郭淑筠，張波

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510641）

科技的快速發(fā)展給人們生活帶來便捷的同時(shí)也造成了環(huán)境污染，綠色出行作為低碳綠色環(huán)保中的重要一環(huán)，已成為發(fā)展的趨勢。電動(dòng)自行車Ebike（electric bicycle）是目前一種重要的交通方式，它使用電力而不是燃油，更符合綠色環(huán)保的要求。目前我國共有22.3 萬家電動(dòng)自行車相關(guān)企業(yè)，電動(dòng)自行車的持有量接近3億，隨著電動(dòng)自行車需求的增加以及相關(guān)支持政策的完善，電動(dòng)自行車數(shù)量將在未來的時(shí)間里不斷增長。

電動(dòng)自行車的普及不可避免地要面臨充電問題，飛線充電或?qū)㈦妱?dòng)自行車電池帶到室內(nèi)充電均存在巨大的安全隱患[1]。而采用無線充電技術(shù)能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的隔空充電，擺脫了電纜的束縛，并且不需要對充電器進(jìn)行頻繁拔插；其次，無線充電隨停隨充的特點(diǎn)，可以相應(yīng)增加充電頻率減小電池容量；最后，無線輸電技術(shù)具有電氣隔離的優(yōu)勢，充電無火花、安全且不受天氣的影響。這些優(yōu)勢讓電動(dòng)自行車無線充電有廣闊的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)外已有不少高校和企業(yè)正在對這方面進(jìn)行研究，且無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化也在逐漸完善。

本文主要分析了電動(dòng)自行車無線充電技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，從無線充電研究現(xiàn)狀、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行概括，指出了電動(dòng)自行車無線充電技術(shù)推廣所亟待解決的問題，為電動(dòng)自行車無線充電技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 電動(dòng)自行車的有線充電方式

為了避免將電池帶入室內(nèi)充電而引發(fā)事故，規(guī)定用戶在室外電站進(jìn)行充電。目前主流的充電站采用的是充電樁和充電柜，充電樁可以在某個(gè)固定的場所為用戶提供插座，如圖1（a）所示，用戶在使用充電樁的時(shí)候只需帶上自己相應(yīng)的充電器即可在指定地點(diǎn)為電動(dòng)自行車進(jìn)行充電。盡管部分充電樁具有過載保護(hù)、過充保護(hù)、斷電保護(hù)、漏電保護(hù)和盜電防護(hù)等保護(hù)功能，但這種充電方式依舊需要搭建防雨棚來防止由雨水導(dǎo)致的短路。

而充電柜可以將待充電電池放進(jìn)柜門中充電，如圖1（b）所示，可以避免充電時(shí)不受雨水的影響，但密閉的充電環(huán)境限制了電池的散熱，具有一定的安全隱患。一種特殊的充電柜能為用戶直接提供已充滿電的電池，用戶在電池沒電的情況下，可通過app 掃碼租賃電池，并將沒電的電池放置到充電柜內(nèi)充電，是一種換電替代充電的方式。

圖1 傳統(tǒng)有線充電Fig.1 Traditional wired charging

但無論是充電樁還是充電柜，均采用傳統(tǒng)有線充電的方式，除容易產(chǎn)生電火花、插頭磨損外，還易受潮觸電，散熱情況、灰塵等其他環(huán)境問題都會對充電造成一定影響。在環(huán)境復(fù)雜的室外，為了更好更安全地對電動(dòng)自行車進(jìn)行充電，需要新的充電方式來滿足大眾的需求，無線充電技術(shù)在一定程度上彌補(bǔ)了有線充電的不足。

