电动汽车(第6辑)

    本书是《电动汽车》技术专辑的第6辑，主题是EV动态无线电能传输技术，主要内容包括中国、欧洲、日本的EV无线充电现状，欧洲的新型EV动向，动态无线电能传输技术，磁共振无线电能传输，动态电能传输的实时**效率控制，无传感器电能传输开关控制系统，无线电能传输实用化问题，还介绍了无人机能不能稳定飞行、逆变器倍压电路方面的内容，举例讲解了配备无刷发电机的健身车的充电系统、使用锂离子电池模块驱动滑板车的制作过程，以及连载的EV驱动电机基础和木制EV卡丁车的设计制作。

目录
专题EV动态无线电能传输技术
中国、欧洲、日本的EV无线充电现状 001
——MIT发布磁共振无线电能传输技术后10年
欧洲的新型EV动向 014
——始于201 6年巴黎车展
伴随EV自动驾驶时代的动态无线电能传输技术 018
——与静态无线电能传输技术的差别及必要性
选择磁共振无线电能传输方式 029
——在行驶中实现高效率、大功率、远距离传输
动态电能传输的实时优选效率控制 037
——基于理论的控制系统设计
无传感器电能传输开关控制系统 052
——根据发射侧阻抗变化检测车辆接近并进行电能传输控制
无线电能传输实用化问题 064
——安全措施、法律制度和高性能元件开发
解说
无人机不能稳定飞行 072
——直升机和多旋翼无人机的比较
逆变器倍压电路让输出功率提高4倍 083
——2016年筑波CQ EV卡丁车比赛经验
决胜时速40km 098
——回顾201 6年筑波CQ EV卡丁车比赛结果
制作
配备无刷发电机的健身车充电系统制作 100
使用锂离子电池模块驱动滑板 105
连载
EV驱动电机基础 109
——在加速模拟中思考电机的规格
木制EV卡丁车的设计与制作 125
——三维CAD建模

    专题 EV动态无线电能传输技术
    中国、欧洲、日本的EV无线充电现状
       一一MIT发布磁共振无线电能传输技术后1 0年
    [日]横井行雄执笔 吴慧敏译
    EV（电动汽车）的短板是续航距离。当然，可以通过增大电池容量来延长续航距离，但这会导致能源效率靠前低下。而且，由于电池造价较高，车辆的制造成本也会较高。在此背景下，2007年，麻省理工学院( MIT)发布了磁共振无线电能传输技术。据此，EV无线电能传输时代可能即将来临。如果无线电能传输成为现实，那么就算减小车载电池的容量，也能使EV续航距离延长。如今（2 016年），距此项技术成果发布已近10年。全世界的EV充电技术以及无线电能传输技术，现在发展如何？笔者曾考察过中国和欧洲，他们的EV无线电能传输实用化领先一步。
    汽车无线电能传输即将实用化
    磁共振无线电能传输技术带来的冲击
    2007年美国麻省理T学院发布的磁共振无线电能传输是EV无线电能传输技术研发热潮突然兴起的一大契机。
    在此之前，也有机构进行过无线电能传输实用化的研究。研究主要利用谐振磁场，以电磁感应的方式传输电能，但有效距离只有几厘米。而麻省理T学院的磁共振技术，电能传输距离为2m时的充电效率为40%．Im时甚至可达90%，效率惊人，但实现方法极为简单。当时，这项技术的发表对很多无线电能传输研究人员造成了不小的冲击（图1）。
    与此同时，无线电能传输技术的研究引起了全球范围的广泛关注。移动设备等各个领域均开始了无线电能传输实用化的研发，相关研发人员也如雨后春笋般涌现出来。
    汽车产业也是如此。随着EV的普及，民众对无线电能传输实用化的期望也随之高涨。
    低功耗无线电能传输技术
    距麻省理T学院发布冲击性的研究成果已有10年，无线电能传输技术也在稳步发展，实用的标准化T作正在进行中。
    功率在15W以下的电磁感应无线电能传输技术，国际通用标准为Qi（读作qi），已在智能手机非接触式充电设备中普及。有些车型也搭载了该技术，使用的人不在少数。
    汽车动力方面，针对EV的普及，无线电能传输实用化的研究也在积极推进。技术层面，并非电磁感应式与磁共振式二选一，而是边融合两种技术，边逐步实现标准化和制度化。
