電動汽車無線充電技術探討

劉崇凱 羅康駿

摘 要：二氧化碳等溫室氣體排放過多導致的環(huán)境惡化以及能源危機的來臨，原有的汽油汽車急需要新型能源汽車來取代，其中以電動汽車的研究最為熱點。電動汽車的充電方式選擇，對其普及性有著至關重要的作用。除了傳統(tǒng)有線接插頭充電方式外，電動汽車無線充電技術的研究也越來越收到國內外各研究機構的重視。該文詳細介紹了電動汽車上常用的三種無線充電方式，即電磁感應式、強耦合電磁共振式、無線電波式，并對各自的優(yōu)缺點進行了較詳細的說明，最后對電動汽車無線充電技術的發(fā)展前景進行展望。

關鍵詞：電動汽車 無線 充電

中圖分類號：TM461 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0098-02

傳統(tǒng)電動汽車的主要充電方式為用電纜線利用充電樁充電或直接更換電池，但是在操作上存在諸多不便。插頭在使用中會存在磨損，并且若是在雨天工作的話，還會存在安全隱患。無線充電技術作為一種新型充電技術，無需用電纜將汽車與供電系統(tǒng)相連，可將充電源埋于地面之下，能夠有效減少雨水帶來的危害以及電器接觸磨損。將無線充電設備安裝在停車場、小區(qū)道路下，電動汽車停車即可充電，能夠大大提高充電效率。

1 無線充電技術介紹

目前常用的無線充電技術包括電磁感應式無線充電、電磁共振式無線充電、無線電波式。下文將分別介紹這三種技術在電動汽車上應用的原理，以及在應用中的實例，并分析各方式在電動汽車上應用的優(yōu)缺點。

1.1 電磁感應式無線充電技術

電磁感應式無線充電的媒介為磁場，利用松耦合變壓器原理，原邊產(chǎn)生高頻變換的磁場，副邊線圈就會生成感應電流，來給負載供電。由于電磁場可以穿透一切非金屬的物體，電能可以隔著很多非金屬材料進行傳輸，從而將能量從傳輸端轉移到接收端，實現(xiàn)無電器連接的電能傳輸。但由于松耦合變壓器一般具有較大氣隙，有的甚至沒有磁芯，只有兩個線圈，所以變壓器勵磁電感相對較小、漏感相對較大、耦合系數(shù)較低，一般在0.5以下。因此在工頻情況下很難傳遞能量，所以要加入高頻逆變環(huán)節(jié)進行補償，使原邊獲得高頻電壓，保證功率傳輸。

電動汽車電磁感應無線充電技術的過程如圖1：電源側發(fā)射端電源從電網(wǎng)獲取電能后經(jīng)過整流濾波獲得直流電，進入逆變器中進行高頻逆變，產(chǎn)生的高頻交變電流在反饋控制信號的作用下通過補償電路的作用流入一次側繞組在空氣氣隙中產(chǎn)生高頻交變磁通；位于汽車底盤的二次繞組通過感應空氣氣隙內的交變磁通產(chǎn)生感應電動勢，同時在信號控制電路的控制下經(jīng)過整流濾波以及功率調節(jié)，從而實現(xiàn)為車載電池提供電能。同時反饋機構對輸出量進行采樣，把采樣信號反饋給控制單元，對頻率或者開關管驅動信號等進行控制。

電磁感應式無線充電是目前有較多應用在電動汽車上實例的技術，如今年9月中國第一條投入商用的無線充電公交路線——湖北襄陽新能源汽車大功率無線充電系統(tǒng)公交商用示范線，其充電技術就是由中興通訊通過電磁感應原理設計的。

電磁感應式無線充電技術在應用到電動汽車中也還存在許多問題需要解決。

由于系統(tǒng)采用的是松耦合變壓器原理，線圈一次側與二次側之間擁有較大的空氣氣隙，這必將導致系統(tǒng)存在較大的漏磁，影響充電的效率。為了保證充電系統(tǒng)擁有90%以上的效率，必須減小空氣氣隙，這就使得汽車無線充電距離十分有限，一般只能在15 cm以下。

變壓器線圈的對應位置如圖2，在二次線圈從A移動到B的過程中，一次線圈產(chǎn)生的磁通向上穿過二次線圈到向下穿過二次線圈，當在A、B之間的某個位置時，穿過二次線圈的磁通量會為0，不能完成充電。所以這對線圈的相對位置有很高的對應性，允許的位置偏移很小。

害怕金屬異物進入空氣氣隙。當有金屬異物進入氣隙時，會發(fā)生渦流現(xiàn)象，產(chǎn)生局部發(fā)熱，嚴重影響效率和安全。

高頻下電磁輻射對人體的影響。由于電動汽車充電設備離人體較近，并且充電功率非常大，一般都超過10KW，其產(chǎn)生的電磁輻射量將會遠遠超過人體的安全值，需采取有效措施來減小影響。

