電動汽車高效率無線充電技術的研究

李玉琴　謝金媚

摘 要：近些年來，我國社會經濟穩定且持續的增長，提高了社會公眾的生活水平，為了更進一步鞏固人們的生活質量，國內逐漸開始研發電動汽車高效率無線充電技術，并廣泛投入到社會各階層進行使用，造福人民，同時為生產加工及制造領域提供全新的生產技術依據。隨著無線充電技術的出現，推動了新能源汽車的進一步創新。

關鍵詞：電動汽車 高效率 無線充電 技術研究

Research on High-efficiency Wireless Charging Technology for Electric Vehicles

Li Yuqin，Xie Jinmei

Abstract：In recent years， China’s social economy has been growing steadily and continuously， which has improved the public’s living standards. In order to further consolidate people’s quality of life， the country has gradually begun to develop high-efficiency wireless charging technology for electric vehicles， and has been widely invested in all sectors of society. And at the same time the article provides a new production technology basis for production， processing and manufacturing. The emergence of wireless charging technology further promoted the innovations in new energy vehicles.

Key words：electric vehicle， high efficiency， wireless charging， technology research

1 引言

電動汽車高效率無線充電技術的應用造福了社會公眾的日常生活，進一步提升了人們的生活質量，為人們提供更優質的生活條件，電動汽車高效率無線充電技術的出現和應用同時也為人們提供更多的就業機會。

2 簡述電動汽車無線充電技術

2.1 電動汽車無線充電技術研發背景

社會經濟的高速發展造福人民，提高人們的平均收支水平，但同時也嚴重破壞了國內生態循環系統，不利于我國可持續發展目標的實現。為了更進一步的節約自然資源，降低對生態循環系統的污染，國內環保機構提出“電動汽車”這一概念，并聯合生產、加工及制造領域共同研發出高效率無線充電技術，減少了出行旅游對普通汽車的使用率[1]。

在電動汽車的實際應用過程中，由于充電條件的客觀因素限制，因此造成了使用不方便等問題。為了促進電動汽車在當前社會中的便捷應用，必須研發全新的電氣動車充電技術，基于此，無線充電技術應運而生。隨著無線充電技術在社會中的普及應用，為電動汽車在國內的廣泛使用提供了良好的環境，同時也推動了汽車相關生產制造產業的穩定發展。

2.2 電動汽車無線充電技術的優缺點

目前為止，我國可持續發展仍然處于落實階段，為了更進一步推進可持續發展理念在當前社會中的深入滲透，電動汽車及其無線充電技術的應用勢在必行。隨著有關機構對電動汽車的研究愈發全面，電動汽車的充電方式呈現多元化發展趨勢，現階段，電動汽車無線充電技術的形式主要包括充電樁、更換電池組以及直流快充等等[2]。

當然，任何事情均有兩面性，電動汽車無線充電技術亦是如此。為了能夠全面發揮出電動汽車有線及無線充電技術的優勢，有關機構應當認真且全面的剖析電動汽車的應用途徑及其與有線及無線充電技術的契合度。有線充電技術包括一次性轉換能源、電能損耗小、節能環保等優勢，而無線充電技術則包括方便快捷、安全性高、無接觸損耗等優勢。

3 國內外有關電動汽車高效率無線充電技術的研究現狀

3.1 國內電動汽車高效率無線充電技術研究現狀

隨著社會發展對生態環境的破壞程度越來越高，人們對有關新能源的研發制造也愈發關注，尤其是電動汽車的無線充電技術應用。近些年來，國內科研組織相繼開展了對無線電能傳輸技術的研究與應用工作。為了表示對新能源事業的高度重視，中國科協于2017年在沈陽舉辦了“中國國際電動汽車會議”的學術沙龍[3]。

縱觀中國科學史，這是國內第一次舉辦有關無線電能傳輸領域的學術會議，在接下來的幾年里，國內又相繼在重慶、貴陽、南京、武漢等一線城市舉辦了有關無線電能傳輸技術的學術會議，旨在深入且全面的研究關于無線電能傳輸的技術要點，不僅針對電動汽車而言，同時也為其他生產制造領域提供堅實可靠、實用性強的全新加工工藝。

3.2 國外電動汽車高效率無線充電技術研究現狀

部分先進的西方國家對電動汽車無線充電技術早已落實研發，例如美國、德國、日本等等，現如今，部分西方國家已經掌握了相對成熟的無線電能傳輸技術，并對其技術核心實施嚴格的保密工作，這也充分證實了無線電能傳輸技術對國家整體發展的重要意義。早在20世紀初期，新西蘭、日本、美國以及韓國等國家就對電動汽車高效率無線充電技術難點展開研究。

首先是美國的橡樹嶺國家實驗室，早期對高效率無線充電技術的耦合機構、傳輸特征、介質損耗以及電磁輻射等展開較為深入的研究，并將研究結果嘗試應用在實際發展當中。其次是日本東京大學，日本在20世紀初期就提出了基于直流/直流變換器的副邊最大效率控制方法，這可能是目前為止國際范圍內最高效的電流轉換控制方式。

