電動汽車無線充電技術的研究進展

作者/孔祥記，廣東電網有限責任公司珠海供電局

電動汽車無線充電技術的研究進展

作者/孔祥記，廣東電網有限責任公司珠海供電局

隨著社會的飛速發展，隨之而來的環境問題也越來越嚴重，其中能源危機和二氧化碳排放過多導致環境加劇惡化，迫切的需要新能源汽車來代替原有的汽油汽車，其中，近幾年電動汽車的關注度尤為明顯。電動汽車選擇哪一種充電方式，對于充電汽車的普及有著相當重要的作用。除了傳統的有線接插頭充電方式外，電動無線充電技術也開始被國內外諸多研究機構納入重點研究范疇。本文主要對電動汽車的無線充電技術、電動汽車無線充電技術應用情況、發展趨勢做了詳細的闡述和分析，以此為我國電動汽車無線充電技術的發展貢獻出一份力量。

電動汽車；無線充電；發展趨勢

引言

節能減排技術以及新能源技術的應用是當今低碳經濟的核心。將電動汽車代替傳統汽油機動車，以此使環境污染和能源短缺問題得到有效的解決，同時這也是我國戰略性的新興產業。電動汽車要想被廣泛的推廣和應用，首先就必須建立相應的充電設施。隨著新能源產業的不斷發展，特別是電動汽車運用得越來越廣泛，對于電動汽車充電方式的多樣性和方便性的要求越來越高。無線充電技術是一項新興技術，現階段,普遍運用在手機、MP3等小功率設備上，在電動汽車的領域并沒用被實際運用，只是一個全新的概念。隨著不斷完善的無線充電技術，其市場潛力也逐漸凸顯了出來。

1. 電動汽車無線充電技術

電動汽車無線充電，相較于有線充電來說，優點主要集中在以下幾個方面：首先是使用更加便捷、且安全性更高，諸如觸電、電火花等事故的發生幾率非常低；其次是積層現象現有發生，且也不會產生接觸損耗，磨損機械，進而避免產生相關維護問題；對于雨雪等惡劣天氣也能較好的適應等[1]。另外，講WPT運用到電動汽車中，可以使人力成本降低、不會造成空間的浪費、交通視線也不會受到影響等。電動汽車配備的動力電池容量可以在實現了動態無線充電的情況下得到極大的減少，使車體的重量減輕，降低了運行車本。電動汽車無線沖電的概念如圖1所示。

1.1 電動汽車感應式無線充電技術

圖1 電動汽車無線充電概念

在手機、牙刷、筆記本、MP3無線充電當中，感應式無線充電技術已經開始被運用。較短的傳輸距離是較少使用電動汽車的主要原因[2]。美國工業協會按功率將電動汽車的感應充電系統分為應用于1～3kW的小功率充電器、5～25kW中等功率的充電器、75～300kW的快速充電器或充電柜三個等級。

在部分電動汽車充電系統當中已經成功的將感應式無線充電技術運用到其中，比如通用汽車公司的EV1，在地面以下埋入發射系統，一般在汽車地盤上安裝接收線圈，而且接收線圈應該和發射線圈發生感應耦合，起著和可分離變壓器一樣的作用，電能進行無線傳輸是通過線圈間的高頻電磁場進行的，其基本結構如圖2所示。

圖2 電動汽車感應式無線充電基本結構

該系統工作的原理是：首先高頻交流電通過電網而產生的工頻交流電再經過整流和逆變轉變而成，電流通過補償電路到達原邊發射圈，并在線圈當中產生高頻電磁場，電動汽車上的接收線圈通過電磁場吸收來自原邊的電能，之后再經過高頻整流、電池管理電路等環節，最終給負載電池充電。另外，可通過反饋控制使系統工作于最佳狀態[3]。

工作頻率較低是感應式無線充電技術的特點之一，一般在幾十到幾百kHz之間，可以實行kW級功率無線傳輸，近距離傳輸的時候可以達到90%以上的傳輸功率。因此，將其使用到電動汽車上的日子已不久遠。

1.2 電動汽車諧振式無線充電技術

在2007年時,MIT的研究人員就提出諧振式無線充電技術是基于電磁諧振無線電能傳輸的，其基本思想為通過電磁場，兩個一樣的自諧振頻率的線圈可以實現高效傳能，但是磁場基本不會影響到頻率不一樣的物體。隨后就將其運用到了電動汽車無線充電的實驗中，基本結構如圖3所示。

圖3 電動汽車諧振式無線充電基本結構

系統的電能可以由電網吸收到，工頻交流電經過整流濾波和高頻逆變可以產生高頻交流電，再經阻抗匹配電路和功率放大電路傳送到發射線圈，當出現一樣的自諧振頻率和射線圈的系統頻率，發射線圈就出產生最大的電流，磁場也最強；這時候，如果接線圈有一樣的自諧振頻率，禍合就會通過磁場產生，高效傳輸就能得以實現。負載電池的充電可以由接收線圈中的電能經調節電路和整流濾波進行。并且，保證整個系統的高效性和穩定性可以通過反饋控制環節得以實現。

諧振式WPT有較遠的傳輸距離、對范圍較小的位置變化不敏感、高傳輸頻率等優點[4]。但同樣也存在的很多問題，如較高的頻率對電路有著較高的要求；還不能明確知道是否對人體有害；受周圍磁性物質的影響較大等。

