純電動汽車無線充電技術研究現狀與發展趨勢

張超 王哲 李泉 唐林英 劉洪亮

摘要：純電動汽車的無線充電技術有利于緩解全球能源的可持續供應問題。通過對國內外純電動汽車無線充電技術的研究現狀進行分析，深入闡述電磁感應式WPT（Wireless Power Transmission）、磁場諧振WPT以及微波傳輸WPT的充電技術原理，指出了三種無線充電技術的優缺點，并針對目前純電動汽車無線充電技術的現狀提出了改進方向。

關鍵詞：純電動汽車;無線充電技術;電磁感應式;磁場諧振;微波傳輸

中圖分類號：TM910 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0203-03

0 ?引言

隨著經濟的發展，汽車已經成為人們日常出行的必備交通工具。近年來，由于汽車的普及也引發了諸如環境污染、能源短缺等一系列問題[1]。純電動汽車（Battery Electric Vehicle，BEV）主要依賴鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池等充電電池作為動力，具有無污染、噪聲小、結構簡單及能量轉換效率高等諸多優點[2]。純電動汽車充電方式可分為接觸式和非接觸式無線充電（Wireless Power Transfer，WPT）兩種方式[3]。接觸式的傳統充電技術將插座和插頭直接連接，這種方式存在接觸損耗、安全隱患和充電不方便等缺點難以滿足人們的需求。與之對比，基于電磁感應原理的非接觸式無線充電技術可以解決傳統充電方式的弊端，具有較多的優勢[4]，比如：減輕了車體重量、不受空間限制實現移動充電、降低電池的成本。

隨著信息技術的發展，無線充電將成為純電動汽車最具前景的充電方式。當前無線充電主流技術主要分為電磁感應WPT，磁場諧振式WPT和微波WPT。其中電磁感應式和磁場諧振式技術使用較為廣泛，微波式WPT由于效率較低而限制了其使用。本文首先對無線能量傳輸技術的國內外研究現狀進行介紹，接著對當前純電動汽車的三種主流充電技術的原理進行闡述，總結各類充電技術的優缺點，最后分析未來純電動汽車充電技術的發展方向。

1 ?純電動汽車無線充電技術的國內外研究現狀

1.1 國外純電動汽車無線充電技術的研究現狀

無線能量傳輸（WPT）的概念起源于19世紀，著名的美國物理學家特斯拉通過在兩個緊密放置的金屬板間施加高頻交流電，成功的發明了第一個無線充電的電燈泡[5]。這一應用開啟了無線充電領域的春天。兩個世紀后，Kurs等人使用的磁共振技術實現了距離超過2m的無線充電[6]，這一突破性的科研成果使得無線充電技術迎來了快速發展。1995年，美國汽車工程協會制訂了SAEJ.1773標準，這是第一版在美國使用無線充電技術進行電動汽車充電的統一標準。2006年初，美國麻省理工學院Marin教授團隊開始改進基于電磁共振原理的磁耦合諧振技術，并采用該技術成功地點亮了距離實驗臺2m之外的60W燈泡[7]。2008年，WPC推出Qi無線充電標準[8]，它的提出完美地解決了無線充電過程中的通用性難題。Qi標準基于電磁感應原理，其電磁波頻率在100-205kHz，比較適合短距離的無線充電，具有兼容性強并且傳輸效率高的特點，目前大多數無線充電產品都采用這一標準。2012年，英國HaloIPT公司通過改進感應式電能傳輸技術實現了電動汽車的非接觸式充電。電能接收裝置安裝在一臺雪鐵龍電動汽車車底，利用充電模塊與電能接收裝置產生的感應對電池進行充電。這種電磁感應式傳輸系統可以讓駕駛員無需擔心忘記為電動汽車充電[9]。2014年，美國WiTricity公司搭建了一套采用電磁共振原理的的無線充電系統，該系統可以的充電功率可達2kW，只需要90分鐘就可以將4.4kWh的電池組充滿電。2018年，WiTricity公司與多家汽車公司合作，實現電力傳輸至汽車電池，其轉化效率達到93%，與傳統的接觸式充電方式相比，其效率相當[10]。2020年2月，Omer Onar博士及其團隊在田納西州橡樹嶺國家實驗室發明了一臺功率為20kW的無線充電裝置，給一臺混合動力UPS卡車充滿電只需要3個小時左右。

1.2 國內純電動汽車無線充電技術的研究現狀

國內純電動汽車無線充電技術起步較晚，主要在20世紀初期才開始，主要依托以東南大學、重慶大學、湖南大學等高校和研究院進行相關技術研究[11-18]，雖然起步較晚，研究的時間只有短短十幾年，但仍然在無線充電技術的領域取得一些重要的成果。其中以重慶大學為典型，孫躍教授及其研究團隊獲取了無線充電技術諸多重要的研究成果，并研發了電動汽車的無線充電系統。此后，以東南大學為首，同樣對無線充電領域展開了系統和深入的研究，其研究主要側重無線充電系統的后臺，提出了基于電場耦合的光電機技術。2011年10月，我國首次召開無線充電技術方面的學術研究會議，會議探討了無線充電技術的核心要點，開啟了我國無線充電技術研究的春天。2013年，由東南大學研發的全國首輛無線充電電動汽車在南京問世，通過磁諧振接收電能，充滿電可以跑180公里。2015年，重慶大學孫躍教授及其團隊發布了國內第一套動態無線充電系統。2019年，由東南大學為主導完成了第二套結合自動駕駛車輛的動態無線充電系統示范。2020年，中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司楊暢等人以三款純電動車為研究對象，以電動汽車能耗、加速性能及制動踏板線性度作為測試評價，保證了沒有駕駛員在車內的基礎上，可實現道路試驗精確與高速測試[18]。

