基于磁耦合谐振式的立体车库设计

基于磁耦合谐振式的立体车库设计

周坤苗 王芳楷

（广东轻工职业技术学院，广东佛山）

摘要：不难发现，经济的不断发展是依靠着对能源的不断利用及技术更新，从第一次工业革命到现在，基本都是围绕化石能源为基础的革命。资源短缺促使传统汽车产业进行转型升级，新能源汽车顺应时代要求被推出来，它弥补传统汽车的短板。但是续航短，设施不完善，接口插座磨损严重。为解决停车难和续航问题，本文基于升降横移式车库搭建无线充电技术进行讨论研究，从介绍充电桩、无线充电的几种方式的优缺点，选择励磁谐振式无线充电为车库的充电方式，对车库和无线充电的控制和监控。

关键词： 磁耦合谐振无线充电，汽车，充电桩，立体车库。

1.引言

随着全球资源的短缺和全球气候变暖的大前提下，转型升级传统动力汽车产业迫在眉睫。从2009年以来，汽车产业也逐步发展成为我国的支柱产业，产量和销量超过美国，成为汽车大国[1]。新能源汽车在国家政府支持下，逐渐步入我们的生活。从2014年汽车拥有量22万，到2020年12月月底，全国新能源汽车拥有量超过480万辆，按照汽车和充电桩的比例 1：1 算，最少全国的充电桩数量也要与汽车拥有量齐平，在城镇化的城市，充电桩的建设需要投入更多资金。但截至2020年12月全国充电桩的数量仅仅140万，车桩数量比为3：1，完全不够使用。充电桩数量少的原因主要是建充电桩场地大，且在较为偏远偏僻的地方，原建设的停车场也没有留多余的空间加装充电桩，强加充电桩也会被破化，发生危险。新能源汽车充电桩数偏少，其原因新建充电桩要占地面积大，且位置会较偏僻。所有本文以无线充电技术加立体车库融合[2-3]，解决停车难和充电难两难问题。

2.国内外发展状况

十八世纪90年代，特斯拉在实验室进行电能传输实验过程中，实现了无线传输。[4] 1964年，William C. Brown提出用微波进行输电。1994年，磁耦合技术在日本的村田公司成功投入研发。2007年，麻省理工学院马林教授的率领的一个团队，成功将传输距离2米远的光源点亮，后来实验结果发现最远的电能传输距离为2.7米，这一发现，推进无线充电技术发展阶段进程。[5]

国内的无线技术发展晚，在最近几年取得了一定的进展，主要是基于各高校成立的无线充电技术实验室和中科院进行研究。我国最早研究无线传输技术是朱春波团队。哈尔滨工业大学主要研究该技术在新能源汽车充电方面的运用，提出超前端补偿控制，从反馈的状态，用系统极点配置方法设计的装置，有效提升系统运行速度，增强系统稳定性，为新能源汽车的无线充电提供了新的控制技术[6]。中兴通讯、奇瑞汽车、比亚迪等国内企业，也在这方面进行研究，推出了自己的技术方案和产品，且在某些城市开始推广和使用。国家电网和南方电网的电力科学研究院也加入对无线充电的研究队伍,未来,可以利用这项技术,推出一套国产的新能源汽车的无线充电系统。

3.充电技术­­­_­

新能源汽车主要依靠蓄电池将电网的电能进行存储，可通过充电桩或换电站进行有线充电，也可以通过无线充电技术进行充电。

3.1有线充电技术

充电桩按电流类型分为交流或直流充电桩。

交流充电桩工作电压为220V单线电压或者是380V的三相电压，充电电流小，充电周期长，一般需要5、6个小时，一天只能充3、4辆汽车。但其体积小，安装方便，充电成本低，电压稳定，比较安全。[7]

直流充电桩是将电网的三相交流电经过电源模块变成直流电。直流充电桩电流大，一般在150A到400A之间浮动，充电时间只需要30多分钟，适合快充。但因为输出电流大，输电线路的发热量高，体积大，不适合家庭使用。[8]

换电站主要是用充满电能的蓄电池换下耗尽电能的蓄电池，达到充电的目的，缩短等待充电时间，提高效率，适合纯电能公交车。但由于汽车数量多，需要准备的电池量多，更换下来的电池充电时间较长，需要一个大场地来容纳未充电或充满电的蓄电池。充电桩是通过使用插头式接口，对汽车进行充电。由于汽车生厂商数量多市场不统一，各个汽车生产商都有属于自己的充电接口，导致充电桩的通用性不好，每次充电都得去厂商建立的充电站或者有配套的充电桩，大大浪费了大量人力、物力、财力和时间。换电池也是得去固定的换电站进行更换。每次换电池或插充电接口，对接口都是不可挽回的损伤。次数越多，接口就会背的松弛，连接不牢固，可能会发生漏电，接口的金属磨损也会导致导电性差，影响充电效果。各个汽车生产商的标准不统一的，也会导致体验效果不佳。无线充电则不需要电缆接口，在汽车底装一个与发射装置同类的接收装置。所以本文推荐使用无线充电模式。

