要8 10小时。一个有10个地点的发电站每天要为30

5、辆汽车充电，10万辆汽车需要大量的充电站，这将占用大量的土地。大多数快速充电方法是DC充电，一次充电需要10 20分钟。根据数据，给一节35千瓦的电池充电大约需要250千瓦，快速充电消耗的电能是办公楼的五倍。当一个充电站开启四个充电器时，电量将达到兆瓦级，快速充电将对城市电网产生重大影响。动力电池的充电方法包括接触充电和无线充电。接触充电采用插头和插座之间的金属接触来导电；无线充电或无线供电(WPT)是通过耦合电磁场的媒介传输电能。对于电动汽车的WPT，变压器的初级绕组和次级绕组分别置于车外和车内，通过高频磁场的耦合来传输电能。与接触充电相比，WPT使用方便、安全，无火花、无电击、无灰尘堆积、

6、无接触损耗、无机械磨损及相应的维护问题，能适应各种恶劣环境和天气。由于动力电池组输出电压高，存在许多安全隐患，安全性和便利性高是早期人们关注汽车WPT的主要原因。随着研发的深入，人们意识到WPT很容易实现无人自动充电和移动充电。在保证所需里程的前提下，频繁充电可以大大降低电动汽车的动力电池容量，减轻车身重量，提高能源的有效利用率；这也有助于降低电动汽车的初始购买成本，解决电动汽车受大容量电池高成本限制的问题，促进电动汽车的市场化。一般来说，实现无线充电有三种方式，即电磁感应、电磁共振和无线电波。电磁感应原理的应用受到供电端和受电端之间距离短的限制，而另外两种方式可以突破这一限制。国外电动汽车W

7、PT技术的研究取得了良好的效果。与接触式充电器相比，功率因数校正技术、动力电池充电控制和单电池电压均衡技术基本相同；区别在于非接触式变压器的设计、转换器拓扑及其控制以及非接触式反馈技术。此外，非接触反馈也可以通过磁隔离来实现。尽管无线能源在电动汽车领域仍是一个全新的概念，但商业运营已被用于小容量电源，如手机、MP3和电脑。随着无线充电技术的成熟，电动汽车将成为最具潜力的无线充电设备市场。无线充电技术是近几年才开始发展的新兴产业，未来有着广阔的发展空间。快速充电和非接触充电技术的发展可能会极大地改变包括工业设备和电动汽车在内的产品设计，并创造新的市场。快速充电锂离子充电电池将在电动汽车等领域得到

8、推广，或将推广非接触充电的引入。装有快速充电电池的电动工具市场增长迅速。用电线给工业设备和电动汽车充电很麻烦，与非接触充电相结合是拓展市场的关键。具体而言，无人驾驶运载工具和工业机器人等工业设备，以及在固定线路上运行的电动车辆，如新一代电车、公共汽车和商用车辆，将促进非接触充电的应用。这是由其提高充电安全性和便利性的优点决定的。目前，为电动汽车充电的大功率非接触充电技术的发展比以往任何时候都更加繁荣。其中，谐振无触点无线电力传输是一种通过电磁场或电磁波传递能量的技术。无线分为电磁感应型、电磁共振型和电磁辐射型。电磁感应可用于低功率和短距离传输；电磁谐振适用于中等功率和中等距离的传输；电磁辐射可

9、用于大功率远距离传输。电源线经常插拔，既不安全也不容易磨损。充电器、电线和插座的一些标准不完全统一，这不仅造成浪费，而且污染环境。但是，在特殊场合，传统的输电方式存在隐患，很难采用传统的架设电线的配电方式。因此，没有电线变得越来越重要和紧迫。电磁感应充电是通过初级线圈中一定频率的交流电在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从发射端传递到接收端；磁共振由能量发射装置和能量接收装置组成。当这两个装置被调整到相同的频率或者在特定的频率下共振时，它们可以互相交换能量。无线电波充电(电磁辐射充电)类似于早期使用的晶体接收器。它主要由微波发射机和微波接收机组成。接收器电路可以捕获从墙壁反弹回来的无线电波能