2 電動(dòng)自行車無線充電發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前對無線充電技術(shù)的研究主要集中在兩個(gè)方向，一個(gè)是主要針對手機(jī)的小功率（5～20 W）的電能傳輸[2]，另一個(gè)是針對電動(dòng)汽車的大功率（千瓦甚至上百千瓦）的電能傳輸[3-5]，而功率處于兩者之間的電動(dòng)自行車無線充電技術(shù)則研究較少，其功率大多在100～200 W[6，7]。電動(dòng)自行車無線充電的基本原理如圖2 所示，接入的市電通過功率因數(shù)校正PFC（power factor correction）和高頻逆變等功率變換環(huán)節(jié)后，形成高頻交流電激勵(lì)發(fā)射線圈產(chǎn)生交變的磁場，接收線圈在交變磁場中獲取能量得到交流電壓，再通過整流環(huán)節(jié)后提供給電池負(fù)載。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，發(fā)射側(cè)和接收側(cè)還有通信和控制電路。

圖2 電動(dòng)自行車無線充電系統(tǒng)Fig.2 Wireless charging system for E-bike

表1 列出了國外各高校的研究進(jìn)展。意大利巴勒莫大學(xué)于2013 年設(shè)計(jì)了l00 W的電動(dòng)自行車無線輸電系統(tǒng)[8]，2014 年提出了一種功率跟蹤算法優(yōu)化無線充電系統(tǒng)的效率，在期望的功率下用兩個(gè)控制變量實(shí)現(xiàn)最大的傳輸效率[9]，2015 年分析了線圈對系統(tǒng)傳輸特性的影響[10]，2016 年對線圈磁場測量來評價(jià)該系統(tǒng)的生理兼容性，建議充電時(shí)人應(yīng)盡量與其保持25 cm的距離[11]，2020 年進(jìn)一步將傳輸功率提高，設(shè)計(jì)了一種用于電動(dòng)自行車的300 W IPT無線充電器樣機(jī)，其最大傳輸效率達(dá)到79%[12]。

表1 國外各高校電動(dòng)自行車無線充電研究成果Tab.1 Research progress in wireless charging for E-bike conducted by foreign universities

2014年，新西蘭奧克蘭大學(xué)考慮電動(dòng)行車外形特點(diǎn)為其設(shè)計(jì)磁耦合機(jī)構(gòu)，包括發(fā)射線圈和接收線圈的形狀及安裝位置[13-14]，并在2015 年提出一種用于多負(fù)載系統(tǒng)的雙耦合感應(yīng)WPT 系統(tǒng)，如圖3所示，可以實(shí)現(xiàn)對多臺電動(dòng)自行車充電，能產(chǎn)生400 W的輸出功率，且系統(tǒng)整體效率達(dá)到76%[15]。

圖3 多拾取電動(dòng)自行車無線充電系統(tǒng)Fig.3 Multi-pick wireless charging system for E-bike

意大利那不勒斯大學(xué)在2014 年提出一種電動(dòng)自行車智能移動(dòng)感應(yīng)充電站[16]，在2016 年構(gòu)建了“E”型的磁芯結(jié)構(gòu)，確定了電壓傳遞函數(shù)，分析了氣隙大小對傳輸效率的影響，并利用三維分析迭代的方法設(shè)計(jì)了耦合機(jī)構(gòu)大小為93 cm×60 cm×28 cm的300 W 電動(dòng)自行車無線充電器[17]，2019 年進(jìn)一步采用近似離散傅里葉變換，利用發(fā)射側(cè)線圈的電流和電壓估算出了接收側(cè)線圈的電流和電壓大小，從而對發(fā)射側(cè)進(jìn)行調(diào)整，獲取接收側(cè)期望的電壓和電流[18]。

