磁耦合谐振式无线充电技术在智能立体停车场中的应用*

范祖良

(闽西职业技术学院，福建 龙岩 364000)

引言

随着城市化进程的不断推进，城市越来越大，人们日常通勤的路程也越来越远。城市中的公交车、地铁等公共交通难以满足现代城市中人们的快节奏生活需求。随着全球原油资源的日渐枯竭以及各个国家、地区环保意识的增强，燃油汽车保有量控制一直是城市减排、降低大气污染的重要手段。在政府鼓励、市民欢迎等多项利好的推动下，我国现在已经当之无愧的成为全球新能源汽车生产和销售的大国。

目前全国新能源汽车数与充电桩数将近4:1，而且能用的公共充电桩大都远离密集的城市居住区和办公区，大大制约了新能源汽车的进一步发展和推广。目前传统的公用有线充电桩建设方案主要有两种：第一种方案是新建专用新能源汽车充电点；第二种方案是在原有的停车场基础上加装充电桩设备。方案一，新建集中充电点需要较大面积的土地，为节约成本充电点只能建在较偏僻的郊区，导致车主每次为了给新能源车充电将要耗费额外的金钱和时间成本。方案二，主要是私人充电桩的建设方法，对于经营性的地面收费停车场额外加装传统的有线充电桩设备、遮挡棚等一次性投入大，成本回收周期长，同时还有可能会提高停车场的车位闲置率，所以目前也不多见。为解决一直困扰广大新能源车主的充电问题，提出一种针对现有的智能立体停车场加装基于磁耦合谐振的新能源汽车无线充电技术方案，使得新能源汽车在车主上班泊车期间就能持续充电，从而保证车辆的续航。

1 无线电能传输技术

无线电能传输(wireless power transfer,缩写为WPT)是指一种借助于物理空间中的能量载体，基于非导线接触方式，实现电能由电源侧传输至负载侧的技术[1]。无线电能传输系统中的传输介质主要包括微波、磁场以及激光等。目前无线电能传输技术最常用的技术是电磁感应式和磁耦合谐振式。电磁感应式无线传输技术的优点是传输功率大、效率高，不足之处在于传输距离短、传输方向性控制要求精度高，距离或方向稍有偏差就会导致传输性能大大降低。磁耦合谐振式无线电能传输技术具备电磁感应式无线电能传输技术功率大、效率高的优点，同时也克服了电磁感应式无线电能传输技术传输距离不足、传输方向性要求高的缺点。并且磁耦合谐振式无线电能传输技术电磁辐射小，所以即使长期运行也不会对人体或其它设备产生不利影响。

用于新能源汽车无线充电的磁耦合谐振式无线电能传输系统由高频电能转换器、能量传输谐振器(内含)、整流稳压模块、汽车电池及其他附件组成。磁耦合谐振式无线电能传输系统工作原理示意图见图1。

图1 磁耦合谐振式无线电能传输系统示意图

2 智能停车场中应用磁耦合谐振式无线充电技术的方案设计

2.1 应用方案设计

现有的智能立体停车场的工作原理都是利用智能泊车机器人或者智能多运动行程轨道将待停车辆运送至目标编号停车位。在现有的智能立体停车场中如果要利用传统的充电桩式充电设备给新能源汽车进行充电，实现难度是无法想象的，不同的车型、不同的需求、不同的充电口插拔角度等问题在智能立体停车场狭小空间中想要准确的完成是无法想象的。“电动化、智能化、共享化”已成为全球汽车产业转型的主要方向[3]，磁耦合谐振式的无线充电技术则可以很好的适应智能立体停车场的现实环境，可以实现无缝对接。

在每一个智能立体停车场的固定车位托架下方，安装磁耦合谐振发射线圈并与预埋的电网电源实现可靠连接，这就完成了无线充电系统的发射端。当底盘安装有磁耦合谐振接收线圈的新能源汽车被智能泊车机器人或者智能多运动行程轨道运送入位后，即可对接磁耦合谐振，从而实现新能源汽车电池的无线充电功能。智能停车场电动车无线充电原理如图2所示。

图2 智能停车场电动车无线充电原理示意图

2.2 应用方案具体细分功能与设计

2.2.1 磁耦合谐振无线充电发射线圈功率控制功能

在停车场中每个停车位都会出现空置或者停放燃油汽车的情况，这时如果磁耦合发射线圈仍在发射高频磁场，将会造成电能的巨大流失和浪费。为了解决这个问题，在磁耦合发射线圈前端加装RFID接收器，在每辆新能源汽车底盘加装有源RFID标签。每辆新能源汽车上的有源RFID标签是唯一的，发射线圈只有接收到RFID标签信号时，才会闭合前端线圈与电源的连接开关实现电能向高频磁能的转换，从而实现能量的发射。根据实际充电情况，提出了恒电流模式与恒功率模式两种控制模式[2]，本文应用的是恒功率模式。

