電動汽車無線充電技術系統性研究

摘 要：本文致力于探討電動汽車無線充電的基本原理、當前電動汽車無線充電技術應用面臨的挑戰并提出可能的解決措施，同時分析未來無線充電技術在電動汽車行業等方面的未來挑戰與發展趨勢。無線充電技術主要包括電磁感應式、磁耦合式和微波式三種類型。本文詳細介紹了這三種技術的原理，并闡述了電磁感應式技術作為電動汽車無線充電的主要應用。接著，本文探討了電動汽車無線充電技術在充電效率和距離方面存在的問題及相關解決方案。最后，針對電動汽車無線充電技術的未來挑戰與發展趨勢進行了深入分析，展望了其未來的發展方向，以推動電動汽車無線充電技術的可持續發展。

關鍵詞：無線充電技術 電動汽車 解決措施

1 緒論

隨著科技的進步和人類生活水平的提升，隨之而來的是能源的大量消耗，隨著環境的惡化和能源的巨大消耗，這也已經成為當下全球共同關注的焦點，全球科學家也已然達成一致將減少汽車尾氣排放定為他們的共同目標，加快對電動汽車的研制。電動汽車以其環保、低噪音等優點已成為全球汽車市場的重要組成部分，隨著電動汽車市場的擴大，傳統的電動汽車充電方式具有充電速度慢、續航行程短、充電高峰一座難求等情況[1]。隨著科學技術的不斷進步與創新，無線充電技術也在快速發展，在智能手機、手表、家具等電子產品中有了廣泛的應用，同時在電動汽車充電中也得到了快速的發展。

本文旨在探討電動汽車無線充電技術的基本原理，分析當前該技術在應用存在的一些問題并提出可能的解決措施。最后，本文還將展望無線充電技術在電動汽車行業的未來挑戰與發展趨勢。

2 無線充電技術基本原理

無線充電技術與傳統充電方式不同，是一種不需要借助線路與電樁，通過電磁技術對設備進行隔空充電的新型充電方式。無線充電技術是以無線電能傳輸為基礎，將電能轉化為光能、電磁能等能源，從而實現電能傳輸。目前無線充電技術已經廣泛應用于電動汽車、智能家電、航空航天、醫療設備等多個領域[2]。從原理上，目前無線充電技術主要分為電磁感應式、電磁共振式和無線電波三類。

2.1 電磁感應式無線充電技術基本原理

電磁感應式無線充電理論所用到的設備系統包括初級線圈和次級線圈，通過兩個線圈之間的電磁耦合來實現電源與負載之間的無線電能連接以及能量的輸送過程。其中發射端和接收端是無線電能傳輸過程中的主要部分。該技術的基本理論實質上就是法拉第電磁感應定律：發射線圈與高頻交變電流源相連，通過利用高頻交變信號與初級線圈相互作用產生一個變化的磁場。接收端的線圈置于發射線圈的產生的變化磁場中會將電磁信號轉變為電信號，即在接收端形成感應電動勢和感應電流，完成了磁與電之間的轉換[3]。電磁感應式無線充電技術的特點是結構簡單、成本較低，但是由于在磁信號與電信號的效果會隨距離的增加而減弱，同時由于能量在輸送過程中是發散的，所以該技術僅適用于傳輸距離較短的過程。同時由于工作時需要借助初級線圈和次級線圈來傳輸能量，所以對線圈位置的擺放要求也相對較高。（圖1）

2.2 電磁共振式無線充電技術基本原理

電磁共振式技術（圖2）是利用磁場的諧振效應進行能量傳輸的。該技術與電磁感應技術類似同樣需要兩個線圈，并通過兩個線圈之間的相互影響將磁場的能量轉化為電能。同時，兩個線圈在正常工作過程中有一個特殊的要求，就是兩個線圈的諧振頻率，它們的參數需要完全相同。發射端通過振蕩器產生一個高頻的振蕩電流與發射線圈相互作用產生一個變化的磁場，于是接收線圈與發射線圈相互作用產生強耦合，將磁場能量轉化為電能，從而產生感應電動勢與感應電流供電動汽車使用。這種方式相較于電磁感應式它對線圈的位置擺放要求較低，同時它具有低輻射的特點，所以它適用于中距離的傳輸，使用位置也比較靈活。

2.3 微波式無線充電技術基本原理

微波式無線充電技術主要由三個模塊組成分別是微波源、微波發射模塊和微波接收模塊。微波式的電能傳輸的工作原理具體結構如圖3所示。

微波式無線充電技術的原理主要是基于微波的遠場傳輸的原理實現電信號與微波信號之間的轉換。微波式無線充電技術的優點是傳輸距離較遠可達到幾米甚至上千米，同時微波式充電技術能夠對充電裝置附近的產品均進行充電，它的使用位置相對于電磁感應式更加靈活便捷。微波式無線充電技術在傳輸電能時需要進行能量形式的轉換，且由于微波傳輸具有全方位性和較長的傳輸距離，因此會導致較高的能量損耗。同時，這項技術的成本也較高，傳輸過程中產生的輻射可能對人體健康造成一定影響。

