电动汽车无线充电技术的研究进展

作者/孔祥记，广东电网有限责任公司珠海供电局

电动汽车无线充电技术的研究进展

作者/孔祥记，广东电网有限责任公司珠海供电局

随着社会的飞速发展，随之而来的环境问题也越来越严重，其中能源危机和二氧化碳排放过多导致环境加剧恶化，迫切的需要新能源汽车来代替原有的汽油汽车，其中，近几年电动汽车的关注度尤为明显。电动汽车选择哪一种充电方式，对于充电汽车的普及有着相当重要的作用。除了传统的有线接插头充电方式外，电动无线充电技术也开始被国内外诸多研究机构纳入重点研究范畴。本文主要对电动汽车的无线充电技术、电动汽车无线充电技术应用情况、发展趋势做了详细的阐述和分析，以此为我国电动汽车无线充电技术的发展贡献出一份力量。

电动汽车；无线充电；发展趋势

引言

节能减排技术以及新能源技术的应用是当今低碳经济的核心。将电动汽车代替传统汽油机动车，以此使环境污染和能源短缺问题得到有效的解决，同时这也是我国战略性的新兴产业。电动汽车要想被广泛的推广和应用，首先就必须建立相应的充电设施。随着新能源产业的不断发展，特别是电动汽车运用得越来越广泛，对于电动汽车充电方式的多样性和方便性的要求越来越高。无线充电技术是一项新兴技术，现阶段,普遍运用在手机、MP3等小功率设备上，在电动汽车的领域并没用被实际运用，只是一个全新的概念。随着不断完善的无线充电技术，其市场潜力也逐渐凸显了出来。

1. 电动汽车无线充电技术

电动汽车无线充电，相较于有线充电来说，优点主要集中在以下几个方面：首先是使用更加便捷、且安全性更高，诸如触电、电火花等事故的发生几率非常低；其次是积层现象现有发生，且也不会产生接触损耗，磨损机械，进而避免产生相关维护问题；对于雨雪等恶劣天气也能较好的适应等[1]。另外，讲WPT运用到电动汽车中，可以使人力成本降低、不会造成空间的浪费、交通视线也不会受到影响等。电动汽车配备的动力电池容量可以在实现了动态无线充电的情况下得到极大的减少，使车体的重量减轻，降低了运行车本。电动汽车无线冲电的概念如图1所示。

1.1 电动汽车感应式无线充电技术

图1 电动汽车无线充电概念

在手机、牙刷、笔记本、MP3无线充电当中，感应式无线充电技术已经开始被运用。较短的传输距离是较少使用电动汽车的主要原因[2]。美国工业协会按功率将电动汽车的感应充电系统分为应用于1～3kW的小功率充电器、5～25kW中等功率的充电器、75～300kW的快速充电器或充电柜三个等级。

在部分电动汽车充电系统当中已经成功的将感应式无线充电技术运用到其中，比如通用汽车公司的EV1，在地面以下埋入发射系统，一般在汽车地盘上安装接收线圈，而且接收线圈应该和发射线圈发生感应耦合，起着和可分离变压器一样的作用，电能进行无线传输是通过线圈间的高频电磁场进行的，其基本结构如图2所示。

图2 电动汽车感应式无线充电基本结构

该系统工作的原理是：首先高频交流电通过电网而产生的工频交流电再经过整流和逆变转变而成，电流通过补偿电路到达原边发射圈，并在线圈当中产生高频电磁场，电动汽车上的接收线圈通过电磁场吸收来自原边的电能，之后再经过高频整流、电池管理电路等环节，最终给负载电池充电。另外，可通过反馈控制使系统工作于最佳状态[3]。

工作频率较低是感应式无线充电技术的特点之一，一般在几十到几百kHz之间，可以实行kW级功率无线传输，近距离传输的时候可以达到90%以上的传输功率。因此，将其使用到电动汽车上的日子已不久远。

1.2 电动汽车谐振式无线充电技术

在2007年时,MIT的研究人员就提出谐振式无线充电技术是基于电磁谐振无线电能传输的，其基本思想为通过电磁场，两个一样的自谐振频率的线圈可以实现高效传能，但是磁场基本不会影响到频率不一样的物体。随后就将其运用到了电动汽车无线充电的实验中，基本结构如图3所示。

图3 电动汽车谐振式无线充电基本结构

系统的电能可以由电网吸收到，工频交流电经过整流滤波和高频逆变可以产生高频交流电，再经阻抗匹配电路和功率放大电路传送到发射线圈，当出现一样的自谐振频率和射线圈的系统频率，发射线圈就出产生最大的电流，磁场也最强；这时候，如果接线圈有一样的自谐振频率，祸合就会通过磁场产生，高效传输就能得以实现。负载电池的充电可以由接收线圈中的电能经调节电路和整流滤波进行。并且，保证整个系统的高效性和稳定性可以通过反馈控制环节得以实现。

谐振式WPT有较远的传输距离、对范围较小的位置变化不敏感、高传输频率等优点[4]。但同样也存在的很多问题，如较高的频率对电路有着较高的要求；还不能明确知道是否对人体有害；受周围磁性物质的影响较大等。