新能源汽车底盘上所装的有源RFID标签工作与否，由新能源汽车电池电量来控制，当电池在满电量95%以上时关闭有源RFID标签的工作电源，从而通过切断RFID标签的射频信号来控制停车位托架上的发射线圈停止工作。这样就可以实现满电车辆不启动停车场托架底盘的发射线圈，同时也可以在电池充满后及时地切断发射线圈，避免不必要的电能浪费。发射线圈功率控制功能原理如图3所示。

图3 发射线圈功率控制示意图

2.2.2 磁耦合谐振线圈正对面积修正和距离的调整

磁耦合谐振无线充电技术对谐振线圈正对面积和距离不敏感，由于不同厂家、不同型号的新能源汽车底盘大小、高度偏差较大，如果充电系统机械结构上不加区别的采用固定式的发射线圈，势必会对充电效率造成一定的影响。为了实现在最优模式下保持最高的充电效率，可将发射线圈安装在一个允许一定范围内上下、左右运动的底座上。在底座四周安装用于测距和定位的红外线接收端，同样的在汽车底盘线圈周围安装红外线发射端。当RFID接收器接收到对应的RFID标签信号时，底座在伺服电机的驱动下开始进行对准和对高任务，直到底座红外线接收端接收到来自汽车底盘所发射的红外线信号，同时底座与汽车底盘的红外测距结果满足设定要求时，校准结束进入无线充电状态。

2.2.3 充电模式选择

为实现不同情况下人们对新能源汽车充电速度的要求，基于磁耦合谐振的无线充电方式在智能停车场中也可以进行充电速度的模式选择。可以在移动终端APP上根据自身情况选择充电模式，如果没有选择系统默认为慢充模式。

2.2.4 满电远程自动提醒功能

当汽车电池充电到电池满电量的95%以后，自动切断发射线圈与电源的连接，同时智能停车场系统APP或者短信的形式向车主发送满电提醒，以便车主及时获悉车辆电池已充满的信息。

2.2.5 新能源汽车充电电能自动计费功能

现有的智能停车场可以实现每辆汽车的停车位自动分配以及按时间自动计算停车费的功能，但是面对新能源汽车却是无能为力的。新能源汽车有的有充电有的没有，有的耗费较多电能有的没有，如果采用统一的不加区分的计费方法势必会引起广大新能源车主的不满。唯一的解决办法就是，精确计量精确计费，根据新能源汽车的实际耗电量按照当日电费计费。具体设计方案是，在发射线圈前端加装智能电能表，当发射线圈内置的RFID接收器接收到RFID标签信号时向系统上报，此时电能表读数，当汽车充电结束或者车主取车都会导致有源RFID标签信号消失从而终止充电，当充电结束后此时智能电表再次向系统上报此时电能表读数。系统根据电能表上报的两次读数进行相减即可得出该车辆本次充电所耗费的电能，从而得出车主需缴交的电费，并最终在停车费中一起体现并收取。

3 设计方案工作原理与流程

当汽车到达智能停车场指定停车位置时，驾驶员拉紧手刹车辆人员全部下车并离开。当系统检测到停车区域没有人员信号且车辆已经停到指定位置后，泊车机器人或者智能多运动行程轨道将车辆运送至目标车位。当车辆入位后，若这是一辆新能源汽车且目前电池剩余电量不足95%，那么车位托盘的RFID接收器将会接收到汽车底盘上的有源RFID标签的射频信号，从而接通磁耦合谐振的发射线圈的电源，同时驱动发射线圈底座的伺服电机工作，进行正对面积调节和线圈距离调整直到达到最优。当汽车电池电能达到95%或汽车被取走时，RFID标签信号消失，系统断开发射线圈与电源的连接开关，从而避免电能的浪费。

4 结束语

新能源汽车的普及是未来交通的必然趋势，应用磁耦合谐振式无线充电技术将发射线圈安装于立体停车位中，增强了停车场的功能，延长了立体停车场的使用周期。同时针对系统设计的功率控制功能、谐振线圈的正对面积修正和距离调整实现技术以及充电模式选择、满电远程提醒功能和电能自动计费功能，大大提高了系统的实用性和便捷性。