電動汽車無線充電技術研究與應用分析

李紅梅 趙璐銘 胡怡先 張云莉 蔣小燕 鐘佳薇

摘 要：為了節約能源消耗，降低對環境的污染，近年來，世界各國及各大汽車企業加大了對電動汽車的投入和研究，電動汽車市場亦日趨繁榮，但目前仍存在許多關鍵性技術問題亟待解決，其中與續航里程相關的無線充電技術因其操作便捷、公共占地面積小、安全隱患少等優點受到廣泛的關注。文章主要就電動汽車國內外發展現狀，電動汽車無線充電技術的充電方式及市場應用方式進行了比較分析，得出不同電動汽車使用場景所適宜的無線充電方式。

關鍵詞：電動汽車;充電方式;無線充電;技術應用

中圖分類號：U469.7 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-34-04

Research and application analysis of wireless charging technology for electric vehicle

Li Hongmei， Zhao Luming， Hu Yixian， Zhang Yunli， Jiang Xiaoyan， Zhong Jiawei

（ Chengdu Normal University， College of Physics and Engineering， Sichuan Chengdu?611130?）

Abstract：?To?save energy consumption and reduce environmental pollution， in recent years， countries?around the world and major automobile enterprises?have increased investment and research of electric vehicles， and?its market has become increasingly prosperous. However， there are still many critical?technical problems to be solved， among which wireless charging technology related to?the cruising range has attracted wide attention on account of its advantages of convenient operation， small public area，?and less potential safety risks. In this paper， we principally compare and analyze the current situation of the development of electric vehicles in domestic?and abroad， the charging mode of electric vehicle wireless charging technology，?as well as its market application， obtaining?the appropriate wireless charging mode for different electric vehicles use?scenarios.Keywords：?Electric vehicle;?Charging mode; Wireless charging;?Technology applicationCLC NO.：?U469.7 ?Document Code： A??Article ID： 1671-7988（2020）10-34-04

1 電動汽車發展狀況分析

電動汽車從技術狀態和驅動原理來講主要有燃料電池汽車、混合動力汽車和純電動汽車三類。隨著環境惡化和能源短缺，近年來，全球各國均加快了對電動汽車的研發進程，電動汽車正朝著產業化方向邁進。

1.1?國外電動汽車發展狀況

到目前為止，美國政府已向汽車廠商和其他技術廠商出資數百億美元來推動電動汽車核心技術研發^[1]。截至2019年，美國電動汽車保有量達146萬。此外，歐盟、日本的電動汽車市場發展也位居全球電動汽車市場前列。之所以國外電動汽車發展的態勢較為迅猛，是因為研發出了較多的核心技術。2010年，英國Halo IPT公司通過為雪鐵龍的電動汽車車安裝接收墊，實現了電動汽車的無線充電技術的應用，并已在2012年投入商用^[2]。2013年，兩條長24KM，傳輸效率達85%的電動公交線路在韓國龜尾市投入運行。2016年，美國橡樹嶺國家實驗室研究團隊將20kW的無線充電系統的充電效率提至90%的基礎上，使充電速度也提升為常規插電式電動汽車設備的3倍^[3]。

1.2 國內電動汽車發展狀況

在“十五”和“十一五”期間，以節能環保、提高汽車工業競爭力和實現產業跨越式發展的戰略格局為出發點，我國先后啟動了“863”計劃、“節能與電動汽車重大項目”等，同時投入近20億元推動電動汽車核心技術研發領域發展;在“十二五”和“十三五”期間，我國圍繞著電動汽車技術創新和產業發展兩個主要方面，堅持“三縱三橫”的技術體系，逐漸完善電動汽車產業鏈，推動其產業化發展。在截至2019年，我國電動汽車保有量已達到344萬輛。近年來，我國在電動汽車的總成集成、核心部件研發及整車系統設計等多方面實現了技術的創新和發展的跨越^[1]。目前，我國已有30多個城市開通無線充電公交線路^[4]。