3 電動汽車無線充電技術應用存在的問題及解決措施

3.1 效率問題與解決方案

3.1.1 效率問題產生的原因

目前電動汽車作為一種新型出行方式能夠在一定程度上解決能源短缺和汽車排放的問題，但是它在充電設備上存在明顯的不足。充電時間長、充電效率低等問題都是制約電動汽車發展的原因。相對于有線充電，由于無線充電技術是通過電磁場和電磁波來進行能量的傳輸的，所以在傳輸過程中存在一定的能量損耗，這會導致能量傳輸效率降低。針對無線充電技術能量在傳輸過程中能量的損耗主要有以下幾個方面。首先是空氣介質對能量的損耗。在無線充電過程中，磁場能量與電能的轉化需借助空氣介質，而空氣對電磁波具有一定的阻尼和衰減，這會導致在傳輸過程能量傳輸效率降低。其次是電磁波的輻射損耗。電磁波在傳輸過程中也會受到一定的影響導致能量損耗，使能量傳輸效率降低[4]。

針對以采用電磁感應為基本原理的電動汽車，通常導致充電效率低下的原因是不同品牌的車無線充電接受線圈分布位置存在差異性，因此通常情況下，一種型號的電動汽車，需要使用匹配對應車型的無線充電設備。否則就可能會出現充電效率低下甚至不能充電。有數據顯示寶馬e iPerformance電動汽車在無線充電過程中，如果采用匹配的充電設備，則其最高充電效率能達到85%左右，大概3.5個小時可以充滿，但當接收線圈與發射線圈之間存在一定的偏移時，此時的充電效率將會降低至60%左右，并且充電時間也會多出一倍。針對這種情況造成充電效率下降的主要原因是接收線圈與發射線圈的相對位移量的增加[4]。其次，對于絕大多數電動汽車來說，充電速度慢是導致充電效率低的一個重要原因，這也可能對電動汽車的續航能力產生一定影響。

3.1.2 解決效率問題的方案

根據效率問題產生的相關原因，其本質原因就是在充電過程中產生的，以下有幾種可以改善效率問題的解決措施。首先針對空氣介質對能量傳輸時的損耗。在無線充電過程中，磁場能量與電能的轉化需借助空氣介質，而空氣對電磁波具有一定的阻尼和衰減，針對這種情況可以通過調節電動汽車無線充電裝置的能量傳輸頻率與功率，以此來削弱空氣介質在能量傳輸過程中對氣的損耗。其次，也可以采用高效的電磁波傳輸技術，以減少輻射損耗。針對充電效率低的問題，也可以嘗試采用無線充電公路，即將動態充電技術的線圈埋在地下，實現電動汽車邊行駛邊充電的設想，這不僅方便快捷，節約充電樁的建設成本和占地面積，同時也可以提升電動汽車的續航能力，擺脫傳統電動汽車續航能力差的標簽。

針對以電磁感應為基本原理的電動汽車，它在充電過程中起主要作用的無線充電線圈分布位置的差異性，針對圈分布位置的差異性，可以通過設計一個無線充電線圈自動定位調節裝置解決。由于電動汽車在制造過程中不同的車型所具有的接收線圈的位置不同，且一般情況下是固定不變的，所以可以針對充電裝置進行改進，在充電地下安裝可以自動識別汽車接受線圈位置的發射線圈，當電動汽車駛入規定充電區域后，發射線圈通過信號傳輸自主識別接收線圈的位置并通過算法自主移動到電動汽車接收線圈的下方，此時兩個線圈的相對偏移量較小，可以實現最大的充電效率。最后，也可以針對快速充電技術進行，在未來對電動汽車設計出一款能夠極速充電技術并運用到電動汽車的充電過程中，這也可以大幅提升電動汽車無線充電的效率。

其次，可以針對快速充電技術進行深入研發。在日常生活中，智能手機的充電速率不斷提升，同時安全性和散熱性也得到了顯著改善。類似地，可以設計出適用于電動汽車的極速充電技術，并將其應用于電動汽車的充電過程中。

3.2 距離問題與解決方案

3.2.1 距離問題產生的原因

針對電動汽車無線充電過程中距離的問題，其中電源頻率與傳輸距離均能影響無線電能傳輸系統工作成效。一方面無線充電技術是借助電磁波進行能量傳遞，但是空氣介質對電磁波的傳播存在一定的阻尼和衰減作用，因此當地面充電裝置與電動汽車的充電設備距離較大時，此時會存在較大的能量損失。但是在不同的原理下傳輸距離并不是越小越好，根據當前研究，針對磁諧振偶合式無線電能傳輸的過程，隨著距離的減小，效率不僅沒有增大反而會逐漸遞減，針對這種情況需要從無線充電電源頻率的角度來考慮，大量實驗證明，頻率，距離以及功率需要相互平衡，解決距離的問題[5]。

