淺談共享電單車無線充電技術

編者按：本文介紹了針對共享電單車停車充電而研發的無線充電機，其供電采用直流電壓48 V，充電效率達到82%，空間能量傳遞效率達到93%以上。

背景資料：

繼1831年英國物理學家法拉第發現并提出電磁感應定律后，英國物理學家麥克斯韋對電磁場在空間的傳播進行了繼續研究，并于1873年出版了《論電與磁》，由此人類開始了電場與磁場的深入研究與應用。

如今，共享單車由于其符合低碳出行的理念，在國內引起人們越來越多地關注。而共享電單車離不開充電，從用電安全和可靠性設計角度著眼，應采用低壓供電和非接觸無線充電。本文所述的無線充電電路采用48V直流供電。

無線充電電路一般由3個單元電路組成：一是振蕩電路單元，二是功率耦合單元，三是整流與充電單元。為了減小元器件的發熱和節約能源，這3個單元的綜合效率不應低于80%。這就要求3個單元中每一個單元的工作效率不低于93%，其中尤其對功率耦合單元的要求更高，其耦合效率越高，對外電磁輻射就越小。按照歐盟電動助力車EMl的標準，通俗地理解就是：電磁輻射?。苡谝恢浑娮颖砉ぷ鲿r的電磁輻射！否則無線充電技術在電單車領域無法推廣。

減少電磁輻射并增加無線充電效率的幾個努力方向有：減小功率器件開關損耗；減小功率器件導通損耗；減小感應天線的趨膚效應；增加主動誘電（AIEC Active Irlduoe Elecllidty）（基于麥克斯韋空間能量傳遞理論）；采用高頻同步整流（SIRCSynchronous Rectification Circuit）；及時功率調整技術（JPAC Instant Power Adiust Circuit，充電功率需要多少能量就傳遞多少能量）。下面就這些關鍵技術在產品化實踐過程中的設計要點做簡單描述。

1.自動無線充電：當電單車推進無線充電樁后，樁體內部的車位傳感器被觸發，啟動感應充電機振蕩電路給天線供電。使電能通過空間傳遞給安裝砘單車上的感應天線，該電能的獲取是通過電磁感應效應（法拉第電磁感應原理）和主動誘電技術（麥克斯韋電磁共振原理），這樣獲取電能的效率可以達到93.7%。無線充電的原理如下圖所示（虛線內為感應充電機總成）。

2.為了保證用電安全，感應充電機采用48 V供電，讓振蕩電路產生正弦交變電流，作用于供電感應扳的天線已通過天線把電能發射到附近空間。安裝于電單車上的能量接收天線通過2種方式接收能量，一是電磁感應方式，大約可以接收到60%的電能，二是通過主動誘電方式接收能量，大約可以接收到30%的電能。2種能量的接收方式加起來，一共可以接收到93%以上的電能。感應充電機可以根據電池電能的多少，自動調節供電功率，從而避免了能量的浪費。由于采用主動誘電技術，此種無線充電樁的傳電效率在20 mm間隙范圍內可以保持效率不變。

3.由于發射天線與接收天線是由線圈繞制而成的，為了盡可能的使線圈導體導電效率最高，應采用相互絕緣的多股細銅線，這樣可以有效地避免趨膚效應（又稱集膚效應）所帶來的能量損耗，目能有效降低線圈天線溫度，并使得感應效率提升3%以上。

4.高頻同步橋式整流電路，是車載充電器小型化的關鍵技術。分體式充電器可以采用加大外殼散熱面積，或者安裝風扇散熱。對于車載充電器而言，其體積應越小越好，尤其當充電電流大于2 A以上的時候。要把車載充電器尺寸縮小到0.5個香煙盒的大小，就必須采用SIRC同步整流技術（Synchrorlous IRecliffcalJon Circuit）另外為了進一步減小車載充電器的功率損耗，還應增加IPAC及時功率調整技術（Instant Power Adjusr Circuit）。IPAC的功能是：按照當前恰好能滿足電池充電所需的電壓和電流，及時通知發射天線調整電壓和電流，此刻接收天線接收到的電壓和電流，正好匹配上充電參數，這樣才能實現車載充電器的發熱達到最小，從而實現車載充電器的小型化。經過批量產品化的驗證，采用高頻同步整流技術（SRC）和及時功率調整技術（IPAC）的小型車載充電器可以安裝在電單車的任伺位置，而不需要散熱。

5.由于共享電單車是戶外批量運營，車輛無線充電過程中的環境溫度、濕度、發射天線和接收天線間隙變化、天線錯位、電單車電池差異、天線參數的個體差異等會導致充電電路的固有頻率偏差（Inherent Frequency Offset），為了消除這種偏差。無線充電機，應設計AFC自動頻率調整電路，以根據電單車的個體差異，對其電參數做出相應調整，這樣才能適應大批量的盲配充電。（基于e-doctor電單車用總線電控配件，將另文介紹）