    汽车无线电能传输技术的发展
    日本是靠前的正式开始销售EV的国家，其EV无线电能传输技术的研发也理应处于靠前地位。事实上并非如此。
    在中国，政府对环境和新能源车的政策引导，很大程度促进了EV的普及。另外，在欧洲，受德国大众柴油排放门的影响，各欧系车厂接连发布了燃油车转EV的计划。在此之前接触式大功率充电已经开始实现商业化。
    接下来谈一谈中国、欧洲、日本的无线电能传输技术应用的新动向，包含乘用EV、公共汽车、卡车等公共交通工具。
    EV的历史
    EV的出现早于燃油车
    EV于19世纪末面市，早于燃油车。时速优选突破lOOkm的也是EV。1900年的巴黎世博会上，保时捷展示了其白主设计的EV。
    之后，电池性能以及尚未完善的充电条件了EV的发展，EV的续航不能做到与燃油车旗豉相当。因此，EV的发展滞后，而燃油车迎来了全盛时代。
    排放控制
    二十世纪末，汽车尾气造成了严重的空气污染，美国加州等地针对环境制定的法规更加严格。此时，没有尾气排放的EV变得备受欢迎。
    但是，电池成本较高和使用寿命较短等问题，了EV的普及。HEV（混合动力车）恰好结合了燃油车和EV的优点。HEV搭载的电池容量远小于EV，虽然造价高于燃油车，但当HEV行驶在红绿灯较多的街头时，能够有效降低油耗和用车成本，因而受到欢迎。
    大多数欧美国家认定的环保车为EV和PHEV（插电式混合动力车），不包括HEV。EV市场的当今世界格局
    近五六年EV/PHEV需求激增
    从日本经济产业省公开的世界EV/PHEV销售走势图（图2）不难看出，2011~2015年这两种车型的销量激增。
    美国各州制定了不同的环境法规，如加州的ZEV法案①等，因此EV/PHEV销量直线上升也在意料之中。中国的EV销量也呈现了引人注目的增长。作为新能源车元年的2014年，政策实施带来的影响是巨大的。
    世界EV市场在扩大
    那么，在欧美，EV是如何普及的呢？
    2015年，美国特斯拉公司①销售了5万辆轿车型EV“Model S”，德国大众的EV“e-Golf"②在挪威销售了1万辆。
    日本虽说也是EV和PHEV的主要需求国之一，但HEV占据EV市场份额的一半，2015年的EV与PHEV总销量为2.5万辆左有。
    从车型数量的走势也可以明确该趋势。根据日本经济农业省（图3）所整理公布的量产EV/PHEV车型数量走势图可知，日产虽在2009年早早推出了聆风，但现在欧美和中国都在大力推进新能源车发展。欧美车企宣称未来7年内将会向市场投放40款EV以及140款PHEV。
    在2016年9月举办的巴黎车展上，多个欧系品牌（大众、奔驰、欧宝等）全方位展示的都是EV和PHEV车型，而非HEV车型。另外，有的品牌还发布了柴油车转EV的战略计划。
    在欧洲，电动汽车经常被称为“e-mobility”（图4）。中国无线电能传输技术的发展
    中国空气污染严重
    笔者一直从事无线电能传输技术的开发和普及T作，今年有机会考察了中国和欧洲无线电能传输技术的发展情况，在此对其进行介绍。首先从中国开始。
    当代中国T业化和机动化的迅速发展带来了严重的空气污染问题，从PM25数据上可以得到印证。
    上海世博会示范实验
    上海世博会（2010年）期间，中国展示了普及EV的决心。当时，得益于锂离子电池及双电层电容器等的性能提升，各种电动公共汽车投入使用，承担着整个世博会的交通运输大任。当时采用了多种充换电方式，如在公共汽车站点设立受电弓充电设备（电容公共汽车用），换电站（锂离子电池公共汽车用）等。
    另外，还引入了1 000辆新能源车（300台EV，500辆HEV，200辆FCV），进行了低碳社会智能电网的实验。
    中国的EV战略