此外，日本長岡工業(yè)大學(xué)在2014 年將雙電層電容器應(yīng)用于電動(dòng)助力車無線充電系統(tǒng)，比常規(guī)充電系統(tǒng)的充電時(shí)間縮短1/4[19]；2018年，捷克皮爾森西波西米亞大學(xué)設(shè)計(jì)了一款線圈大小為17 cm×11 cm、傳輸功率為500 W、傳輸效率高于90%的磁感應(yīng)耦合器，功率密度達(dá)到了2 kW/dm3[20]；2019年，印度韋洛爾理工大學(xué)提出了一種適用于電動(dòng)自行車的線性化無線充電技術(shù)，當(dāng)線圈在一定工作區(qū)域內(nèi)發(fā)生錯(cuò)位時(shí)，保持充電輸入和輸出為線性關(guān)系，減少由于采樣控制產(chǎn)生的延遲導(dǎo)致的系統(tǒng)響應(yīng)過慢[21-22]；2020年，西班牙奧維耶多大學(xué)提出一種基于LLC 諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線充電器，一次側(cè)線圈12 cm×10 cm，二次側(cè)線圈10 cm×10 cm，在負(fù)載變化的情況下，該系統(tǒng)能夠以90%的效率獲得恒定的輸出電壓[23]；2021年，西班牙的馬拉加大學(xué)工業(yè)工程學(xué)院對接收線圈在自行車上的不同位置的充電效率及發(fā)熱情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)接收線圈位于車座下方時(shí)，周圍的導(dǎo)體干擾物較少、效率較高且發(fā)熱量少[24]。

國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)也開展了電動(dòng)自行車無線充電的研究，主要集中在系統(tǒng)建模與控制、磁耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。2018年，西南交通大學(xué)建立了基于感應(yīng)無線電能傳輸原理的2 A/48 V 和4 A/48 V的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，成功模擬了對多個(gè)相同或不同充電電流的電動(dòng)自行車進(jìn)行充電，充電電流和充電電壓的波動(dòng)幅度均小于2.5%，充電效率最高可達(dá)91.90%[25-26]；香港理工大學(xué)聯(lián)合西南交通大學(xué)共同提出了一種2 A/48 V 三線圈無線充電系統(tǒng)，只需在發(fā)射側(cè)進(jìn)行開關(guān)切換控制，整機(jī)效率達(dá)到了91.014%[27]；浙江大學(xué)設(shè)計(jì)了如圖4 所示的射頻無線充電系統(tǒng)，其傳感器節(jié)點(diǎn)集成在電動(dòng)自行車車筐上，利用算法來減少由無線電造成的充電延時(shí)[28]。

圖4 射頻無線充電系統(tǒng)Fig.4 Radio frequency wireless charging system

2020年，武漢大學(xué)提出了一種基于BUCK 降壓和紅外通信的功率調(diào)節(jié)方法，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的輸出[29]；南方電網(wǎng)公司提出的基于三線圈結(jié)構(gòu)的WPT系統(tǒng)，變頻實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，無需額外的開關(guān)器件，建立了4.6 A/56 V的無線輸電系統(tǒng)，總效率可以達(dá)到92%[30]；臺北工業(yè)大學(xué)提出如圖5所示的共享電動(dòng)自行車雙向無線充電系統(tǒng)，能提供500 W 充/放電功率，其中充電模式下的效率高于95.3%，放電模式下的效率高于92%[31]。

圖5 共享電動(dòng)自行車雙向無線充電系統(tǒng)Fig.5 Bidirectional wireless charging system for E-bike sharing

2021年，青島大學(xué)設(shè)計(jì)了一套電動(dòng)自行車感應(yīng)耦合式單管逆變無線充電系統(tǒng)，其中磁屏蔽材料使用鐵氧體+納米晶+鋁箔3層材料結(jié)構(gòu)以獲得更好的性能，在恒流模式下效率最大值為86.4%，在恒壓模式下效率最大值為85.2%[32]。表2 對國內(nèi)主要高校和企業(yè)的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

表2 國內(nèi)各高校及企業(yè)電動(dòng)自行車無線充電研究成果Tab.2 Research progress in wireless charging for E-bike conducted by domestic universities and enterprises

2.2 標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品

Qi 標(biāo)準(zhǔn)是目前主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn)之一，主要支持傳輸功率約為5 W的基準(zhǔn)功率范疇的電能傳輸，工作頻率通常在87～205 kHz，且支持多線圈傳輸。2011 年Qi 標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到中等功率，2019 年提高到30～65 W，預(yù)計(jì)將提高到200 W，從而適用于電動(dòng)自行車無線充電。

