洪海杉　洪月瓊　孫旭東　汪名月

摘 要：無線充電技術(shù)又稱無線電能傳輸技術(shù)，指利用電磁場、電磁波等在物理空間中的分布或傳播特點(diǎn)，采取非導(dǎo)線接觸的方式，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。無線充電技術(shù)突破了有線充電對傳導(dǎo)介質(zhì)的依賴，具有安全、可靠、靈活等優(yōu)勢。文章就無線充電的結(jié)構(gòu)、方式及應(yīng)用等方面進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：無線充電 磁共振式 電磁感應(yīng)式 動態(tài)無線充電

1 引言

2023年據(jù)終端零售數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)新能源市場滲透率接近35%。當(dāng)前新能源汽車有三大類充電方式：傳導(dǎo)式即有線充電（快充和慢充）、換電模式和無線充電。無線充電技術(shù)突破了有線充電對傳導(dǎo)介質(zhì)的依賴，具有便利性好、靈活性高、安全及可靠等優(yōu)勢，更適用于智能電動車與智能電網(wǎng)，一旦技術(shù)成熟，突破充電效率低等不足，將有著廣闊的應(yīng)用前景。

2 無線充電結(jié)構(gòu)

2.1 定義

無線充電技術(shù)又稱無線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transfer，WPT），指利用電磁場、電磁波等在物理空間中的分布或傳播特性，采取非導(dǎo)線接觸的方式[1]，實(shí)現(xiàn)電能傳輸。結(jié)異物檢測、線圈定位等輔助系統(tǒng)，確保功率傳輸?shù)陌踩煽俊?/p>

根據(jù)新能源汽車和充電技術(shù)發(fā)展過程及趨勢，WPT技術(shù)發(fā)展路徑為，階段一：實(shí)現(xiàn)完備的無線充電功能，階段二：與智能電動汽車結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能無線充電，階段三：與智能電動汽車和智能電網(wǎng)融合互動，實(shí)現(xiàn)安全可靠的雙向動態(tài)無線充電[3]。

2.2 優(yōu)勢

使用便利，無需下車操作，將車子對準(zhǔn)發(fā)射端裝置處即可開始充電。無線充電沒有裸露在外的電纜，可以降低如電路老化、機(jī)械磨損和漏電等安全隱患，降低損壞率。隨著將來智能化和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無線充電能更好地與電網(wǎng)進(jìn)行互動， 減小對電網(wǎng)的沖擊。

此外動態(tài)無線充電即開即充，在設(shè)計(jì)車輛時可以減少電池體積，從而降低汽車制造成本。由于可減少電池深度放電的次數(shù)，可以延長電池本身的使用壽命。

2.3 挑戰(zhàn)

首先性能方面當(dāng)前WPT充電效率略低于傳導(dǎo)式充電。隨著SiC/CaN等低損耗功率器件的應(yīng)用，結(jié)合精確定位，有望進(jìn)一步提高充電效率。其次存在電磁輻射、活體誤入及小金屬異物進(jìn)入發(fā)熱等風(fēng)險(xiǎn)。對策為可進(jìn)行電磁輻射驗(yàn)證性試驗(yàn)，增加LOD（活體）/FOB（異物）檢測功能，提高WPT的安全性。此外缺少統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)階段全球主要無線電能傳輸技術(shù)有：PMA、Qi、WPC和A4WP，不同的充電標(biāo)準(zhǔn)各方面差異較大，且相互難以兼容。對策：若能將通信頻率段統(tǒng)一，確定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)將能助推汽車無線充電技術(shù)的推廣使用。

線圈的建設(shè)成本：為保證一定的傳輸距離和抗橫向偏移性能，磁耦合器件采用性能更好且更多的材料，成本略高于有線充電。隨著技術(shù)的進(jìn)步及應(yīng)用的普及，有望逐步降低磁耦合器件的成本。