2 ?純電動汽車無線充電技術原理

2.1 電磁感應式WPT工作原理

電磁感應式WPT的原理是基于法拉第電磁感應定律，采用原、副邊分離的變壓器，在距離較近的情況下完成無線電能傳輸的一種新型技術。該方式的汽車無線充電系統結構如圖1所示。

由圖1所示，系統的供電端直流電通過整流和濾波電路將交流轉換為直流，直流經過高頻逆變電路進入感應線圈原邊，變化的磁場會在封閉線圈的副邊位置產生感應電流，感應的電流同樣經過整流電路將交流轉為直流，直流通過濾波之后，經過電動汽車內部能量調節電路進行功率調節，接下來便可對電池進行充電。但是這種充電方式對距離非常敏感，隨著距離的增大傳輸效率會快速降低，非常適用于近距離的充電環境。

2.2 磁場諧振式WPT工作原理

磁場諧振式WPT是以能量諧振耦合原理通過高頻電磁場實現能量傳遞。基于磁場諧振的電動汽車系統結構如圖2所示。

由圖可知，由電源端輸送的交流電經過整流、濾波、高頻逆變電路等一系列過程，轉換為高頻交流，使得電路諧振，達到最佳的能量傳輸條件。高頻交流電通過兩個電磁感應線圈在滿足一定條件下實現能量在兩個線圈之間傳輸，傳輸的電磁能量經過汽車能量調節電路后對電池充電。這種磁場諧振充電方式穩定性好，能量轉換效率高。

2.3 微波式WPT工作原理

微波式WPT主要是基于微波的遠場傳輸原理，將高頻電信號通過發射天線發射到自由空間，接收天線接收，實現電信號和電磁波的有效轉換和傳輸。如圖3所示。

由圖可知，電源產生的交流經過整流和濾波電路轉換為直流信號，然后經過轉換器和功率放大器轉換為大功率的射頻信號，再由發射天線輻射到周圍空間中，經過一段自由空間后，被對端的接收天線接收，接收的輻射電磁波通過整流電路轉換為直流電，最后通過能量調節電路儲存在純電動汽車的充電電池中。由于微波天線是全向性天線，能量輻射在各個方向，受空間環境的影響大，從而導致整個過程的傳輸損耗非常高，且輻射對人體的健康會有一定的影響。

2.4 三種充電方式的比較

三種充電方式各方面優缺點相比較如表1。

通過表格我們可以看出，電磁感應WPT和磁場諧振WPT用于汽車無線充電的性價比高，微波傳輸雖然距離可以較遠，但效率極低，實現商用還需要一段很長的路要走，需要突破物理極限。

3 ?純電動汽車無線充電技術未來發展趨勢

純電動汽車無線充電技術發展日新月異，在物聯網、智慧醫療、無人駕駛、RFID、新能源等各個方面都得到廣泛的應用，但是也存在著一些不足。主要體現在：與有線充電方式相比，能量轉換效率較低，前期投入成本較高，部分充電方式產生的電磁輻射影響人體安全等一系列問題。未來電動汽車無線充電的優化與發展可以考慮以下幾個方面：

①線圈的結構與放置位置導致的無線充電的效率問題：線圈之間的能量轉換效率影響整個系統的傳輸效率;所以可以通過設計線圈之間的排布和調整角度等方式提高能量轉換效率。

②電磁輻射與人體健康：通過運用CST等電磁仿真軟件模擬不同的充電手段引發的電磁輻射對人體的影響，可以通過調整充電裝置的內部結構，降低電磁能量向外輻射的功率，盡量減少對人體健康的影響。

③優化算法提高充電系統的穩定性：充電系統可以通過算法優化來有效抑制高次諧波，降低系統偏移量，提高整個系統電路的穩定性和傳輸效率。

④無線充電裝置的部署：通過將充電系統的電磁線圈的發射端部署在路面下方，使汽車在路面行駛過程中完成自動充電的過程。

⑤無線充電標準：當前主流的無線充電標準主要為Power Matters Alliance（PMA）標準、Qi標準、Alliance for Wireless Power（A4WP）標準、iNPOFi技術、Wi-PO技術。不同的充電標準各方面差異較大，且相互難以兼容。所以規定統一通信頻段，確定統一標準將有助于純電動汽車無線充電技術在全球范圍內的推廣。

4 ?結語

本文主要對當前純電動汽車無線充電技術模式與國內外發展現狀進行了總結，介紹了3種常用的純電動汽車無線傳輸技術的工作原理，也對當前存在的不足之處提出改進方向。當前，純電動汽車無線充電技術在各方面都取得了可喜的成績，但是也存在著諸如效率低、商用性不強、安全性不高等不利因素。相信經過純電動汽車WPT領域科研工作者們的不斷努力，純電動汽車無線充電技術必然會不斷完善和成熟，不斷推動無線充電技術邁向新臺階。

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基金項目：2020年度湖南汽車工程職業學院科研培育項目：（HQZYKY2020B03）、（HQZYKY2020A01）。

作者簡介：張超（1991-），男，湖南溆浦人，碩士，講師，研究方向為微波輸能技術;王哲（通訊作者）（1990-），男，湖南長沙人，碩士，工程師，研究方向為汽車輕量化設計和智能檢測技術。