電動汽車無線充電技術(shù)的研究與應(yīng)用

余金永 段佳鋼

摘 要：為了有效地減少能源的消耗，從而緩解環(huán)境的污染問題。目前各大汽車企業(yè)都加大了對電動汽車的投入以及研究力度，整個電動汽車的市場發(fā)展日益繁榮，在電動汽車發(fā)展的過程中，無線充電技術(shù)的應(yīng)用可以讓電動汽車在操作的時候更加便捷，并且安全隱患也較少。本文對電動汽車無線充電技術(shù)進(jìn)行了簡單的研究，并且探討了無線充電技術(shù)在電動汽車上的應(yīng)用以及未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：電動汽車 無線充電技術(shù) 研究 應(yīng)用

Abstract：To effectively reduce energy consumption， so as to alleviate the problem of environmental pollution， at present， major automobile enterprises have increased their investment and research efforts in electric vehicles， and the market of electric vehicles is developing increasingly prosperous. In the process of the development of electric vehicles， the application of wireless charging technology can make the operation of electric vehicles more convenient， and there are fewer safety risks. This paper simply studies the wireless charging technology of electric vehicles， and discusses the application of wireless charging technology in electric vehicles and the development trend in the future.

Key words：electric vehicle， wireless charging technology， research， application

現(xiàn)如今低碳經(jīng)濟已經(jīng)得到了非常廣泛的推廣。在發(fā)展低碳經(jīng)濟的時候最關(guān)鍵的就是充分地利用新能源，電動汽車借助電能實現(xiàn)運行，而且是零污染排放。電動汽車可以有效地滿足低碳經(jīng)濟的要求，不過安全性不是很高，而且充電限制也比較大，這對電動汽車的全面發(fā)展具有較大的限制。通過研發(fā)無線充電技術(shù)，能夠有效地彌補電動汽車的使用缺陷，從而促進(jìn)電動汽車的進(jìn)一步發(fā)展。

1 我國電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

從技術(shù)狀態(tài)以及驅(qū)動原理進(jìn)行分類的話，電動汽車可以分為燃料電池汽車、混合動力汽車還有純電動汽車這三大類。由于環(huán)境正在逐漸惡化，能源的短缺問題也愈加嚴(yán)重，在近幾年我國正在逐漸加大對電動汽車的研發(fā)力度，整個電動汽車市場呈現(xiàn)出一種產(chǎn)業(yè)化的趨勢[1]。為了推動電動汽車行業(yè)的發(fā)展，我國接連啟動了“863”計劃以及節(jié)能與電動汽車等重大項目，而且投入了20億元支持電動汽車核心技術(shù)的研發(fā)。在十二五以及十三五期間，我國圍繞著電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及技術(shù)創(chuàng)新這兩個方面，堅持三縱三橫的技術(shù)體系，讓電動汽車的產(chǎn)業(yè)鏈更加完善，促進(jìn)電動汽車朝著產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展。截止到2020年年底，我國電動汽車的保有量已經(jīng)達(dá)到了400萬輛，發(fā)展的態(tài)勢十分迅猛。目前我國在電動汽車的核心部件研發(fā)還有整車系統(tǒng)設(shè)計等多個方面都實現(xiàn)了技術(shù)的創(chuàng)新，而且已經(jīng)有超過三十個城市都開通了無線充電公交線路，對于電動汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展十分有利。

2 無線充電技術(shù)及其實際應(yīng)用

2.1 無線充電技術(shù)列舉

2.1.1 感應(yīng)耦合式

感應(yīng)耦合式技術(shù)屬于無線充電技術(shù)的一種，依據(jù)的是松耦合變壓器原理，發(fā)送還有接收的兩端都有一個線圈，并且在初級線圈上會通過一定頻率的交流電，這個時候的次級線圈會產(chǎn)生相應(yīng)的電流，并且傳輸端會把產(chǎn)生的能量輸送至接收端，從而實現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)移。但是由于沒有磁芯，在能源轉(zhuǎn)移的過程中會有很大一部分的磁動勢都不能傳輸至接收端，而是散布在空氣磁路上面。因此，在能源轉(zhuǎn)移的過程中耦合系統(tǒng)在0.5以內(nèi)，磁芯磁阻都比空氣磁阻低，所以這種無線充電的方式效率不是很高[2]。感應(yīng)耦合式的無線充電技術(shù)在工作的時候主要的原理如下：首先，發(fā)射端把從電網(wǎng)當(dāng)中獲取的工頻交流電能源，經(jīng)過整流還有逆變這兩個環(huán)節(jié)，從而把能源轉(zhuǎn)化成高頻交流電流，接著發(fā)射端通過補償電路把能源輸送至發(fā)射線圈，這個時候發(fā)射線圈的磁場會發(fā)生相應(yīng)的變化，形成一個高頻的交流磁場，由于二次繞組感應(yīng)到空氣氣隙當(dāng)中的交變磁通，所以磁場就會發(fā)生相應(yīng)的改變，進(jìn)而形成一種電動勢，通過濾波還有功率調(diào)整，能夠產(chǎn)生一定的電能，這樣就可以給電池進(jìn)行充電。電磁感應(yīng)式的無線充電技術(shù)在實際應(yīng)用的時候效率較低，不過也可以傳輸千瓦級的功率，應(yīng)用的前景還是較為廣泛的。