2017年，深圳市標(biāo)準(zhǔn)信息平臺審核的《電動(dòng)自行車無線充電設(shè)備》正式頒布，這是國內(nèi)無線充電行業(yè)針對電動(dòng)自行車首次頒布的企業(yè)應(yīng)用無線充電設(shè)備產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，其對無線充電設(shè)備使用過程中的效率、溫升、異物檢測和電磁兼容性等作出了明確具體的規(guī)定。2020年，中國質(zhì)量檢驗(yàn)協(xié)會組織起草了關(guān)于《電動(dòng)自行車無線充電樁》的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，并于2021 年開始實(shí)施，其中對電動(dòng)自行車無線充電樁的性能、安全和環(huán)境適應(yīng)能力等都做了一定的要求。2021年，中國電工技術(shù)學(xué)會批準(zhǔn)發(fā)布《電動(dòng)自行車傳導(dǎo)式智能快速充電器技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了電動(dòng)自行車傳導(dǎo)式快速充電器通信、安全和充電流程等方面的要求，填補(bǔ)了電動(dòng)自行車行業(yè)無線充電標(biāo)準(zhǔn)的空白。國內(nèi)現(xiàn)有電動(dòng)自行車無線充電標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 國內(nèi)電動(dòng)自行車無線充電標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Domestic standards of wireless charging for E-bike

目前國內(nèi)電動(dòng)自行車無線充電的產(chǎn)品化已取得了一定進(jìn)展，主要集中于如何實(shí)現(xiàn)更加便捷的無線充電。2017年，享騎公司首次推出電動(dòng)自行車無線充電樁，只需將特定車輛?？吭谥付ㄎ恢眉茨苓M(jìn)行無線充電；2018年，武漢楚象能源公司推出能安裝在多種電動(dòng)自行車后靠背的無線充電設(shè)備，接收線圈與發(fā)射線圈距離30～55 mm、中心偏移不超過15 mm 即可實(shí)現(xiàn)無線充電；2018年，法瑞納科技公司提出適用充電電壓24 V/36 V、電流3 A/5 A的無線充電樁，接收線圈安裝在籃筐底部，將電動(dòng)自行車推進(jìn)充電樁，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)上鎖和自動(dòng)感應(yīng)充電；2020年，雅迪展出的電動(dòng)自行車能在指定充電平臺上進(jìn)行無線充電，最大充電功率可達(dá)350 W，充電距離最遠(yuǎn)15 cm，充電效率最高達(dá)89%；2020年，河南玖藍(lán)新能源科技有限公司打造了“戶啦”無線充電裝置，接收器均安裝于車輛前輪，支持48 V/60 V的電動(dòng)自行車，傳輸效率最高可達(dá)93%，傳輸距離達(dá)5～8 cm；2021年，臺鈴?fù)瞥龅闹悄茈妱?dòng)車將充電器磁吸在車頭指定位置即可進(jìn)行無線充電，將充電效率提升了60%；2021年，中天華信聯(lián)合武漢大學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了“信無線”電動(dòng)自行車無線充電器，適配各種類型的電動(dòng)自行車電池；2022年，狐靈靈電動(dòng)自行車智能無線充電帶在南寧中關(guān)村創(chuàng)新示范基地正式亮相，這是國內(nèi)首條電動(dòng)自行車智能無線充電帶，主機(jī)鋪設(shè)在一條“智能無線充電帶”上，任何品牌型號的電動(dòng)自行車，只需在腳踏板底部安裝接收器即可使用無線充電，收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)與有線充電相同，實(shí)現(xiàn)25 cm 隔空充電，比傳統(tǒng)充電綜合效率提高了10%左右，一臺主機(jī)可充16輛，最大輸出功率700 W。一些無線充電電動(dòng)自行車的產(chǎn)品如圖6 所示。