2. 电动汽车无线充电技术应用情况

现阶段，研究电动汽车的无线充电技术已在国外多个国家中如火如荼的进行着，而最早开始对其进行研究的国家有日本、英国和美国等。基于磁共振的充电系统最早于2009年8月，由日木长野无线公司所开发，可以保证在6毫米的传输距离内传送效率可以到达90%。在2010年11月英国Halo IPT公司将一种新型无线充电系统开发了出来，利用感应电荷的原理，在道路的沥青下面藏入电源板，这样不仅有利于减少电源板的磨损，使其得到有效的保护，同时恶劣天气也不会影响到它。在2011年11月,日本IHI株式会社对美国WiTricitv公司磁共振无线供电技术进行了采用，研发出电动汽车无线充电系统，并已被运用到实际中。该系统可以在传输距离为20cm时实现3.3kW的充电输出功率，充电的效率可以达到90%以上。在2013年5月，美国斯坦福大学的一个研究小组研究出了一种电动汽车移动充电系统，其充电可以在汽车行驶的过程中进行，充电效率高达97%。

3. 发展趋势

3.1 技术发展趋势

对电力电子控制算法和拓扑结构的优化和创新。功放电路和调谐（补偿）网络的优化和创新，以及改进控制方法是提高无线充电系统性能的保障[5]。研发出高功率因素，低匹配难度、低输入阻抗的电力电子拓扑结构、更加稳定和精确的控制方法，对无线充电系统偏移裕度、电能传输效率和电路运作稳定性的提高有着尤为重要的意义。公众最为关注的问题就是生物的安全性，无线充电系统要想实现广泛的推广和使用，就必须大力研究安全的无线通用性和智能性的电磁辐射防护方法。

通过对一些先进材料引入，如电导率、磁导率等，能够将系统的损耗降至最低，有效提高电能传输效率，目前，充电过程能量损耗的进一步降低因磁电层状复合材料超导材料和超常规电磁材料等新材料的出现和应用变为了可能，也使无限充电系统传输性提供了更宽阔的空间。

3.2 应用趋势

汽车行进状态充电技术。电动车的蓄电能力密度低、存储的能力少，而此技术可以将电能发射圈直接藏在道路基面之下，使汽车在行驶的过程中依然能够进行充电，进而让汽车能够行使更长的时间，使之里程数也进一步增加；将无线充电技术结合自动巡航、自动泊车等辅助驾驶技术，可以使无线充电效果和整车驾驶性能得到提高；V2H车辆到住宅、V2X车辆到电网等双向电能传输。通过结合电动汽车和电网智能，能够使削峰填谷的电能调控作业得到最大化的发挥，让电动汽车成为智能化移动储能装置，充分发挥其各项性能[6]。

4. 电动汽车无线充电技术遇到的技术瓶颈

4.1 充电效率问题。

从效率的数值上看，和充电效率为95%的插入式充电相比，90%充电效率的无线充电，在实际应用中，用户并不能明显的感受到无线充电的充电效率带来的优势。

4.2 缺少统一的技术标准。

现阶段，全世界无线电能传输技术主要有：PMA、WPC和A4WP。但这三大标准都有很大的局限性，只能支持小功率的移动终端充电，还没有确立电动汽车无线电能传输技术的国际标准。

4.3 kHz 和MHz 的频率范围和无线充电系统中高频线圈参数，因受到线圈尺寸和两线圈之间充电距离的影响，其优化难度较大。

4.4 最大的难题是线圈的建设成本。

由于基础设施的缺乏，要将该项技术真正的运用到实际当中，也只能在某些高端品牌的高端车型上运用。然而，就算电动汽车用户因为无线充电体验到了其便利所在，但将其进行广泛的推广使用还要看供应商是否买账；停车场线圈建设。要在公路或停车场建设无线充电，线圈必须在修建之前就埋到地下。对于已经修建好的公路和停车场，不可能因为要埋线圈就将其全部进行重修，这种方式，将使建设成本极大的提高，不是很现实。

5. 结束语

电动汽车无线充电比有线充电更加方便、安全和可靠，没有机械损害，更容易维护。从上文可以看出，在电动汽车无线充电技术中，电磁感应式和电磁共振式这两种方式最为适合，各研究机构可以对这两种方式进行重点研究，以此作为突破点。与此同时，还需在研究电动汽车与相关产业上，加大投入，对电动企业予以大力发展，缩短我国汽车行业同他国的差距，在电动汽车领域中占据一席之地。

最后要对领导和同事们对我这次关于电动汽车无线充电技术的研究进展大力支持表示感谢，同时还要感谢珠海银隆新能源有限公司相关技术人员对这篇论文的技术指导，感谢客户服务中心、电动汽车运营部在我完成技术论文时留下的大量工作，以及论文撰写过程中慷概给予的相关技术资料。

＊ [1]王振亚,王学梅,张波,丘东元. 电动汽车无线充电技术的研究进展[J]. 电源学报,2014,03：27—32.

＊ [2]高大威,王硕,杨福源. 电动汽车无线充电技术的研究进展[J].汽车安全与节能学报,2015,04：314—327.

＊ [3]赵争鸣,刘方,陈凯楠. 电动汽车无线充电技术研究综述[J].电工技术学报,2016,20：30—40.

＊ [4]赵兴福,魏健. 电动汽车无线充电技术的现状与展望[J]. 上海汽车,2012,06：3—6+21.

＊ [5]张鑫,贾二炬,范兴明. 电动汽车无线充电技术研究与应用探讨[J]. 电子技术应用,2017,01：148—151+155.

＊ [6]刘崇凯,罗康骏. 电动汽车无线充电技术探讨[J]. 科技创新导报,2015,07：98—99.