泊車精度要求高：充電功率和效率受車端和地端線圈之間的相對位置所影響。對策：可從線路設(shè)計(jì)和標(biāo)定著手，將系統(tǒng)可容忍的位置誤差做到盡可能大，弱化對停車位置精準(zhǔn)度的要求。未來，隨著自動泊車技術(shù)的發(fā)展和普及，無線充電可跟自動泊車功能相結(jié)合，確保每次泊車以最佳效率充電。

2.4 無線充電方式

無線充電方式有靜態(tài)充電和動態(tài)（移動式）充電兩種形式，均基于相同的工作原理，應(yīng)用于不同的需求場合。原邊裝置一般鋪設(shè)于道路中，包括整流電路、逆變電路、發(fā)射裝置等，副邊裝置一般位于汽車底盤，包括接收裝置、補(bǔ)償電路、整流電路、濾波電路、負(fù)載電池等[4]。

2.4.1 靜態(tài)無線充電（SWPT）

主要由地面設(shè)備和車載設(shè)備兩大部分組成，地面設(shè)備包括發(fā)射線圈和功率控制箱，車載設(shè)備包括接收線圈和控制盒。近年來，靜態(tài)無線充電技術(shù)逐漸趨于成熟，已開始在一些電動汽車中使用。目前國內(nèi)外有十多家汽車靜態(tài)無線充電系統(tǒng)制造商。按照充電設(shè)備位置不同，可分為側(cè)面充和地面充，當(dāng)前較多為地面充。

2.4.2 動態(tài)無線充電（DWPT）

利用鋪設(shè)在地面下的供電導(dǎo)軌以交變磁場的形式將電能傳輸給運(yùn)行在地面上一定區(qū)域車輛上的接收端的電能接收設(shè)備，進(jìn)而給汽車電池供電[5]。對于在道路上鋪設(shè)供電系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施所帶來的巨大成本，日本NSK和東京大學(xué)在2018年進(jìn)行的聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，如果將其安裝在十字路口紅綠燈前30米的路段，可以明顯延長車輛續(xù)航。在公共道路上使用DWPT系統(tǒng)的主要前提是確保兼容性由于動態(tài)充電可緩解里程焦慮，降低汽車成本和重量，成為新的熱門研究領(lǐng)域。動態(tài)充電技術(shù)當(dāng)前存在的挑戰(zhàn)是有較高的成本投入，需把無線通信技術(shù)與實(shí)時控制技術(shù)等進(jìn)行有效連結(jié)與整合。工程技術(shù)上較靜態(tài)更具挑戰(zhàn)性，對于硬件控制的要求要高很多。

2.5 無線充電工作距離

無線充電的安裝方式有地埋安裝、地上安裝及其他安裝方式。安裝時的工作氣隙由車型決定。

3 無線充電方式

最早由尼古拉·特斯拉于100多年前提出，得益于技術(shù)的發(fā)展，WPT技術(shù)重新進(jìn)入人們視野。目前應(yīng)用較普遍的為磁共振式和電磁感應(yīng)式兩種。

4 應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 汽車無線充電應(yīng)用

無線充電的研發(fā)始于2010年代，由于在效率和安全性等方面面臨挑戰(zhàn)，沒有得到普及。近年來隨著技術(shù)的進(jìn)步及無線充電帶來的便利性，寶馬、豐田、日產(chǎn)、龐巴迪、美國橡樹嶺、WiTricity等公司均已開展無線充電技術(shù)深入研究并推出了相應(yīng)產(chǎn)品。我國在世界上率先完成標(biāo)準(zhǔn)編制，實(shí)現(xiàn)了無線充電系統(tǒng)的基本規(guī)格要求。

4.1.1 WiTricity

WiTricity公司為MIT麻省理工學(xué)院于2007年孵化的一家科技公司，在WPT領(lǐng)域擁有超過1100多項(xiàng)全球?qū)＠?，支持世界各地的供?yīng)商和汽車制造商，為新能源汽車打造WPT產(chǎn)品。WiTricity無線充電產(chǎn)品配套特斯拉Model3（Beta版），福特Mustang Mach-E、大眾ID.4等。WiTricity推出的無線充電系統(tǒng)DRIVE 11，為磁共振式，功率為11kW，充電效率最高為93%。