10、量，并在调整负载时保持稳定的DC电压。电动汽车不仅充电时间长，而且通过电缆更换电池或使用充电桩等充电方式操作不便。此外，雨天的安全问题更令人担忧。相比之下，非接触充电装置可以直接快速地给车辆充电，而无需通过电缆将其与电源系统连接。此外，非接触式快速充电可以设置在停车场、住宅和路边，还可以为各种类型的电动汽车(包括插电式混合动力汽车)提供充电服务，使电动汽车随时随地充电成为可能。对于公共汽车，充电设施可以设置在终点站、枢纽站、换乘站等。并且快速充电可以通过短的停车时间来完成。电磁感应在发送线圈和接收线圈之间传输电能，是最实用的充电方法。当交流电流通过传输线圈时，在传输(初级)线圈和接收(次级)线

11、圈之间产生交流磁束，从而产生随次级线圈中的磁束变化的感应电动势，并通过接收线圈端子向外输出交流电流。目前存在的问题是：输电距离短(约100毫米)，当输电与受电偏差较大时，输电效率会明显下降；功率与线圈尺寸直接相关。当需要大功率输电时，必须增加基础设施建设和电力设备投资。无线输电原理：松耦合非接触式变压器实现电能的非物理连接传输。它将系统的变压器紧密耦合磁路分开，一次绕组和二次绕组缠绕在不同磁性的结构上，实现了电源和负载单元之间的能量传递，无需物理连接。通过电磁感应实现一次侧和二次侧之间的电能传输，并且通过增加一次侧输入电源的频率来补偿由气隙引起的耦合系数的降低。理论和经验都表明，当一次电流频率

12、的幅值较高，一次侧和二次侧之间的距离较小，磁芯周围介质的相对磁导率大于空气时，可分离变压器的传输效率较高。然而，在实际应用中，原二次侧之间的距离不可能无限小，必须对原二次侧采取相应的补偿措施，因此这种无线功率传输的效率较低。电磁感应是电磁学中最重要的发现之一虽然这项技术只是为电动汽车充电的新兴技术，但科学家们对电磁学之间的关系并不陌生。电动汽车无线充电方法一问世，就引起了全世界的关注，也值得国内同行学习。与充电站和充电桩的建设投资相比，成本更低，节省了接线所需的操作和等待时间。它具有布局灵活、使用方便、安全可靠等绝对优势。2009年7月，日产和昭和飞机公司披露了电磁感应非接触充电系统，传输距离

13、约为100毫米，传输效率为90%。然而，当停车位置有偏差时，当发送和接收面板之间存在较大误差时，会严重影响电力传输效率。目前，研究人员正在研究停车的横向和纵向偏差在200300毫米范围内，这也保证了它有90%以上的传输效率。此外，上述两家公司还研究了动物进入发射和接收装置与金属碎片之间造成的不利影响。这种异物会在它们之间产生涡流，从而导致发热并影响传输效率。2009年8月，日本长野无线公司宣布开发了一种基于磁共振的充电系统。与电磁感应法相比，磁共振法具有传输距离远、停车误差要求低的优点。在600毫米的传输距离内可以保证90%的传输效率，但目前的传输功率仍然相对较小(约1千瓦)，计划从叉车等的使

14、用范围进入市场。随着技术成熟度和传输功率的提高，有望很快进入电动汽车充电领域。三菱重工开发的微波非接触充电系统，采用一组48个硅整流二极管作为接收天线，每个硅整流二极管可以产生20 V的电压和一定量的直流电流，将电压提高到充电所需的指标，实现1 k W的功率输出。其优点是成本低，总成本约为2万元人民币。缺点是传输效率低，目前只有38%。对此，三菱重工表示：“虽然不适合快速充电，但电费仅为传统燃料费的10% 20%。用过热磁控管加热生活用水，综合效率可达70%。此外，在安全性方面，还有一种防止微波泄漏的装置，在使用过程中不会影响车辆上的电子设备和周围人身上的起搏器。2010年11月，英国哈洛IPT公司利用其新开发的感应电能传输技术，成功实现了电动汽车的无线充电。电能接收垫安装在雪铁龙电动车的下侧，电池通过无线充电系统充电。据该公司称，这种感应电力传输系统的另一个优点是，汽车司机不必担心忘记给电动车充电。据报道，这种感应电能传输技术将于2012年商业化应用。目前，这种无线充电技术已经发展得比较成熟。同时，无线充电设备的成本是几千元，而有线充电堆的成本是几万