雙碳減排背景下對于新能源汽車技術發展與普及度研究

魏明宇　黃大可　范湘　肖倩影　趙玉瑋

摘 要：現在石油和化石能源的短缺和污染問題越來越嚴重，由于其能耗低，無污染的特點，電動汽車發展迅速，電動汽車是一種由車載電池供電的新型環保汽車，是解決不可再生化石能源消耗大、環境污染和降低運營成本的重要解決方案。電動汽車的充電方式有兩種：有線充電和無線充電。有線充能技術存在著操作復雜、插拔不安全、環境適應性差等缺陷，對于電動汽車行業的發展造成了障礙；而無線充能技術具有操作便捷、無接觸耗散、無高壓危險、自動化程度高等優勢，是當前市場的主流趨勢。

關鍵詞：電動汽車 無線充電 普及度 發展趨勢

1 引言

純電動車無線充電具備占地面積小單位可充電車輛多操作方便靜態即停即充、動態即開即充、損壞率低機械連接少等優勢，甚至能夠解決當前電動汽車的續航焦慮。為什么多年來，無線充電技術，仍然還未大量普及？手機無線充電裝置的基本原理是電磁感應原理，電動汽車無線充電技術所運用的也是電磁感應原理。電動汽車無線充電技術普及度難點在哪？

2 電動汽車無線充電技術的基本原理

無線充電是一種無線能量傳輸的技術，通常使用電磁感應原理。電磁感應是指因磁通量變化產生感應電動勢的現象。閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流。電磁感應一般進行低功率無線充電，使用諧振進行高功率無線充電。供電設備（充電器）將能量傳輸給設備，設備利用接收到的能量為電池充電，并同時操作自身。[2]

無線充電技術利用無線電能傳輸技術，讓電子產品和汽車等設備無需連接電源線就能充電。目前，無線充電技術主要有四種方式：電磁感應式、磁共振式、無線電波式和電場耦合式。隨著科技的進步和市場的需求，無線充電技術有著廣闊的發展前景，但也面臨著一些技術難題。無線充電的實現方式分為

（1）電磁感應式無線電能傳輸系統基于磁場耦合原理，通過可分離的變壓器結構，在初級和次級線圈之間建立交變磁場，從而在次級線圈中感應出電流。由于磁場可以穿透非金屬材料，因此該系統可以在無電氣接觸的情況下，在一定距離內實現電能的傳輸。

（2）磁場共振式無線充電技術是基于磁場共振原理實現能量傳輸的一種方法，其原理是在發射端形成一個變化的磁場，然后通過與接收端的線圈產生共振，將磁場能量轉換為電流能量。該技術適用于低功率無線充電應用，其關鍵是使接收天線與發射場的電磁頻率達到一致。

（3）無線電波式無線充電該方法使用微波作為自由空間中傳輸能量的載體，并且具備定向性和穿透電離層的優勢。它由微波發射裝置和微波接收裝置組成，可以捕獲從墻壁反彈回來的無線電波能量，并在負載發生變化時保持穩定的直流電壓水平。

（4）電場耦合式無線充電技術利用兩組不對稱偶極子沿垂直方向產生感應電場并相互耦合，從而實現電力傳輸的方式稱為電場耦合式。

3 電動汽車無線充電方式種類

3.1 慢充充電

交流充能技術其原理是利用交流充能接口，將交流電網中的交流電直接傳輸到儲能裝置中，并通過內置的逆變器將其轉換為直流電，并進行充放循環。該技術需要較長時間才能實現較高比例的補能，一般在6到8個小時內可以達到100%。

3.2 快充充電

高功率直流充能技術其特點是利用直流充能接口，將交流電網中的交流電經過逆變器轉換為直流電，并通過快速充能接口向儲能裝置進行高效率的充放循環。該技術可以在短時間內實現較高比例的補能，一般在30分鐘內可以達到80%。

3.3 換能模式

新能源汽車換能模式其特點是在專用的換能站內對新能源汽車實施快速的動力系統更換，而非傳統的充能方式。該模式通過集中型充能站對大批量的動力系統進行存儲、充放循環和配送，并在換能站內實現動力系統與新能源汽車之間的快速匹配和替換，實現了充放循環、物流調度和換能服務的一體化運營。

3.4 無線充電

無線充能技術其原理是利用高頻交流磁場產生的感應效應，將埋設在地下的導軌中的電能無線傳輸到在地面上行駛并裝有接收器的車輛中，并為其儲能裝置進行充放循環。該技術可以降低電動汽車對于動力系統容量的依賴，提高其續航性能，并且增強了補能服務的安全性和便捷性。