圖6 電動(dòng)自行車無線充電產(chǎn)品Fig.6 E-bike wireless charging products

由于電動(dòng)自行車形狀的特殊性，電動(dòng)自行車無線充電系統(tǒng)接收端可以安裝在電動(dòng)自行車的車頭、車身或輪轂等不同位置，現(xiàn)有電動(dòng)自行車無線充電系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的形式圖7 所示。

圖7 電動(dòng)自行車無線充電結(jié)構(gòu)形式Fig.7 Structures of E-bike wireless charging

3 電動(dòng)自行車無線充電存在的關(guān)鍵問題及發(fā)展趨勢

如何實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的便捷充電一直是研究的熱點(diǎn)，綜合國內(nèi)外電動(dòng)自行車無線充電技術(shù)研究現(xiàn)狀可以看出，該技術(shù)已經(jīng)得到了較為充分的研究，但要完成大規(guī)模的產(chǎn)品化及市場化應(yīng)用，還需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行完善。

（1）完善標(biāo)準(zhǔn)制定。制定電動(dòng)自行車無線充電的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場合及需求，已有部分企業(yè)或是團(tuán)體針對電動(dòng)自行車制定了相關(guān)的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，但還未普及到全國甚至全球?，F(xiàn)有的電動(dòng)自行車無線充電站的發(fā)射裝置及車載接收器的安裝位置不同，且適配的電池類型不同，導(dǎo)致用戶能使用的無線充電設(shè)備有限?？梢詫邮斩舜笮『臀恢眠M(jìn)行限定，并對輸出的電壓進(jìn)行規(guī)定，普遍性的標(biāo)準(zhǔn)制定下來，有利于提高產(chǎn)品之間的兼容，為其發(fā)展提供條件。

（2）提高系統(tǒng)的抗偏移能力?，F(xiàn)有電動(dòng)自行車無線充電產(chǎn)品的傳輸范圍有限，且發(fā)射裝置固定，充電過程中對耦合系數(shù)的變化敏感，這需要用戶多次挪動(dòng)車輛使其靠近對準(zhǔn)進(jìn)行充電。但就有線充電樁的情況來看，大多數(shù)充電樁前面擺放大量的自行車甚至雜物，使得用戶無法按照現(xiàn)有的無線充電樁要求進(jìn)行擺放，在一定情況下影響了電動(dòng)自行車無線充電樁的使用，造成了無線充電樁的閑置?？梢詮木€圈設(shè)計(jì)和穩(wěn)定控制的研究入手，探究如何提高系統(tǒng)的抗偏移能力[33]。

（3）保障用戶安全。高頻的電磁場是進(jìn)行空間能量傳輸?shù)年P(guān)鍵，但同時(shí)帶來了其他問題，除了會對周圍設(shè)備的工作造成影響，還會危害環(huán)境并對人體健康造成影響。對空間電磁場進(jìn)行合理約束，減少電磁泄漏，加強(qiáng)新材料的研究與應(yīng)用，高效、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電磁屏蔽是未來電動(dòng)自行車無線充電的電磁兼容的主要研究內(nèi)容之一。此外，收發(fā)線圈間的異物除了對無線充電的效率造成一定影響，更重要的是容易引起發(fā)熱，易造成燙傷等事故，具有極大的安全隱患，檢測異物進(jìn)而排除異物對充電的影響，同樣能進(jìn)一步推動(dòng)無線充電系統(tǒng)的實(shí)用化發(fā)展。

4 結(jié)語

現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，無線電能傳輸技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于人們的生活，電動(dòng)自行車更是因其便捷性深受歡迎。雖然在電動(dòng)自行車無線充電領(lǐng)域已經(jīng)有大量研究，但其高效、安全充電以及各個(gè)產(chǎn)品之間的兼容問題還需要更多的探討，且相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)依舊不夠完善。電動(dòng)自行車的無線充電技術(shù)還需要解決很多問題，這樣才能盡快完成產(chǎn)品化進(jìn)程。相信在各大高校及企業(yè)的努力下，未來的某一天一定能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車隨停隨充的美好愿景。