图1 充电桩和换电池

3.2无线传送技术

电能无线传送（Power is transmitted wirelessly）主要是指电能通过无线发射器，将电能转换成其他的能量，如磁场、电场、电磁波等进行的能量传输，也源于特斯拉的无线传输能量试验。传输一段距离，到达接收装置时，将被转换的能量再次转换成电能，实现充电的功能。目前，技术最成熟和使用最广泛的主要有这三种类型：电磁式、磁耦合谐振式、电磁波式［9］。三种无线电方式的比较，如表 1所示。

表1

电磁谐振式无限传输电能在一定距离里传输功率大、效率高、辐射小，对人伤害小且符合汽车对充电性能的要求。

3.磁耦合谐振设计

3.1工作原理

磁耦合谐振传输的原理是基于两个谐振相同的线圈,其中发射线圈由电源装置提供电流，线圈产生磁场，接收装置在磁场的作用下，产生谐振电流，实现无线传输。当两个线圈的频率相同时，此时的谐振电路中阻抗值最小和磁场强度最大，能量从发射端经过一段距离传送给接收端，完成能量的传输。传输主要结构包括了电源装置，整流和滤波，逆变装置、电能发射装置、电能接收装置、用电负载等模块。[10]结构如图2。由于电路结构组成不一样，就分成串联和并联两种谐振电路。

图2-磁耦合谐振无线电能传输系统

3.2影响因素

1.线圈选择

磁耦合谐振无线送电是基于两个线圈同时谐振，线圈的参数决定无线电能传输的效率。所以很多研究人员对线圈的形状，结构，数量进行研究。典型的线圈结构有螺旋绕型、平面绕型。平面型线圈还分为圆形、方形、DD和8字线圈。

螺旋缠绕型线圈有空间型的，也有平面型的。平面型主要由一圈圈的线圈叠加在一起，直径大小一致，传输效率较好，但占据空间和体积较大。空间螺旋绕组线圈和弹簧的结构相似，传输距离大，占空间和体积也大，不适合往微型充电发展。

平面绕组的线圈跟蚊香的结构相似，从最里面一圈圈向外扩展，每一圈的直径都在同一平面，薄薄一层，占空间小，只有一层线圈，比较薄，适合向微型充电发展，线圈位置比较固定，不易改动，传输距离短。如图3所示，本文的立体车库的无线充电发射模块主要是固定在载车板上，汽车底部装接收装置，平面绕组线圈微型化，更适合在立体车库上使用。

2.线圈的偏移影响

线圈是磁耦合谐振电能传输的基础，两个线圈的磁耦合程度决定了能量的传输效果，发射装置安装在车库的载车板，接收装置安装在汽车底部，由于无线充电厂商的标准不一，线圈大小也不一样。

1).线圈同轴

1. 当两个线圈中点在同一轴线，面积不同时，其互感计算公式为[11]

= (1)

其中，r₁是接收线圈的半径，r₂是无线充电的发射线圈，公式中b的值是： ,h是两个线圈在同轴下的距离。

2. 线圈圆心不同轴

1. 假设接收线圈圆心的空间坐标为O₁（0，A，B）发射线圈的坐标为O₂（0，0，0）两圆心的水平距离为A，圆心之间的竖直方向上距离B，接收线圈的半径r₁，无线充电的发射线圈半径r₂，L₁、L₂是发射和接收线圈的长度，真空环境下的磁导率 ：

图4-1同轴线圈 图4-2偏移线圈

对于发射线圈的方程为 (0≤ ≤2 ) (2)

接收线圈的方程为 (0≤ ≤2 ) (3)

根据纽曼积分公式，我们可以推理出：任意闭合线圈相互之间的互感系数M：

（4）

（5）

(6)

整理（2）、（3）、（4）、（5）、（6）得：

不难发现，无论是线圈的错位或者是线圈直径大小，不仅会影响互感系数M，还会对充电的效率和功率有一定的影响，不仅浪费电能，而且导致充电周期延长，不利于提高效率。

4.立体车库无线充电设计

4.1无线充电模块设计

本文主要是用PLC控制所设计的2层7个车位的车库，图5-1所示，上层为1、2、3、4号车位，底层则是5、6、7、0号车位。为了增强使用效果，底层由于只需要做横移动作，所以主要充电方式选择充电桩模式。第二层主要是升降移动，为减少电缆的损耗，采用无线充电模式。本立体车库主要是无线和有线相结合。车库工作主要依托载车板的将汽车停放在指定位置，支撑结构则是钢铁为主。电缆则铺设在钢铁结构上，载车板上设计安装无线充电发射装置，通过此装置将电网的电流转换成磁场，与汽车底部的接受线圈装置将磁场转换成电能，供汽车充电和转换装置的供电，达到对汽车充电的目的，且可借助APP 或者通过触摸屏查看汽车电量是否充满。结构如图5-2所示。