3.2.2 距離問題產生的解決方案

針對無線充電過程中距離的問題，通過大量實踐證明，在不同的充電原理下，應當采取不同的措施，同時在進行改進的過程中應該考慮電源的頻率、距離以及功率三者之間的關系，可以根據電動汽車無線充電的具體原理采用合適的方法。總的來說可以采用以下幾種措施。首先由于空氣介質對電磁波的傳播存在一定的阻尼和衰減作用，所以可以通過優化調整發射線圈與接收線圈間的距離與分布，減小兩者之間的距離以及相對偏移量，盡可能地減少由于空氣介質的影響造成電磁波在傳輸過程中的能量損失，使充電過程效率達到最大。其次是針對磁諧振耦合式無線電能傳輸的過程，此時普遍的傳輸距離較遠，經過大量實驗表明，若在此情況下減小距離不僅不會是充電效率增大反而會導致充電效率降低。大量研究表明高頻率的電磁波在傳輸過程中的衰減較小，針對上述情況可以適當采用高頻率的電磁波來解決距離限制的問題[6]。充電效率其實不僅與距離相關，同時還要協調充電頻率與功率之間的相互關系，使他們達到平衡來解決無線充電過程中距離的問題[5]。

4 電動汽車無線充電的發展趨勢

隨著無線充電技術體系的不斷發展與完善，電動汽車無線充電技術有著十分光明的前景與發展市場，無線充電技術逐漸成為各個電動汽車廠商研究的重要領域，這也逐漸成為電動汽車行業的重要發展方向。未來電動汽車無線充電不僅只在車停止時充電，同時也可以實現電動汽車在行駛過程中的動態充電，為用戶提供便捷同時能夠延長續航行駛距離。未來電動汽車無線充電技術的廣泛應用不僅能夠使充電方式更加便捷，避免了插線的麻煩，節省了占地面積，同時也具有高安全性。在未來隨著現代化科技的發展，電動汽車與科技相結合將會賦能出無限選擇。未來的電動汽車也會朝著便捷化、高安全性、聯網化等趨勢發展[7-8]。

4.1 便捷化

無線充電電動汽車與傳統電動汽車最大的區別就是前者不需要有線電樁即可對汽車進行充電。在未來可能會出現靜態、動態充電兩種無線充電方式。電動車不僅可以在指定區域內進行充電，同時在道路行駛過程中也可以進行充電，這大大節約了充電成本和充電樁的占地面積。在未來電動汽車停入指定區域后，地下探測器會自動捕捉接收線圈的位置自主定位并對汽車進行充電，完全不用擔心線圈找不到位置的問題。同時在道路上鋪設動態線圈，尤其是在紅綠燈和斑馬線附近，當汽車在此處停留等待過程中可以隨即充電，續航能力也進一步提升。

4.2 高安全性

無論是傳統的汽車還是現在的電動汽車，安全性都是汽車在制造過程中的首要任務。針對未來的無線充電電動汽車，它將在原本的安全性能基礎上具有其他方面的安全性優勢。首先相對于傳統的充電方式，無線充電實現了電源與負載之間無直接接觸，這也就意味著在電氣安全方面有更多的保障。同時未來的電動汽車也會越來越智能化，隨著自動駕駛技術的不斷發展，以及人工智能與駕駛人員的深度交互，未來的電動汽車將實現全方位的自動駕駛，通過雷達、攝像頭、GPS等傳感器，能夠幫助駕駛員靈活應對濃霧、暴雨以及黑夜看不清路況的突發狀況，可以為駕駛員提供個性化服務，應對突發情況，實現汽車更安全性、舒適等出行體驗。

4.3 聯網化

未來隨著網絡的高速發展，網絡也會不僅止于5G，聯網化意味著在未來電動汽車與智能聯網技術深度聯合，將會向著“科技＋生態”方向發展。通過電動汽車與網絡互聯，實現與其他車輛、交通設備、車與路況、智能家居等智能設備的相互連接，可以實現信息共享、交通管制、智能導航等功能，同時也實現“人車家”全生態理念，為駕駛者提供非常便利的駕駛體驗。通過聯網化可以向電動汽車提供更多的路況數據，可以提高交通的安全性和效率，降低交通事故發生率，提高用戶體驗推動汽車技術行業創新。

5 總結

新能源汽車的發展已經成為大勢所趨，無線充電技術是其中的重要環節。無線充電汽車具有便利、快捷等優點。雖然全球致力于研發這一技術并取得了一定的成果，但是目前仍處于探索階段。想要實現無線充電技術的成熟與大規模的應用，仍有大量工作要做。本文首先簡述了當下電動汽車發展的背景，并對無線充電技術的三種原理進行簡單介紹。其次，本文針對電動汽車無線充電技術當下可能存在的問題如充電效率、充電距離問題進行了討論，并針對這些問題提出了可能的解決措施。隨著技術的不斷完善和網絡技術的賦能，未來的電動汽車會向著更便捷、更安全、更物聯網化的趨勢發展，并且在未來無線充電電動汽車也將會實現更高的充電效率、更遠的行駛距離。

參考文獻：

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[6]鄭志聰.電動汽車無線充電技術研究[J].汽車測試報告，2023（14）：148-151.

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[8]胡超，李宏海，李振華，張金金，尹升.電動汽車無線充電應用及發展趨勢[J].公路交通科技（應用技術版），2020，16（02）：330-336.