2. 電動汽車無線充電技術應用情況

現階段，研究電動汽車的無線充電技術已在國外多個國家中如火如荼的進行著，而最早開始對其進行研究的國家有日本、英國和美國等。基于磁共振的充電系統最早于2009年8月，由日木長野無線公司所開發，可以保證在6毫米的傳輸距離內傳送效率可以到達90%。在2010年11月英國Halo IPT公司將一種新型無線充電系統開發了出來，利用感應電荷的原理，在道路的瀝青下面藏入電源板，這樣不僅有利于減少電源板的磨損，使其得到有效的保護，同時惡劣天氣也不會影響到它。在2011年11月,日本IHI株式會社對美國WiTricitv公司磁共振無線供電技術進行了采用，研發出電動汽車無線充電系統，并已被運用到實際中。該系統可以在傳輸距離為20cm時實現3.3kW的充電輸出功率，充電的效率可以達到90%以上。在2013年5月，美國斯坦福大學的一個研究小組研究出了一種電動汽車移動充電系統，其充電可以在汽車行駛的過程中進行，充電效率高達97%。

3. 發展趨勢

3.1 技術發展趨勢

對電力電子控制算法和拓撲結構的優化和創新。功放電路和調諧（補償）網絡的優化和創新，以及改進控制方法是提高無線充電系統性能的保障[5]。研發出高功率因素，低匹配難度、低輸入阻抗的電力電子拓撲結構、更加穩定和精確的控制方法，對無線充電系統偏移裕度、電能傳輸效率和電路運作穩定性的提高有著尤為重要的意義。公眾最為關注的問題就是生物的安全性，無線充電系統要想實現廣泛的推廣和使用，就必須大力研究安全的無線通用性和智能性的電磁輻射防護方法。

通過對一些先進材料引入，如電導率、磁導率等，能夠將系統的損耗降至最低，有效提高電能傳輸效率，目前，充電過程能量損耗的進一步降低因磁電層狀復合材料超導材料和超常規電磁材料等新材料的出現和應用變為了可能，也使無限充電系統傳輸性提供了更寬闊的空間。

3.2 應用趨勢

汽車行進狀態充電技術。電動車的蓄電能力密度低、存儲的能力少，而此技術可以將電能發射圈直接藏在道路基面之下，使汽車在行駛的過程中依然能夠進行充電，進而讓汽車能夠行使更長的時間，使之里程數也進一步增加；將無線充電技術結合自動巡航、自動泊車等輔助駕駛技術，可以使無線充電效果和整車駕駛性能得到提高；V2H車輛到住宅、V2X車輛到電網等雙向電能傳輸。通過結合電動汽車和電網智能，能夠使削峰填谷的電能調控作業得到最大化的發揮，讓電動汽車成為智能化移動儲能裝置，充分發揮其各項性能[6]。

4. 電動汽車無線充電技術遇到的技術瓶頸

4.1 充電效率問題。

從效率的數值上看，和充電效率為95%的插入式充電相比，90%充電效率的無線充電，在實際應用中，用戶并不能明顯的感受到無線充電的充電效率帶來的優勢。

4.2 缺少統一的技術標準。

現階段，全世界無線電能傳輸技術主要有：PMA、WPC和A4WP。但這三大標準都有很大的局限性，只能支持小功率的移動終端充電，還沒有確立電動汽車無線電能傳輸技術的國際標準。

4.3 kHz 和MHz 的頻率范圍和無線充電系統中高頻線圈參數，因受到線圈尺寸和兩線圈之間充電距離的影響，其優化難度較大。

4.4 最大的難題是線圈的建設成本。

由于基礎設施的缺乏，要將該項技術真正的運用到實際當中，也只能在某些高端品牌的高端車型上運用。然而，就算電動汽車用戶因為無線充電體驗到了其便利所在，但將其進行廣泛的推廣使用還要看供應商是否買賬；停車場線圈建設。要在公路或停車場建設無線充電，線圈必須在修建之前就埋到地下。對于已經修建好的公路和停車場，不可能因為要埋線圈就將其全部進行重修，這種方式，將使建設成本極大的提高，不是很現實。

5. 結束語

電動汽車無線充電比有線充電更加方便、安全和可靠，沒有機械損害，更容易維護。從上文可以看出，在電動汽車無線充電技術中，電磁感應式和電磁共振式這兩種方式最為適合，各研究機構可以對這兩種方式進行重點研究，以此作為突破點。與此同時，還需在研究電動汽車與相關產業上，加大投入，對電動企業予以大力發展，縮短我國汽車行業同他國的差距，在電動汽車領域中占據一席之地。

最后要對領導和同事們對我這次關于電動汽車無線充電技術的研究進展大力支持表示感謝，同時還要感謝珠海銀隆新能源有限公司相關技術人員對這篇論文的技術指導，感謝客戶服務中心、電動汽車運營部在我完成技術論文時留下的大量工作，以及論文撰寫過程中慷概給予的相關技術資料。

＊ [1]王振亞,王學梅,張波,丘東元. 電動汽車無線充電技術的研究進展[J]. 電源學報,2014,03：27—32.

＊ [2]高大威,王碩,楊福源. 電動汽車無線充電技術的研究進展[J].汽車安全與節能學報,2015,04：314—327.

＊ [3]趙爭鳴,劉方,陳凱楠. 電動汽車無線充電技術研究綜述[J].電工技術學報,2016,20：30—40.

＊ [4]趙興福,魏健. 電動汽車無線充電技術的現狀與展望[J]. 上海汽車,2012,06：3—6+21.

＊ [5]張鑫,賈二炬,范興明. 電動汽車無線充電技術研究與應用探討[J]. 電子技術應用,2017,01：148—151+155.

＊ [6]劉崇凱,羅康駿. 電動汽車無線充電技術探討[J]. 科技創新導報,2015,07：98—99.