    为了改善空气污染状况，中国积极推进新能源车的普及，第一阶段是基础研究和商品开发阶段，于2001~2009年实施了《国家高技术研究发展计划》（“863”计划）。第二阶段是示范和普及推进阶段，于2009~2013年实施了《新能源汽车示范推广应用工程》（“十城千辆工程”），发放新能源车购车补贴。
    随着北京等地的空氕污染问题愈发严重，中国的新能源车普及T作进入了第三阶段：政府于2014年开始实施综合措施，以达到全面普及新能源汽车的目的。到2015年，中国的EV销量达24.8万辆，PHEV达8.3万辆，为日本的10倍以上2。
    截至2014年6月，中国国家T业和信息化部的批准清单里已有100家公司约130个车型。中国计划到2020年实现新能源车占机动车保有量的30%以上，EV和PHEV的累计销量达500万辆。
    中国采用换电方式取得了成功
    中国倾全国之力施行新能源战略，无论是大学、研究机构还是企业，都在尽力推进EV/PHEV充电设备的研发T作。
    换电方式在欧洲未能普及（曾经有公司开拓相关业务后退rn），但在中国上海世博会期间，中国的电动公共汽车采用换电方式取得了成功。
    中兴推动了无线电能传输技术的发展
    通信设备制造商中兴通讯一直致力于无线电能传输技术的研发。2013年10月，在北京召开的联合国欧洲经济委员会EVE( Electric Vehicles and theEnvironment)第7次会议中，中兴通讯针对无线电能传输技术的发展以及公司战略做了报告。
    2014年9月，中兴与中国三大汽车制造商之一的东风汽车合作，茌湖北省襄阳市开始展开中国少有公共汽车专用无线电能传输系统的配置和服务。而今，无线充电电动公共汽车在中国各地均已投入使用。
    在中国，中兴是仅次于华为的第二大通信终端和专业通信服务供应商。
    接触式充电和快速充电设备
    中兴研究所除了研究无线充电，还从事有线充电的研发T作（图5）。研究所内规划了无线充电和直流快速充电两种停车场，可按照需求选择不同的充电方式[图5 (b)]。
    这个停车场配备的2个90kW的直流快速充电设备[图5 (c)]，比日本CHAdeMO方式的充电功率大。采用的充电口为中国规格，也属于国际标准的一种[图5 (d)]。
    无线充电设备的规格
    无线充电设备（电源盘）安装在直流快速充电设备的旁边[图6 (a)]，为2个60kW充电设备。充电速度为6kW/min，充电4min可以行驶17km。
    无线充电的充电线不是从电源盘直接接的，而是停车场充电板下面埋设的电线[图6 (b)]。无线充电的T作方式是，与埋在地下的RFID通信，自动开始充电[图6 (c)]。
    实际应用时，像公共汽车这类车体较高的车辆，采用的是放下车体侧受电板的充电方式[图6(d)]。
    中兴的战略
    中兴研究所内设立了一个非常大的展区，主要展EV的充电方式
    EV的动力之源——电池，必须通过外部电源充电。充电方式多种多样，大致可分为两类（图A．1）。
    (1)接触式电能传输
    现在主流的充电方式为插线接触式电能传输。因为全球范围内尚未统一EV充电器的规格，各国纷纷推出各白的标准。这也是EV普及需要去除的阻碍之一。
    频繁拔插充电器非常不方便，不利于EV的市场竞争，但像中国这样作为国家战略推广新能源车的情况除外。
    (2)无线电能传输
    无线电能传输可实现白动电能传输，只要解决成本问题，欧洲、日本等地的EV -定会蓬勃发展。
    无线电能传输的间隙
    无线电能传输的间隙是一个重要的技术关键词。这个间隙指的是充电时发射线圈和接收线圈之间的间隙，这个间隙必须大于lOcm。当然，间隙越小，充电效率越高。
    2007年麻省理T学院发布的磁共振无线电能传输技术，解决了磁感应无线电能传输技术的瓶颈——间隙。白此，民众对无线电能传输技术普及的期望更加强烈了。此后经过10年的时间，技术、制度以及标准化均取得了较大进展，无线电能传输技术在乘用EV领域的应用也日趋成熟（图A.2）。