2.1.2 耦合諧振能量傳輸式

耦合諧振式的無線充電技術(shù)，在工作原理上和感應(yīng)耦合式式技術(shù)基本相同，最主要的區(qū)別在于耦合諧振能量傳輸式，在初級線圈以及次級線圈當(dāng)中使用的是同樣的共振周波，也就是諧振。通過把發(fā)射圈以及接收圈的頻率設(shè)置為相等的值，然后在接收端產(chǎn)生電流，這樣就可以進(jìn)行能量傳輸。和感應(yīng)耦合式無線充電技術(shù)進(jìn)行比較，耦合諧振式在輸出的功率降低了很多，并且傳送的距離也增加了很多，在充電的時候效率更高。在實際應(yīng)用的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)中遠(yuǎn)距離的傳輸，最長能夠達(dá)到幾米的距離。能量的發(fā)射端還有接收端都能夠采取密封的結(jié)構(gòu)，即使是在暴雨以及下雪等惡劣天氣的情況下，這種無線充電的方式也具有較高的可靠性以及安全性[3]。和感應(yīng)耦合式無線充電技術(shù)還有一點區(qū)別，那就是耦合諧振式充電方法，線圈對精準(zhǔn)度的要求不是非常高，只有確保在允許的誤差范圍當(dāng)中，都是可以滿足充電的需求，所以在建立充電設(shè)備的時候比較方便。因此，耦合諧振能量傳輸式充電方法，對于正常情況下的新能源電動汽車來說，是完全可以實現(xiàn)充電續(xù)航的作用，不過這種方式在使用的時候會損失較大的能耗，也需要不斷地進(jìn)行改進(jìn)。

2.1.3 微波輸能技術(shù)

微波輸能式無線充電技術(shù)，主要的工作原理是把汽車運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電能都轉(zhuǎn)換為微波信號，然后借助相應(yīng)的發(fā)送裝置實現(xiàn)信號的發(fā)送，利用轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)化為微波信號，最后把轉(zhuǎn)化期間所產(chǎn)生的電能都儲存到汽車的電池當(dāng)中。運用這種方式進(jìn)行充電，充電部分以及接收部分采用的都是2.45GHz的微波信號，雖然輸出的功率只有1千瓦，不過傳輸距離是能夠達(dá)到100厘米的，這種無線充電技術(shù)與上文提到的兩種無線充電技術(shù)相比，具有非常明顯的優(yōu)勢，加上微波的波長比較短，所以這種充電方式能夠用于長距離的定向傳輸。但是這種充電方式也具有一定的弊端，那就是輸出的功率比較低，而且微波輸能的速度比較慢，波段也比較窄，所以微波輸能式的充電效率還不到40%，和其他兩種無線充電技術(shù)相比效率要低很多，所以這種無線充電技術(shù)并不適合大范圍地進(jìn)行推廣。

2.2 實際應(yīng)用

如圖將無線充電技術(shù)應(yīng)用在電動汽車當(dāng)中，從而實現(xiàn)電動汽車的無線充電。要從充電方式以及成本等方面進(jìn)行綜合的考慮，尤其是需要注重充電地點的選擇[4]。針對充電設(shè)備設(shè)置的距離還有充電的具體狀態(tài)，在實際選擇的時候必須要仔細(xì)地進(jìn)行考慮，假如電動汽車和充電端之間的距離過大的話，二者之間就會缺少相對運動，這樣電能就無法穩(wěn)定以及有效地傳輸至電動汽車中，以下幾點內(nèi)容闡述了無線充電技術(shù)在不同場景給電動汽車進(jìn)行充電的具體應(yīng)用。

2.2.1 停車充電技術(shù)的應(yīng)用

停電充電技術(shù)是在電動汽車停車的狀態(tài)下給其充電，和傳統(tǒng)的充電方式大致相同。電動汽車可以在一個特定的位置進(jìn)行靜止充電，諸如在路邊還有停車場停車的時候進(jìn)行充電。停電充電技術(shù)對于一些小型的私家車來說比較方便，主要是由于這種車型多用于車主的上下班以及自駕游，而且長時間停車的位置通常是在公司附近或者是住宅停車場等位置，針對這些停車時間段就可以使用該技術(shù)給汽車進(jìn)行續(xù)航。

