魏明宇　黃大可　范湘　肖倩影　趙玉瑋

摘 要：現(xiàn)在石油和化石能源的短缺和污染問題越來越嚴(yán)重，由于其能耗低，無污染的特點(diǎn)，電動(dòng)汽車發(fā)展迅速，電動(dòng)汽車是一種由車載電池供電的新型環(huán)保汽車，是解決不可再生化石能源消耗大、環(huán)境污染和降低運(yùn)營(yíng)成本的重要解決方案。電動(dòng)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(shù)存在著操作復(fù)雜、插拔不安全、環(huán)境適應(yīng)性差等缺陷，對(duì)于電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展造成了障礙；而無線充能技術(shù)具有操作便捷、無接觸耗散、無高壓危險(xiǎn)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前市場(chǎng)的主流趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 無線充電 普及度 發(fā)展趨勢(shì)

1 引言

純電動(dòng)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(tài)即停即充、動(dòng)態(tài)即開即充、損壞率低機(jī)械連接少等優(yōu)勢(shì)，甚至能夠解決當(dāng)前電動(dòng)汽車的續(xù)航焦慮。為什么多年來，無線充電技術(shù)，仍然還未大量普及？手機(jī)無線充電裝置的基本原理是電磁感應(yīng)原理，電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)所運(yùn)用的也是電磁感應(yīng)原理。電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)普及度難點(diǎn)在哪？

2 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的基本原理

無線充電是一種無線能量傳輸?shù)募夹g(shù)，通常使用電磁感應(yīng)原理。電磁感應(yīng)是指因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)里做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流。電磁感應(yīng)一般進(jìn)行低功率無線充電，使用諧振進(jìn)行高功率無線充電。供電設(shè)備（充電器）將能量傳輸給設(shè)備，設(shè)備利用接收到的能量為電池充電，并同時(shí)操作自身。[2]

無線充電技術(shù)利用無線電能傳輸技術(shù)，讓電子產(chǎn)品和汽車等設(shè)備無需連接電源線就能充電。目前，無線充電技術(shù)主要有四種方式：電磁感應(yīng)式、磁共振式、無線電波式和電場(chǎng)耦合式。隨著科技的進(jìn)步和市場(chǎng)的需求，無線充電技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，但也面臨著一些技術(shù)難題。無線充電的實(shí)現(xiàn)方式分為

（1）電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)基于磁場(chǎng)耦合原理，通過可分離的變壓器結(jié)構(gòu)，在初級(jí)和次級(jí)線圈之間建立交變磁場(chǎng)，從而在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電流。由于磁場(chǎng)可以穿透非金屬材料，因此該系統(tǒng)可以在無電氣接觸的情況下，在一定距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。

（2）磁場(chǎng)共振式無線充電技術(shù)是基于磁場(chǎng)共振原理實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)囊环N方法，其原理是在發(fā)射端形成一個(gè)變化的磁場(chǎng)，然后通過與接收端的線圈產(chǎn)生共振，將磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電流能量。該技術(shù)適用于低功率無線充電應(yīng)用，其關(guān)鍵是使接收天線與發(fā)射場(chǎng)的電磁頻率達(dá)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(yōu)勢(shì)。它由微波發(fā)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(fù)載發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓水平。

（4）電場(chǎng)耦合式無線充電技術(shù)利用兩組不對(duì)稱偶極子沿垂直方向產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)并相互耦合，從而實(shí)現(xiàn)電力傳輸?shù)姆绞椒Q為電場(chǎng)耦合式。

3 電動(dòng)汽車無線充電方式種類

3.1 慢充充電

交流充能技術(shù)其原理是利用交流充能接口，將交流電網(wǎng)中的交流電直接傳輸?shù)絻?chǔ)能裝置中，并通過內(nèi)置的逆變器將其轉(zhuǎn)換為直流電，并進(jìn)行充放循環(huán)。該技術(shù)需要較長(zhǎng)時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)較高比例的補(bǔ)能，一般在6到8個(gè)小時(shí)內(nèi)可以達(dá)到100%。

3.2 快充充電

高功率直流充能技術(shù)其特點(diǎn)是利用直流充能接口，將交流電網(wǎng)中的交流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為直流電，并通過快速充能接口向儲(chǔ)能裝置進(jìn)行高效率的充放循環(huán)。該技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高比例的補(bǔ)能，一般在30分鐘內(nèi)可以達(dá)到80%。

3.3 換能模式

新能源汽車換能模式其特點(diǎn)是在專用的換能站內(nèi)對(duì)新能源汽車實(shí)施快速的動(dòng)力系統(tǒng)更換，而非傳統(tǒng)的充能方式。該模式通過集中型充能站對(duì)大批量的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)、充放循環(huán)和配送，并在換能站內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)與新能源汽車之間的快速匹配和替換，實(shí)現(xiàn)了充放循環(huán)、物流調(diào)度和換能服務(wù)的一體化運(yùn)營(yíng)。