3.5 分析比較

目前國內最主流的充電效率是慢充7Kw，快充15Kw-360Kw。慢充沒有考慮電力傳輸損耗，而無線電充電比有線充電更“浪費”。快充充電，從功率高低的方面來說，有線快充在高頻率頻段更占優勢。

換電模式以蔚來為代表，直接更換電池組，只需3-5分鐘就能完成補電；而無線充電時間與充電功率有關，即使是滿功率充電，例如70Kwh功率電池，充滿22Kw的電量需要3個小時。但是汽車有靜態無線充電和動態無線充電，在動態無線充電的低頻段功率無線快充下，會出現即使在充電，電量仍在下降的現象。電力輸入不及電量輸出。

相比于充電模式，換電模式有以下幾個優勢：

換能速度快：一般情況下，單次換能只需1-5分鐘就可以完成，而充能則需要半小時甚至一個小時以上這樣可以有效緩解用戶的里程焦慮，并提高司機的收益。

購車成本低：采用“車輛與動力系統分離”的模式，用戶只需購買車輛本身，并按照使用情況租賃或購買動力系統。這樣可以降低用戶前期購車成本，并享受政策補貼。

保障安全性：由于所有的動力系統都由專業的運營商統一管理和監控，在恒溫條件下進行充放循環，并定期檢測維護。這樣可以避免過度放/充、溫度過高等影響安全性和壽命的因素。

提升利用率：由于所有的動力系統都可以在不同的車輛上通用并實現共享，在空閑時間內也可以進行調配和利用。這樣可以提高資源效率并降低運營成本。

4 電動汽車無線充電難以普及的關鍵問題

（1）汽油車通常只需要幾分鐘就可以在加油站加滿一箱燃料，但最快的無線充電技術為一輛耗盡電量的車輛充滿電所需的時間比加滿油的時間要長得多。充電時間長是限制電動汽車廣泛使用的主要因素之一。因此，為了進一步拓展無線充電技術在電動汽車領域的應用前景，有必要不斷加大對快充的研究。同時，應延長車輛的電池壽命，以顯著縮短充電間隔并提高車輛的效率。超級電容器是解決這個問題的有效方法之一，可用于無線充電。

無線充電技術與傳統的有線充電技術相比，無線充電技術增加了兩個線圈，利用耦合效應實現能量傳輸，由于整個充電過程是無接觸完成的，因此難以避免能量損失。此外，隨著線圈的加入，線圈本身的內阻會造成一定的功耗，這增加了無線充電系統模型的復雜性。鑒于此，以下內容應成為未來一段時間內的研究重點。[1]

成本問題：就經濟性而言，電動汽車無線充電難點在于充電設備。汽車的路徑與有軌動車，地鐵，電車不同，是發散性和隨機性的。因此，就充電設備的獲取而言，在固定線路下布置設備更容易；對于具有不可預測軌跡的電動汽車，靜態無線充電和動態無線充電的獲得性又有不同。以靜態充電來說，即車輛靜止狀態下的無線充電，是固定路線，只不過這類固定為靜止不動。和手機類似，配上無線充電插座即可。仍然以寶馬530e為例。其早先發布的wall box充電樁單價需1000美元，而無線充電設備價格則會更加高昂。動態充電，即車輛行駛狀態下的無線充電。動態無線充電以效率最高的磁場共振式方法進行無線充電。此時公路成為充電設備，電動汽車作為用電器，而磁場作為傳輸介質。難點在于公路等基礎設施建設。

5 電動汽車無線充電技術解決方向

5.1 新型的路面無線充電設施

可充電道路是一種新型的充電基礎設施，可以為行駛中的電動汽車提供持續的電力，緩解電動汽車的續航問題，減少用戶對電池的依賴。目前的e-Road是由非接觸式驅動的，即通過無線充電技術為電動汽車供能，適用于不同地點，如停車場、車庫和道路。其中，最成熟的感應充電路面技術是以動態感應充電技術為代表。與其他類型的充電路面相比，基于IPT系統的感應充電路面具有操作安全、使用方便、維護成本低、用戶體驗好等潛在優勢，因為充電裝置埋在路面結構的淺層部分，不占用路面上方的空間，也沒有暴露的物理接口[3]。

5.1 充電器件選擇

充電設備的選擇是電動汽車無線充電系統設計中的一個關鍵環節，也是影響電池充電的重要因素。充電樁的選擇應根據電動車的實際情況，在保證安全的前提下，盡可能降低成本，還要考慮到電動車的可擴展性和可維護性。目前，市場上的充電設備主要有以下幾種：