1.2 強耦合電磁共振式無線充電技術

強耦合電磁共振式無線充電技術是由麻省理工學院的索爾季喜科科研團隊在2006年提出的，它是以電磁諧振原理為理論基礎，通過實驗，該團隊通過試驗成功點亮了相隔兩米以外的燈泡，此試驗的成功標志著無線充電技術的又一次飛躍，新型無線充電技術誕生。

此種無線充電技術，是基于電磁諧振理論，在發(fā)送端與接收端配置相同諧振頻率的諧振線圈，當兩者距離適當時，給發(fā)送端輸送與諧振線圈諧振頻率相同頻率的驅動信號以及能量，兩者便會產(chǎn)生共振，能量便可以源源不斷從發(fā)射線圈傳輸?shù)浇邮站€圈，通過這種形式電能便可在兩個設備間進行無線傳輸。

電動汽車強耦合電磁共振式無線充電技術過程如圖3：電源側從電網(wǎng)獲得電能后，經(jīng)過振蕩器形成高頻振蕩電流，然后經(jīng)過功率放大電路、阻抗匹配電路，經(jīng)發(fā)射線圈形成非輻射磁場，當接受線圈的固有頻率與發(fā)射線圈發(fā)出的電磁頻率相同時，接受線圈內將產(chǎn)生最強的振蕩電流，然后振蕩電流經(jīng)過整流電路、電池管理電路來給電池組進行充電。

電磁共振式無線充電技術相較與電磁感應方式存在著以下的優(yōu)勢。

（1）電磁共振式無線充電技術是運用共振特性來進行能量傳輸?shù)模淠芰繐p耗較小，傳輸距離大，一般能夠達到50cm以上。

（2）能量傳輸只在共振系統(tǒng)中進行，不會影響共振系統(tǒng)以外的其他物體，不用擔心異物進入氣隙引起損害。

（3）不要求發(fā)射線圈與接收線圈有很強的對應位置關系，允許合理范圍的位置偏移而保持傳輸效率。

盡管共振式無線充電技術有如此多的優(yōu)點，但在應用到電動汽車方面仍然存在著許多不足。共振無線充電效率高指的是共振線圈之間的能量傳輸效率高，但由于共振的激勵頻率很高，故高頻振蕩電路損耗很大，系統(tǒng)的整體效率仍然偏低，應研究其低頻化。而且為了防止與其他系統(tǒng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，必須對工作頻率進行隔離。高頻率共振產(chǎn)生的輻射對人體的危害還有待于研究。

1.3 無線電波式無線充電技術

無線電波式無線充電技術，是以無線電波即微波（頻率在300MHz～300GHz之間的電磁波）為載體在自由空間內傳輸能量。無線電波傳輸因具有“定向、可穿透電離層”等特性，故其傳輸距離可以很遠。

微波無線充電技術的流程圖如下圖4：從電網(wǎng)獲得電能后，經(jīng)過整流電路將交流變?yōu)橹绷麟姡俳?jīng)過高頻逆變和調制電路形成微波，經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射出去，經(jīng)過長距離的傳輸，由接收天線接收，通過解調電路將微波變成電能，再經(jīng)整流電路、功率調節(jié)電路模塊將電能變成所需的電流給電池充電。

電動汽車無線電波式無線充電技術也有實例存在：三菱重工曾運用無線電波傳能原理，開發(fā)出了微波電動汽車無線充電系統(tǒng)。采用與微波爐相同的2.45GHz電波發(fā)生裝置“磁控管”，可經(jīng)由“整流天線”向車輛傳輸1kW的電力，但其傳輸效率僅為38%。由于微波是全向輻射，并且系統(tǒng)發(fā)射頻率很高，系統(tǒng)的損耗非常大，無法達到高效率的能量傳輸，故目前還不適合應用在電動汽車無線充電系統(tǒng)上。

2 結語

相比較與電動汽車的有線充電 電動汽車無線充電具有使用起來更加安全、方便、可靠，無機械損耗，維護起來更加方便。電動汽車無線充電技術發(fā)展前景非常廣泛，從上文的分析可以看出電磁感應式與電磁共振式更適合應用在電動汽車無線充電技術上，各研究機構應重點在這兩種方式上進行突破。同時我國應加大對電動汽車及其相關產(chǎn)業(yè)的研究投入，如研究高效電機、解決電動汽車的續(xù)航能力、優(yōu)化電機控制策略與電池管理系統(tǒng)等，在傳統(tǒng)汽車行業(yè)落后他國的情況下，抓住電動汽車發(fā)展契機，打一個完美的翻身仗。

參考文獻

[1] Xun L，Hui S Y.Simulation study and experimental verifi-cation of a universal contactless battery charging platformwith localized charging features[J].IEEE Trans on Power Electr，2007，22（6）：2202-2210.

[2] 王天宇.基于松耦合變壓器的大功率感應電能傳輸技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.

[3] 楊民生，王耀南.新型無接觸感應耦合電能傳輸技術研究綜述[J].湖南文理報，2010，22（1）：44-50.

[4] 趙彪，陳希有，余慶廣.用于非接觸電能傳輸?shù)淖赃m應諧振技術原理[J].電工電能新技術，2010，29（2）：33-37.

[5] 謝益溪.無線電波傳播：原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2008.