3.4 無線充電

無線充能技術(shù)其原理是利用高頻交流磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)效應(yīng)，將埋設(shè)在地下的導(dǎo)軌中的電能無線傳輸?shù)皆诘孛嫔闲旭偛⒀b有接收器的車輛中，并為其儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充放循環(huán)。該技術(shù)可以降低電動(dòng)汽車對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)容量的依賴，提高其續(xù)航性能，并且增強(qiáng)了補(bǔ)能服務(wù)的安全性和便捷性。

3.5 分析比較

目前國(guó)內(nèi)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(fèi)”?？斐涑潆?，從功率高低的方面來說，有線快充在高頻率頻段更占優(yōu)勢(shì)。

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(bǔ)電；而無線充電時(shí)間與充電功率有關(guān)，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(gè)小時(shí)。但是汽車有靜態(tài)無線充電和動(dòng)態(tài)無線充電，在動(dòng)態(tài)無線充電的低頻段功率無線快充下，會(huì)出現(xiàn)即使在充電，電量仍在下降的現(xiàn)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(gè)優(yōu)勢(shì)：

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(shí)甚至一個(gè)小時(shí)以上這樣可以有效緩解用戶的里程焦慮，并提高司機(jī)的收益。

購車成本低：采用“車輛與動(dòng)力系統(tǒng)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(dòng)力系統(tǒng)。這樣可以降低用戶前期購車成本，并享受政策補(bǔ)貼。

保障安全性：由于所有的動(dòng)力系統(tǒng)都由專業(yè)的運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一管理和監(jiān)控，在恒溫條件下進(jìn)行充放循環(huán)，并定期檢測(cè)維護(hù)。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(dòng)力系統(tǒng)都可以在不同的車輛上通用并實(shí)現(xiàn)共享，在空閑時(shí)間內(nèi)也可以進(jìn)行調(diào)配和利用。這樣可以提高資源效率并降低運(yùn)營(yíng)成本。

4 電動(dòng)汽車無線充電難以普及的關(guān)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(shù)為一輛耗盡電量的車輛充滿電所需的時(shí)間比加滿油的時(shí)間要長(zhǎng)得多。充電時(shí)間長(zhǎng)是限制電動(dòng)汽車廣泛使用的主要因素之一。因此，為了進(jìn)一步拓展無線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景，有必要不斷加大對(duì)快充的研究。同時(shí)，應(yīng)延長(zhǎng)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(jí)電容器是解決這個(gè)問題的有效方法之一，可用于無線充電。

無線充電技術(shù)與傳統(tǒng)的有線充電技術(shù)相比，無線充電技術(shù)增加了兩個(gè)線圈，利用耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量傳輸，由于整個(gè)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(nèi)阻會(huì)造成一定的功耗，這增加了無線充電系統(tǒng)模型的復(fù)雜性。鑒于此，以下內(nèi)容應(yīng)成為未來一段時(shí)間內(nèi)的研究重點(diǎn)。[1]

成本問題：就經(jīng)濟(jì)性而言，電動(dòng)汽車無線充電難點(diǎn)在于充電設(shè)備。汽車的路徑與有軌動(dòng)車，地鐵，電車不同，是發(fā)散性和隨機(jī)性的。因此，就充電設(shè)備的獲取而言，在固定線路下布置設(shè)備更容易；對(duì)于具有不可預(yù)測(cè)軌跡的電動(dòng)汽車，靜態(tài)無線充電和動(dòng)態(tài)無線充電的獲得性又有不同。以靜態(tài)充電來說，即車輛靜止?fàn)顟B(tài)下的無線充電，是固定路線，只不過這類固定為靜止不動(dòng)。和手機(jī)類似，配上無線充電插座即可。仍然以寶馬530e為例。其早先發(fā)布的wall box充電樁單價(jià)需1000美元，而無線充電設(shè)備價(jià)格則會(huì)更加高昂。動(dòng)態(tài)充電，即車輛行駛狀態(tài)下的無線充電。動(dòng)態(tài)無線充電以效率最高的磁場(chǎng)共振式方法進(jìn)行無線充電。此時(shí)公路成為充電設(shè)備，電動(dòng)汽車作為用電器，而磁場(chǎng)作為傳輸介質(zhì)。難點(diǎn)在于公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

5 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)解決方向

5.1 新型的路面無線充電設(shè)施

可充電道路是一種新型的充電基礎(chǔ)設(shè)施，可以為行駛中的電動(dòng)汽車提供持續(xù)的電力，緩解電動(dòng)汽車的續(xù)航問題，減少用戶對(duì)電池的依賴。目前的e-Road是由非接觸式驅(qū)動(dòng)的，即通過無線充電技術(shù)為電動(dòng)汽車供能，適用于不同地點(diǎn)，如停車場(chǎng)、車庫和道路。其中，最成熟的感應(yīng)充電路面技術(shù)是以動(dòng)態(tài)感應(yīng)充電技術(shù)為代表。與其他類型的充電路面相比，基于IPT系統(tǒng)的感應(yīng)充電路面具有操作安全、使用方便、維護(hù)成本低、用戶體驗(yàn)好等潛在優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槌潆娧b置埋在路面結(jié)構(gòu)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(shè)備的選擇是電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是影響電池充電的重要因素。充電樁的選擇應(yīng)根據(jù)電動(dòng)車的實(shí)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(dòng)車的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。目前，市場(chǎng)上的充電設(shè)備主要有以下幾種：