鋰離子電池。（1）鋰離子電池的特點是體積小、重量輕、壽命長、無記憶效應，不容易過度放電，但由于其能量密度低，在苛刻的環境中使用，對其改進也很困難。

（2）鎳鎘鉛鋅蓄電池。它具有功率密度高、容量大、重量輕、耐腐蝕性好、價格低等優點，但蓄電能力低，放電電壓低，溫度范圍窄，對電池的損害大，需要定期更換。在電動汽車的實際應用中，充電設備的選擇直接關系到電動汽車的動力性、安全性和經濟性。

因此，在給電動車充電時，必須考慮以下方面：（1）充電站的容量和規模。為了保證在不同負載下能夠滿足電動汽車的需求；同時，還應根據電網的負荷情況確定是否需要增加充電站的容量。（2）充電的速度和效率。由于目前的技術水平，國內的電動汽車大多采用恒流圈的充電方式，所以對其功率的控制要求很高。如果提高電池的輸出電壓，將導致能量的浪費和電能的損失；相反，如果不降低恒流線圈的額定電流，它將無法達到預期的峰值，從而造成不必要的能源消耗。

5.3 充電線圈的優化

對線圈的形狀、尺寸以及流過其中的電流等因素進行參數設計和特性研究，可以有助于調節系統的輸出功率和傳輸效率，這與線圈的互感系數有關。目前常規的線圈構造包括立體螺旋線圈、平面圓形線圈和平面方型線圈。由于汽車的垂直安裝空間有限，因此平面線圈更為合適，這需要在選擇電動汽車用互感線圈時加以考慮。在實際應用過程中，電動汽車的可充電電池通常具有較低的輸入電阻和較大的充電電流。

無線充電線圈的補償網絡，是指在無線充電系統中，為了實現更高效的電能傳輸，需要在發射端和接收端分別設計補償網絡，以補償無線傳輸過程中的能量損耗和噪聲干擾。 發射端的補償網絡主要起到匹配和過濾的作用，能夠將信號源的輸出阻抗與無線充電線圈的輸入阻抗匹配，并過濾掉高頻噪聲和干擾信號。接收端的補償網絡則主要起到逆變和放大的作用，能夠將接收到的無線信號轉換為直流電能并放大輸出。補償網絡的設計需要考慮多種因素，如無線充電系統的工作頻率、線圈的參數、傳輸距離等，以實現最佳的電能傳輸效率和系統性能。

6 電動汽車無線充電技術的未來展望

2020到2035年無線充電技術產業發展迅速，在2035年后，智能化汽車產業逐漸成熟，無線充電的市場進一步擴大。電動汽車無線充電技術在未來有很大的發展前景，電動汽車無線充電技術對實現2030年前碳達峰、2060年前碳中和意義重大，緩解環境污染，能源危機。達到了碳中和的目標。“雙碳”奮斗目標的提出，將使我國綠色發展之路邁上一個新臺階，并成為今后幾十年社會經濟發展主基調之一。電動汽車無線充電技術發展應考慮“一對多”同時為多輛車充電，提高傳輸效率功率。無線充電技術在電子產品領域已有廣泛應用，而隨著能源結構轉型，汽車行業也將成為該技術的重要市場之一，為其發展帶來新的契機和挑戰。電網系統的完善、電能技術的進步和人們對無線充電需求的增加，都將推動無線充電技術的前景。當然，這也需要先進科學的技術作為保障。

7 結語

無線充電技術之所以不普及，是因為現階段效率太低，經濟性差，導致普及率低，但是未來的發展潛力非常大。電動汽車無線充電技術有著有線充電無法比擬的便捷性，安全性。現有無線充電技術相對有線充電方面，充電效率有不小的差距，其高昂的基礎建設更讓讓人望而卻步。對其無線充電線圈的研究，補償網絡的優化，電動汽車無線充電系統的發展，電動汽車無線充電普及并不遙遠。積極響應國家政策2030年前碳達峰、2060年前碳中和，緩解環境污染，能源危機此外，基于目前的能源匱乏，用大功率無線充電技術對電動汽車進行產業化還為時過早，但作為未來靈活的充電方式，有必要提前探索。隨著技術的不斷進步，結合我國智能電網的建設，其在電動汽車智能充換電服務網絡中的應用將極大地推動電動汽車無線充電的大規模普及。

項目基金：國家級大學生創新創業訓練項目基金

項目編號：202210066037。

參考文獻：

[1]段佳鋼，李玉琴，馬立聰.電動汽車無線充電技術可行性研究[J].時代汽車，2022（01）：113-114.

[2]熊江勇.電動汽車無線充電技術基礎研究[J].汽車與配件，2022（21）：69-70.

[3]馬濤，裴耀文，陳豐，李岳，劉可欣.感應充電路面技術研究現狀與展望[J].中國公路學報，2022，35（07）：36-54.DOI：10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.003.