近年來，國內外的電動汽車銷量、全球與國內的電動汽車無線充電技術基本專利申請量和公開量，專利申請人數量及專利族數量的對比分析如圖1、圖2、圖3所示。

從圖1可得，從2014年到2019年，國內外電動汽車銷量大體呈上升趨勢。2018年，國內電動汽車銷量已超過國外;2019年，國內銷量雖有下降的趨勢，但預測在2020年，國內電動汽車銷量會持續上升突破500萬^[5]。

從圖2可得，國內的基本專利申請量和公開量與全球的趨勢大體相同。從1986年到2018年，大體呈現上升的趨勢，但在2015年有下降的趨勢，在2016年到2018年增勢達到平穩的階段;

圖3表明，從1967年到2014年，我國的申請人數量和專利族數量快速增長，2016年到2018年增勢較為平緩，總體上呈現出與全球水平相差逐年減小的狀態。

綜上所述，國內外電動汽車銷售趨勢與無線充電技術申請專利的數量和發表專利的人的數量整體趨勢均為逐年上升，同時也表現了無線充電技術作為電動汽車關鍵技術的重要性和待更進一步研發的局面。

2 無線充電技術

無線電力傳輸的實現方式有三種：電磁感應式、磁場共振式、與微波傳輸式。

2.1 電磁感應式

該種充電方式的主要工作原理是：能量的發射端與接收端各設有一個線圈，同時利用置于地面下的初級線圈來產生交變電流。線圈隨即產生交變磁場來感應置于車輛底部的次級線圈，此時線圈產生交變磁場，從而使次級產生交流電。這時接收端將收到由發射端產生的能量，進而實現能量的轉移。磁感應能量耦合一般會采用鐵氧體磁芯，這樣可以在很大程度上提高線圈間的耦合系數，提高無線傳輸效率^[6]。沃爾沃C30電動汽車正是運用了此種充電技術來實現續航：電能由置于路面內的充電板通過無線傳輸的方式輸送給汽車的蓄電池^[7]。但是電磁感應式具有較高的對位敏感度，即當實際停車位置與預定位置出現較大偏差時，會導致發送端與接收端之間出現不可忽略的誤差，進一步嚴重影響電力的傳送效率。因此，怎樣在停車時保證橫、縱兩個方向的偏差控制在200-300mm范圍內，同時又能滿足較高的充電效率與傳輸效率，是目前無線充電行業需要致力攻克的難題。

2.2 磁場共振式

磁場共振式的充電技術的工作原理與電磁感應式工作原理大致相同，其區別在于后者的初級線圈和次級線圈使用相同的共振周波，即諧振。將發射圈和接收圈的頻率設為相同的值，同樣在接收端產生電流，從而實現能量傳輸。相比于上文提及的電磁感應式，磁場共振的輸出功率大大降低，傳送距離變長，充電效率更高。在實際應用中可實現中遠距離的傳輸，短則幾厘米，長則幾米。能量的發射端及接收端都可以采用密封的結構，對于暴雨、下雪等惡劣天氣下進行充電也是比較安全可靠的。還有區別于磁感應式的一點是，這類充電方法的線圈對位精準度要求不是很高，在一定的誤差內仍能滿足充電需求，這就有利于充電的設備的建立，所以磁場共振式適用于一般情況下的新能源電動汽車實現充電續航。但其充電方式的損失耗能相對較大。

2.3 微波傳輸式

微波無線充電技術的工作原理是將汽車運轉過程中所產生的電能轉換成微波信號，隨之通過一定的發送裝置進行發送信號，然后轉換裝置來轉化微波信號，將期間產生的電能儲存在汽車的電池中。這種方式的充電部分和接收部分都采用2.45GHz的微波信號，輸出功率只有1KW。但是它的傳輸距離可達1000mm，相較前兩種充電技術在這一點就有著明顯的優勢，加之微波的波長較短，因此微波傳輸式一般可用于長距離的定向傳輸^[7]。但遺憾的是由于輸出功率很低，微波傳輸的傳輸速度慢，波段較窄，致使微波傳輸的充電效率只有38%，遠低于電磁感應式及磁場共振式的充電效率，所以這種方式一般不適宜在電動汽車無線充電的領域來廣泛使用。