鋰離子電池。（1）鋰離子電池的特點(diǎn)是體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)，不容易過度放電，但由于其能量密度低，在苛刻的環(huán)境中使用，對(duì)其改進(jìn)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(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，但蓄電能力低，放電電壓低，溫度范圍窄，對(duì)電池的損害大，需要定期更換。在電動(dòng)汽車的實(shí)際應(yīng)用中，充電設(shè)備的選擇直接關(guān)系到電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

因此，在給電動(dòng)車充電時(shí)，必須考慮以下方面：（1）充電站的容量和規(guī)模。為了保證在不同負(fù)載下能夠滿足電動(dòng)汽車的需求；同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)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(shù)水平，國(guó)內(nèi)的電動(dòng)汽車大多采用恒流圈的充電方式，所以對(duì)其功率的控制要求很高。如果提高電池的輸出電壓，將導(dǎo)致能量的浪費(fèi)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(dá)到預(yù)期的峰值，從而造成不必要的能源消耗。

5.3 充電線圈的優(yōu)化

對(duì)線圈的形狀、尺寸以及流過其中的電流等因素進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和特性研究，可以有助于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率，這與線圈的互感系數(shù)有關(guān)。目前常規(guī)的線圈構(gòu)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(dòng)汽車用互感線圈時(shí)加以考慮。在實(shí)際應(yīng)用過程中，電動(dòng)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，是指在無線充電系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)更高效的電能傳輸，需要在發(fā)射端和接收端分別設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以補(bǔ)償無線傳輸過程中的能量損耗和噪聲干擾。 發(fā)射端的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)主要起到匹配和過濾的作用，能夠?qū)⑿盘?hào)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(hào)。接收端的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)則主要起到逆變和放大的作用，能夠?qū)⒔邮盏降臒o線信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電能并放大輸出。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需要考慮多種因素，如無線充電系統(tǒng)的工作頻率、線圈的參數(shù)、傳輸距離等，以實(shí)現(xiàn)最佳的電能傳輸效率和系統(tǒng)性能。

6 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的未來展望

2020到2035年無線充電技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在2035年后，智能化汽車產(chǎn)業(yè)逐漸成熟，無線充電的市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)大。電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)在未來有很大的發(fā)展前景，電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和意義重大，緩解環(huán)境污染，能源危機(jī)。達(dá)到了碳中和的目標(biāo)?！半p碳”奮斗目標(biāo)的提出，將使我國(guó)綠色發(fā)展之路邁上一個(gè)新臺(tái)階，并成為今后幾十年社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展主基調(diào)之一。電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)發(fā)展應(yīng)考慮“一對(duì)多”同時(shí)為多輛車充電，提高傳輸效率功率。無線充電技術(shù)在電子產(chǎn)品領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，而隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，汽車行業(yè)也將成為該技術(shù)的重要市場(chǎng)之一，為其發(fā)展帶來新的契機(jī)和挑戰(zhàn)。電網(wǎng)系統(tǒng)的完善、電能技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)無線充電需求的增加，都將推動(dòng)無線充電技術(shù)的前景。當(dāng)然，這也需要先進(jìn)科學(xué)的技術(shù)作為保障。

7 結(jié)語

無線充電技術(shù)之所以不普及，是因?yàn)楝F(xiàn)階段效率太低，經(jīng)濟(jì)性差，導(dǎo)致普及率低，但是未來的發(fā)展?jié)摿Ψ浅４?。電?dòng)汽車無線充電技術(shù)有著有線充電無法比擬的便捷性，安全性?，F(xiàn)有無線充電技術(shù)相對(duì)有線充電方面，充電效率有不小的差距，其高昂的基礎(chǔ)建設(shè)更讓讓人望而卻步。對(duì)其無線充電線圈的研究，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的發(fā)展，電動(dòng)汽車無線充電普及并不遙遠(yuǎn)。積極響應(yīng)國(guó)家政策2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和，緩解環(huán)境污染，能源危機(jī)此外，基于目前的能源匱乏，用大功率無線充電技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化還為時(shí)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(shù)的不斷進(jìn)步，結(jié)合我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)，其在電動(dòng)汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將極大地推動(dòng)電動(dòng)汽車無線充電的大規(guī)模普及。

項(xiàng)目基金：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目基金

項(xiàng)目編號(hào)：202210066037。

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