图5-1 车库结构

图5-2车库无线充电结构

4.2线圈调节设计

经济的快速发展，人均GDP的增幅加快，人均拥有汽车量增加停车难，也成为车主头疼的事情，而立体车库的推出很好的解决这个问题。立体车库以其占地面积，小灵活多变，停车过程方便，而广泛使用。但由于汽车类型较多，小型汽车又有许多的款式，各种款式的地盘距离地面的高度不一，由上面的结论的知，线圈的高度和偏移量都会影响充电的效率，为了调整合适的偏移量和距离，需要将发射线圈由固定改为可调节移动。

1）.发射线圈使用液压来调节高度，步进电机调节偏移量

具体是将液压装置和发射圈组合在一起，由步进电机带动发射装置和液压装置一起运动，调节到两个线圈的圆心处于同轴，在通过液压对发射装置进行调节垂直距离，达到充电的最大效率，然后接通发射线圈的电源，让其处于电能传输状态。汽车载车板取出时，发射线圈复位，等待下一辆车的存入。

2）.发射线圈用步进电机进行偏移量和垂直距离调节

通载车板上的传感器感知有车辆存入，并有充电的需求时，步进电机会带动发射线圈在导轨上进行移动，如图调节发射器线圈到达最佳位置，使无线电能传输效率最大。当车辆取出时，装置自动复位，等待下一量汽车的存入。

液压装置的施工难度大，需要的配套装置也较多，价格昂贵导致成本高，后期的维护也比较困难，装置安装比较隐蔽导致维护时间和成本也提高。电机的安装需要安装导轨和控制电路的电线，电机种类多，易于选择，成本可控，导轨的安装都是介于载车板上，不需要暗埋在载车板里，安装简单，后期维护检修方便。所以偏向于选择第二种步进电机，如图6所示。

图6 线圈调整装置

5.总结

主要是在环境保护和停车难的背景下，讨论将无线充电和立体车库相结合的设计，借助立体车库的平台解决停车难的问题和充电桩的数量比不平衡的问题。文章主要是以两层7车位的立体车库为研究对象，讨论和选择合适的无线传输方式，将立体车库上与无线电能传输技术相结合，解决了有线充电插拔充电插头所可能产生的安全隐患，也解决了电缆不稳地，不安全的因素，减少电缆损耗，且依据原理，讨论影响传输效率的因素，从线圈的选型和线圈之间的偏移量和垂直距离进行讨论，并给出选择，通过设计发射线圈位置调节装置，使得传输效率最大化，减少电能的损耗率和缩短充电时间，具有一定的发展前景。

参考文献：

[1]黄晓艳.李云峰.迎接汽车充电新时代 [J].高科技与产业化,2010(6):48-50.

[2]宋运动，张接信，何斌．立体车库概述和发展前景分析[J]起重运输机械，2017:63-66.

[3]张瀚超，匡洪海.新型电动汽车无线充电系统研究[J]现代制造，2017:20-21.

[4] brown, w. c. the history of power transmission by radio waves[j]. ieee transactions on microwave theory and techniques, 1984, 32(9):1230-1242.

[5] wang z, wei x, dai h. principle elaboration and system structure validation of wireless

power transfer via strongly coupled magnetic resonances[c] 2013:23-26.

[6]申屠相镕. 基于磁耦合谐振的大功率汽车无线能量传输系统设计[D].杭州电子科技大学,2020.

[7]刘霞,吴婧.新能源电动汽车充电方式浅析[J].南方农机,2020,51(19):25-27.

[8]向慕超,张爽.新能源电动汽车充电技术研究[J].汽车维修技师,2020(11):127.

[9]谭林林、黄学良，陈琛，电动汽车无线充电时的电磁环境及安全评估［Ｊ］．电工技术学报，2015.30（19）：61-67.

[10]李莎. 基于磁耦合谐振的无线能量传输技术研究[D].河南师范大学,2013.

[11]刘修泉,曾昭瑞,黄平.空心线圈电感的计算与实验分析[J].工程设计学报,2008(02):149-153.

[12]段少伟,陈永当.基于立体车库电动汽车无线充电设施的研究[J].机械工程与自动化,2019(02):8-10.

[13]范祖良.新能源汽车中基于磁耦合谐振的无线电能传输线圈横向错位影响分析及线圈自动调节设计[J].科技创新与应用,2020(21):20-22.

基金项目：广东省科技创新战略专项资金资助立项项目，项目编号：pdjh2020a0883