2.2.2 站點充電技術(shù)的應(yīng)用

目前新能源汽車已經(jīng)得到了很大的普及，公交車也從之前的汽油以及柴油驅(qū)動轉(zhuǎn)換為了電能驅(qū)動。截止到2020年年底，我國的城市公交車電動化的比例已經(jīng)超過了一半。不過公交車屬于營運性質(zhì)的車輛，而且每天行駛的時間也比較長，加上受到車載電池體積的影響，公交車在充電需求方面的要求也比較高，所以在一天當(dāng)中必須要確保電動公交車完成一次快速的充電，每次充電需要花費的時間大致是兩到三個小時，所以可以在每天營運之前以及營運之后在固定的站點給電動公交車進(jìn)行續(xù)航[5]。通過這種方式不光可以省下去能量補給站進(jìn)行蓄能的時間，還可以有效地減少占位的空間，所以這種充電技術(shù)具有較強的可行性。

2.2.3 動態(tài)充電技術(shù)的應(yīng)用

就目前來看，不光公交車以及出租車轉(zhuǎn)化成電能續(xù)航，公路客車也加入到了電動化的行列當(dāng)中。雖然客車電動化的進(jìn)程比較緩慢，市場的占有率也比較低，不過未來的發(fā)展?jié)摿€是比較大的。現(xiàn)階段靜態(tài)充電是比較普遍的一種充電技術(shù)，考慮到客車的行駛時間比較長，僅僅通過一次性的飽和充電還是無法滿足其正常營運的需求[6]。從而使得動態(tài)無線充電的需求更為凸顯，例如，當(dāng)電動客車在高速公路上運行的時候，就可以從地面上得到相應(yīng)的電能，并且將其反饋至車身的電池中，從而實現(xiàn)車輛的有效續(xù)航。通過這種方式，能夠有效地節(jié)約駐車充電的時間，還可以將電動客車的營運效率切實地提高上來。不過動態(tài)充電技術(shù)需要投入較高的成本，必須要把無線通信技術(shù)以及實時控制技術(shù)等進(jìn)行有效的結(jié)合。在現(xiàn)階段動態(tài)充電技術(shù)還沒有取得較好的發(fā)展，不過在不久的將來，該技術(shù)必然能夠成為一個具有潛力的發(fā)展方向。

3 無線充電技術(shù)未來的發(fā)展

第一，智能化。目前我國的智能化技術(shù)水平正在逐漸地提高，無線充電技術(shù)在今后的發(fā)展過程中，需要考慮到給多輛電動汽車同時地進(jìn)行無線充電以及能量加密，這樣才能更好地給電動汽車補充電力能源。此外，在研發(fā)電動汽車的過程中，還得注重研發(fā)智能導(dǎo)航系統(tǒng)，確保電動能源汽車以及發(fā)射裝置的位置能夠保持一致，這樣才能將電能的使用效率提高上來。第二，節(jié)能化。在研發(fā)無線充電技術(shù)的過程中，還得注重使用更加節(jié)能以及環(huán)保的新型材料，這樣電動汽車在充電的時候傳輸?shù)男什拍芨撸瑐鬏數(shù)木嚯x也能有效增加。

4 結(jié)語

在電動汽車中應(yīng)用無線充電技術(shù)，和傳統(tǒng)的有線充電技術(shù)相比更加便利符合未來發(fā)展趨勢。本文主要分析了三種無線充電技術(shù)，并且對其使用過程中的優(yōu)缺點展展開了相應(yīng)的分析。此外，還分析了在不同場景下無線充電技術(shù)在電動汽車上的應(yīng)用，對于無線充電技術(shù)今后的發(fā)展也進(jìn)行了簡單的闡述。

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

參考文獻(xiàn)：

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[2]鄧明陽，郭應(yīng)時.電動汽車插補耦合無線充電技術(shù)的研究[J/OL].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）：1-6.

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[4]齊麗媛，熊江，王瑞，武娟.電動汽車無線充電研究進(jìn)展[J].電池工業(yè)，2021，25（01）：46-49.

[5]王贏聰.電動汽車新型無線充電策略的動態(tài)建模與效率優(yōu)化[J].浙江電力，2021，40（01）：87-94.

[6]魏兵兵.探討如何解決電動汽車充電樁充電技術(shù)難題[J].中國設(shè)備工程，2020（18）：243-244.

作者簡介

余金永：（1983.11—），男，漢族，河南南陽人，大學(xué)本科，講師。主要研究方向：控制工程。

段佳鋼：（1974.06—），男，漢族，廣西扶綏人，本科，高級工程師。研究方向：新能源汽車。