無線充電技術及其在電動汽車方面的應用研究

閻江

南京長安汽車有限公司 江蘇省南京市 211200

1 引言

隨著社會經濟的發展。目前能源資源不斷減少，而環境問題則日益嚴重，因此，電動汽車作為一種環保節能的新型汽車，其備受人們的關注[1]。無線充電技術隨著發展，其被廣泛的應用到各種電器中，比如：手機等，不過在應用到電動汽車之后，其不僅為電動汽車能源供給提供了新方式，而且為電動汽車的持續發展提供了基礎，因此，本文首先對無線充電技術進行介紹，繼而針對無線充電技術在電動汽車中補償結構進行分析，最后分析無線充電技術未來發展的趨勢。

2 無線充電技術

2.1 電磁感應式

無線充電技術中的電磁感應式技術，基于松耦合變壓器原理的前提條件下，發送及接收兩端各有一個線圈，并通一定頻率的交流電在初級線圈上，此時的次級線圈產生電流，而傳輸端將產生的能量輸送到接收端，完成能源轉移過程。不過因為沒有磁芯，此過程中很大一部分磁動勢無法傳輸到接收端，而是散布在空氣磁路上，所以一般此過程中的耦合系統不高于0.5，磁芯磁阻低于空氣磁阻，故此方式的工作效率比較低[2]。

無線充電技術的電磁感應式工作原理：首先，從電網中獲取的工頻交流電能源被發射端通過整流及逆變兩個環節，將能源轉化為高頻交流電流，然后發射端將能源通過補償電路輸送到發射線圈，此時發射線圈的磁場發生變化形成高頻交流磁場，二次繞組因為感應到空氣氣隙的交變磁通，此時的磁場發生改變形成電動勢，進而通過相應的濾波及功率調整，產生電能為電池充電。雖然這匯總電磁感應式的充電技術效率比較低，但是也能夠傳輸千瓦級功率，所以應用前景還是比較廣泛。

2.2 磁耦合共振式

磁耦合共振式充電技術，其主要優勢就是能夠為多個設備裝置提供能源，且設備裝置放置的空間相比較電磁感應式更加的自由。同時充電座與待充電設備能夠保持10寸的距離，如果在兩者中間放置一個中繼器，那么兩者保持的距離還能夠拉長。此外，根據一些研究表明：磁耦合共振式充電技術甚至能夠隔著40mm左右的厚度進行充電，所以目前我國的磁耦合共振式充電技術研究方向主要向此方向研究。

磁耦合共振式充電技術工作原理：首先，與電磁感應同樣的道理，從電網中獲取能源、經過整流以及逆變兩個環節，形成高頻交流電，但是不同的是磁耦合共振式使系統完成此過程。之后系統將高頻交流電通過放大功率和匹配抗組電路環節將能源傳送到發射線圈，此時發射線圈與接收線圈的電磁頻率、固有頻率一致，所以此時的接收線圈內擁有最強的振蕩電流，接收線圈通過濾波及電路完成充電。相比較電磁感應式充電技術，這種技術不僅傳輸距離大、能量損耗小，且不敏感汽車相對位置[3]。但是這種技術的高頻率在超過50cm以后，其的輻射能夠影響到人體健康。

3 無線充電技術在電動汽車方面的應用

在目前的電動汽車的無線充電技術的應用中，最為常用的就是電磁感應式和磁耦合共振式兩種。無線充電技術在電動汽車方面的應用中，國家財政部以及科技部等四部委提出了2017到2020年的新能源汽車推廣應用財政政策的通知，其中嚴格規定除了燃料電池汽車之外，其他的車型標準補助都會有所下降。

3.1 電磁感應式在電動汽車中應用

隨著國內對電動汽車的研究，東北電力大學的相關研究人員搭建了一個電動汽車無線充電系統，此系統保持在5.5KW左右。但是雖然無線充電技術在電動汽車中卻得了成就，但是也存在一些問題：首先無線充電技術對電動汽車的充電傳輸距離有要求，即：最小不能小于20厘米，但是電磁感應式技術的傳輸距離最大不高于15厘米，所以一些研究學者針對此項問題研究分析，并提出利用脈寬調變控制，促使電動汽車的傳輸距離控制在12-20厘米左右。另外針對這些問題，一些新西蘭的研究人員，通過線圈直徑增大的方式，有效的實現了無線充電技術傳輸距離20厘米的距離突破[4]。除此之外，在磁芯線圈參數的設置中，設計人員需要重視系統傳輸、空間大小、成本等方面的合理設計，所以目前大功率高效率等系統設計還是無線充電技術的一難題。不過西南大學的一些研究人員，提出了一種磁芯的新結構，這種結構能夠提高系統運行的穩定性。而美國的樹林實驗室則是通過采用方形圓角線圈結構實現了無線充電技術的千瓦級別無線傳輸目的。

3.2 磁耦合共振式在電動汽車中應用

相比較電磁感應式充電技術，磁耦合共振式充電技術優勢比較突出，但是取得缺點也比較突出。其主要就是頻率失諧和分裂問題，為解決此問題，華南理工大學的研究人員認為失諧造成的原因就是外界電磁場、溫度、系統傳輸距離等方面的影響變化，讓等效電感應產生變化。因此，提出對輸入端電壓電流的多次檢測數據記錄、對比，了解誤差電壓，進而通過誤差電壓控制調節壓控振蕩器，讓系統得以磁耦合共振狀態。另外國外KIMNY等技術研究人員研究之后，提出了擾動分析法，首先分析初始工作頻率，只有通過步長迭代，然后尋找一定的工作頻率，這種工作頻率尋找的前提條件是能夠滿足傳輸頻率。除此之外，對頻率分類分析，哈爾冰工業大學研究人員通過不同參數線圈的設計試驗得出，只有讓系統無法產生頻率分裂的條件，就能夠解決頻率分裂問題[5]。而國外的BEHTC研究人員則是提出采用自動匹配阻抗方法，將分裂后的工作頻率調整到13.56MHz，以便在此頻率下的系統能夠提高傳輸效率。

4 無線充電技術未來發展趨勢

為了進一步的實現無線充電技術在電動技術的優化，未來的發展需要趨向于以下幾方面：首先，智能化。隨著當下我國智能化技術水平的不斷提升，未來的無線充電技術應充分考慮到多輛電動汽車同時無線充電、能量加密的問題，促使電動汽車需要多少電力能源充多少電力能源。與此同時，在電動汽車的智能化發展中，還應注意到智能導航系統的研發，以便提高電動能源汽車與發射裝置位置的保持，提高電能使用效率[6]。其次，在電動汽車的發展中，應注意采用一些節能環保的新型材料，讓電動汽車能夠提高系統傳輸功率、傳輸效率，進而增加傳輸距離。

5 結語

綜上所述，無線充電技術及其在電動汽車方面的應用研究中，無線充電技術相比較有線充電，更加便利、安全，且更容易維護。同時主要的無線充電技術主要有電磁感應式和磁耦合共振式兩種技術在應用中的問題及解決方法進行總結，希望通過本文研究，能夠為無線充電技術發展及其在電動汽車方面的應用提供幫助。