通過對以上三種充電技術的優缺點進行對比分析，可以看出其不同技術在不同領域的優勢，表1對上述三種方法給出了對比^[7]。

3 電動汽車無線充電技術應用

電動汽車中運用無線充電技術需要從充電方式、成本、安全等多方面進行充分考慮，在充電地點的選擇問題更要加強重視力度。充電設備設置的距離選擇以及充電的具體狀態都需要認真思慮：若電動汽車與充電端的距離過大，兩者之間沒有相對運動，將會導致電能不能穩定、有效地傳輸。所以本小節將圍繞無線充電技術的具體應用及場景來展開介紹。

3.1 停車充電技術的應用

這種方式即為使汽車在停車時進行充電，類似于傳統的充電方式。汽車可以在特定的位置靜止充電，比如路邊停車，停車場停車以及路口等待交通燈等駐車方面。這種方式更加廣泛應用于小型私家車：因為小型私家車主要用途為車主上下班或者自駕游，長時間停車的位置一般是公司附近、住宅停車場等，所以可以利用這些停車時間段來實現對車輛的續航。

3.2 站點充電技術的應用

隨著新能源汽車的普及，公交車由原來的汽油或柴油驅動轉換成了電能驅動。截止2019年底，全國城市公交車電動化比例已超過半成。但由于公交車屬于營運性質的車輛，每天行駛時間較長，同時受車載電池體積的影響，公交車的充電需求較高，因此24小時內至少要對電動公交車進行一次快速充電，并且每次充電所需時間大約為2-3小時^[9]，所以公交車可以在每天營運前或者前一天營運結束后在固定站點進行續航。這樣，既能省下到特定的能量補給站蓄能的時間，又能減少一定的占位空間，還能縮減建設特定充電站的成本費用。因此，站點充電技術具有很強的可行性。

3.3 動態充電技術的應用

除了公交車、出租車等轉為電能續航外，公路客車電動化也加入其中。截止2018年底，客車電動化進程較慢，僅占市場的3%，但是未來發展潛力很大。目前較為普遍存在的充電技術為靜態充電，但針對客車行駛時間較長的特點，一次性飽和充電難以實現正常的營運要求。所以動態無線充電的需求便凸顯而出，比如電動客車在高速公路上行駛的同時能從地面上得到一定的電能反饋到車身電池，給車輛續航。這樣一來不僅可以在極大程度上節約了駐車充電的時間，還能提高營運效率。但是，動態充電技術在成本上投入較大，需要將無線通信技術、實時控制技術以及定位傳感技術有效的結合^[10]。目前，雖然實現該技術較大發展的可能性較小，但動態技術獨特的優勢必定會是電動汽車行業未來重點研究的方向。

表2對充電技術的三種應用方式給出了具體的分析對比：

綜上所述，無線充電技術的應用十分廣泛，不同類型的車輛所適宜的充電場景隨之不同，良好的技術應用能夠極大程度地推動城市的電動化進程。

4 結語

本文主要針對電動汽車的無線充電技術進行了研究，通過對國內外電動汽車的發展進行趨勢分析，引入無線充電技術，并對三種典型的無線充電方式的技術特點進行對比且對不同的應用場景進行了具體討論。現階段，電動汽車無線充電技術朝著智能化、靈活化以及效率化的方向發展。為迎合我國新能源發展的需要，充電技術的應用是不可缺少的研究范疇，可針對不同的電動汽車、不同的駕駛場景制定出適宜且愈加完善的充電方案。

參考文獻

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