WiTricity在中國配套宇通10座小型BEV客車，這是WiTricity首次向商用客車提供無線充電技術(shù)。此款小型BEV客車自動駕駛系統(tǒng)為小宇2.0，為L4級別。充電一次可行駛150km。

4.1.2 馬勒

2023年日本移動出行展，馬勒展示了與西門子合作開發(fā)的WPT，馬勒透露智能充電是提高純電車輛可接受度的重要因素之一。展示的WPT系統(tǒng)最大輸出功率為11kW，充電效率可達(dá)92%，將于不久后投入量產(chǎn)。其中發(fā)射線圈制造商為西門子，接收線圈為馬勒制造。

4.1.3 普利司通

普利司通也在此次日本移動出行展上展示了輪轂電機(jī)無線充電輪胎。為動態(tài)無線充電方案，行駛時供電所需的受電天線布置于輪胎內(nèi)，同時在車輪內(nèi)外安裝了繼電器線圈以避免電磁屏蔽。每個輪胎充電功率為10kW，繼電器線圈效率約為90%，使用場景為固定線路的公共汽車、卡車及AVG等。

目前量產(chǎn)的WPT車型最大功率為11kW，采用磁共振技術(shù)方案可達(dá)到90%～93% 的充電效率，較有競爭力，最有希望廣泛應(yīng)用于電動汽車。

4.2 其他應(yīng)用場景

無線充電的使用范圍不局限于乘用車，隨著城市電車、電動公交、客車、工礦用車、物流電動小車、電動無人機(jī)、電動水下潛航器等移動電動設(shè)備對無線充電的實(shí)際需求，將極大的擴(kuò)充了無線充電的使用場景。各大機(jī)構(gòu)及供應(yīng)商對于無線充電的研究與無線充電設(shè)備的開發(fā)的關(guān)注度逐步提高。

5 總結(jié)

無線充電技術(shù)在新能源汽車上的應(yīng)用帶來無可比擬的優(yōu)勢，真正實(shí)現(xiàn)了動力能源獲取的無線化、無感化和智能化。這幾個特點(diǎn)更加符合未來發(fā)展趨勢，有望成為今后的研究熱點(diǎn)。

隨著新能源汽車市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大和無線充電技術(shù)能力的持續(xù)進(jìn)步，當(dāng)無線充電能達(dá)到高效能和經(jīng)濟(jì)性時，未來無需人工充電、無須接觸插槍充電，停車即在充電，續(xù)航焦慮將不復(fù)存在。

將無線充電技術(shù)、無人駕駛技術(shù)、人工智能技術(shù)、5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)整合，將打造未來智慧交通運(yùn)行模式，可以使人類社會完全進(jìn)入后現(xiàn)代智能交通時代，真正實(shí)現(xiàn)智慧交通、無感出行。無線充電技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，將是未來智慧化交通系統(tǒng)不可或缺的一環(huán)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張獻(xiàn)，王朝輝，魏斌，等. 電動汽車無線充電系統(tǒng)中電屏蔽對空間磁場的影響分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，34（8）：1580～1588.

[2]https：//witricity.com/automotive/automotive-solutions.

[3]中國汽車工程學(xué)會.節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2021：383/396.

[4]劉佳欣.電動汽車行駛無線充電系統(tǒng)磁耦合機(jī)構(gòu)的研究[D].長春：長春工業(yè)大學(xué)，2021.

[5]張振麗.電動汽車動態(tài)無線充電技術(shù)[J].中國科技信息，2022（10）：78-80.

[6]https：//xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/00001/08497/.

[7]https：//www.immotors.com/website/l7_detail.

[8]牛祿青. 無線充電拯救電動汽車？[J]. 新經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016（07）：22-26.

[9]Fourin世界汽車技術(shù)調(diào)查月報(bào)[R]. 2023（99）： 43.

[10]沈錦飛.磁共振無線充電應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020：6.