4 電動汽車高效率無線充電技術研究中的重點項目

4.1 磁耦合機構設計技術

目前為止，國內已經研發出分立式連續單線圈結構、矩形長線圈型以及雙磁極型無線供電導軌技術，為無線電能傳輸領域的研發工作提供堅實有力的技術依據，同時也保障了研究所得數據的真實性與可靠性，這也足以證明磁耦合機構的重要性。受到新技術與新理念的支撐，國內最近新研發出一種三相交流激勵能量發射導軌以及Quadrature-type接收端這種磁耦合機構可有效消除三項交流電之間的交叉耦合，同時大幅提高能量拾取機構橫向偏移的可容忍程度。

基于新時代的發展需求，除了長線圈型供電導軌之外，國內市場又自主研發了雙磁極型供電導軌模式，擴充了電動汽車高效率無線充電技術的研究內容，從實質上轉變了傳統的無線充電技術。外界因素對雙磁極型供電導軌的影響不大，但是其本身的磁場分布不均勻，存在耦合系數零點，且成制造成本相對較高。雖然如此，但是雙磁極供電導軌的優勢也很多，例如功率密度高、尺寸緊湊、不受場地影響、側移適應性強、施工難度小以及暴露水平地等等。

4.2 能量傳輸魯棒控制技術

能量傳輸魯棒控制技術是無線充電技術中的要點之一，也是有關無線電能傳輸領域中的關鍵研究項目，因此應充分重視能量傳輸魯棒控制技術的研發工作，盡可能為其提供全面且足夠的數據資料，支撐其實現多元化、高效化發展。東京大學采用副邊控制策略，在整流電路后加入Buck變換器，利用狀態空間平均法建立小信號模型，基于極配置法設計比例-積分（PI）控制器，實現恒功率或最大功率的穩定控制。

在研究高效無線電能傳輸技術的過程當中，魯棒控制是關鍵點，而在落實魯棒控制研究工作時，國內外科研機構所采用的驗算方式“各有千秋”。通過觀察，多數的國外研究機構通常采用PI控制算法，且控制參數一般通過極點配置法進行自主選取，該方法的優勢是相對簡單且易于實現，演算結果的準確性與可信程度也相對較高。

4.3 電磁兼容技術

目前的無線電能傳輸均是通過高頻的強磁場實現傳輸功能，由于電磁環境的復雜程度較高，且需要實現較高的傳輸頻率，因此電磁兼容設計成為無線電能傳輸的重點研究項目。首先，相關科研機構需要做的就是持續優化電磁兼容的設計思路，提高無線電能傳輸的效率，其次就是確保無線電能傳輸的安全質量，減少無線電能傳輸過程中的人員接觸。

當前的電磁兼容設計主要包括磁屏蔽設計、頻率配置、接地設計、剩磁設計、軟件抗干擾設計等等，而在設計過程中，工作人員同時需要注意無線電能傳輸的電磁干擾因素，這些干擾因素大致可分為兩種，一種是主動屏蔽，另一種則是被動屏蔽，顧名思義兩者的屏蔽主體恰好相反，因此設計人言在優化思路時應注意區分兩種電磁干擾的因素類別。

4.4 多導軌充電技術

近些年來，國內對電動汽車高效率無線充電技術的研究愈發深入，且對其中多導軌充電概念也展開了全面研究。截至目前，電動汽車無線供電系統的導軌模式主要包括單級導軌模式以及多級導軌模式。對于單級導軌模式而言，初級回路是基礎，同時只有相應的一條導軌和一套初級電能變換裝置;對于多級導軌模式而言，初級回路中就增加了多段導軌。

多級導軌供電同時存在兩種電能傳輸形式，一種是單層多級導軌供電模式，而另一種則是復雜程度相對較高的雙層多級導軌供電模式。在前者運作的過程中，系統供電導軌基本上被切分為N段導軌，每段導軌均會配備獨立的變換裝置、諧振補償裝置等等;而在后者的運作過程中，以單層多級導軌供電系統為基礎，將N段導軌進行完善，形成N個導軌組。

較之單層多級導軌供電系統，雙層多級導軌供電系統的運作效率高，穩定性更強，安全質量更高，有效減少了各段導軌之間的不良接觸，避免發生電流紊亂等問題的發生。雙層多級導軌供電模式具備分時分段供電、降低系統電能損耗、提高電能傳輸效率、易于維護控制、減少電能轉換裝置、降低電子器件要求以及降低參數變化敏感度等技術優勢。

5 結語

經濟的增長不僅造福于民，同時也對自然生態造成損壞，因此應在兼顧經濟發展的同時實現對生態系統的保護，故而對傳統燃油汽車的減量勢在必行，而全新的電動汽車將成為國內汽車制造業的全新發展趨勢。

項目名稱：電動汽車無線充電技術可行性研究;項目來源：2020年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目;項目編號：2020KY66010。

參考文獻：

[1]吳振軍，馮凱，竇智峰，高鵬飛，金楠，武潔.磁場耦合諧振式無線電能傳輸補償拓撲結構效率特性分析[J].輕工學報，2021，36（02）：83-91.

[2]林清華.跑道型松耦合變壓器在電梯轎廂無線供電系統中應用研究[J]. 電氣應用，2021，40（03）：22-28+89.

[3]劉璐，徐桂芝，石凱凱，曹智陽.線圈偏移對無線電能傳輸效率的影響及優化[J]. 現代電子技術，2021，44（08）：123-127.