純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

張超 王哲 李泉 唐林英 劉洪亮

摘要：純電動(dòng)汽車的無(wú)線充電技術(shù)有利于緩解全球能源的可持續(xù)供應(yīng)問題。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，深入闡述電磁感應(yīng)式WPT（Wireless Power Transmission）、磁場(chǎng)諧振WPT以及微波傳輸WPT的充電技術(shù)原理，指出了三種無(wú)線充電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)目前純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的現(xiàn)狀提出了改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;無(wú)線充電技術(shù);電磁感應(yīng)式;磁場(chǎng)諧振;微波傳輸

中圖分類號(hào)：TM910 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0203-03

0 ?引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械谋貍浣煌üぞ?。近年?lái)，由于汽車的普及也引發(fā)了諸如環(huán)境污染、能源短缺等一系列問題[1]。純電動(dòng)汽車（Battery Electric Vehicle，BEV）主要依賴鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池等充電電池作為動(dòng)力，具有無(wú)污染、噪聲小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及能量轉(zhuǎn)換效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。純電動(dòng)汽車充電方式可分為接觸式和非接觸式無(wú)線充電（Wireless Power Transfer，WPT）兩種方式[3]。接觸式的傳統(tǒng)充電技術(shù)將插座和插頭直接連接，這種方式存在接觸損耗、安全隱患和充電不方便等缺點(diǎn)難以滿足人們的需求。與之對(duì)比，基于電磁感應(yīng)原理的非接觸式無(wú)線充電技術(shù)可以解決傳統(tǒng)充電方式的弊端，具有較多的優(yōu)勢(shì)[4]，比如：減輕了車體重量、不受空間限制實(shí)現(xiàn)移動(dòng)充電、降低電池的成本。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線充電將成為純電動(dòng)汽車最具前景的充電方式。當(dāng)前無(wú)線充電主流技術(shù)主要分為電磁感應(yīng)WPT，磁場(chǎng)諧振式WPT和微波WPT。其中電磁感應(yīng)式和磁場(chǎng)諧振式技術(shù)使用較為廣泛，微波式WPT由于效率較低而限制了其使用。本文首先對(duì)無(wú)線能量傳輸技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，接著對(duì)當(dāng)前純電動(dòng)汽車的三種主流充電技術(shù)的原理進(jìn)行闡述，總結(jié)各類充電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后分析未來(lái)純電動(dòng)汽車充電技術(shù)的發(fā)展方向。

1 ?純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的研究現(xiàn)狀

無(wú)線能量傳輸（WPT）的概念起源于19世紀(jì)，著名的美國(guó)物理學(xué)家特斯拉通過(guò)在兩個(gè)緊密放置的金屬板間施加高頻交流電，成功的發(fā)明了第一個(gè)無(wú)線充電的電燈泡[5]。這一應(yīng)用開啟了無(wú)線充電領(lǐng)域的春天。兩個(gè)世紀(jì)后，Kurs等人使用的磁共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)了距離超過(guò)2m的無(wú)線充電[6]，這一突破性的科研成果使得無(wú)線充電技術(shù)迎來(lái)了快速發(fā)展。1995年，美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)制訂了SAEJ.1773標(biāo)準(zhǔn)，這是第一版在美國(guó)使用無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)行電動(dòng)汽車充電的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。2006年初，美國(guó)麻省理工學(xué)院Marin教授團(tuán)隊(duì)開始改進(jìn)基于電磁共振原理的磁耦合諧振技術(shù)，并采用該技術(shù)成功地點(diǎn)亮了距離實(shí)驗(yàn)臺(tái)2m之外的60W燈泡[7]。2008年，WPC推出Qi無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)[8]，它的提出完美地解決了無(wú)線充電過(guò)程中的通用性難題。Qi標(biāo)準(zhǔn)基于電磁感應(yīng)原理，其電磁波頻率在100-205kHz，比較適合短距離的無(wú)線充電，具有兼容性強(qiáng)并且傳輸效率高的特點(diǎn)，目前大多數(shù)無(wú)線充電產(chǎn)品都采用這一標(biāo)準(zhǔn)。2012年，英國(guó)HaloIPT公司通過(guò)改進(jìn)感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車的非接觸式充電。電能接收裝置安裝在一臺(tái)雪鐵龍電動(dòng)汽車車底，利用充電模塊與電能接收裝置產(chǎn)生的感應(yīng)對(duì)電池進(jìn)行充電。這種電磁感應(yīng)式傳輸系統(tǒng)可以讓駕駛員無(wú)需擔(dān)心忘記為電動(dòng)汽車充電[9]。2014年，美國(guó)WiTricity公司搭建了一套采用電磁共振原理的的無(wú)線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以的充電功率可達(dá)2kW，只需要90分鐘就可以將4.4kWh的電池組充滿電。2018年，WiTricity公司與多家汽車公司合作，實(shí)現(xiàn)電力傳輸至汽車電池，其轉(zhuǎn)化效率達(dá)到93%，與傳統(tǒng)的接觸式充電方式相比，其效率相當(dāng)[10]。2020年2月，Omer Onar博士及其團(tuán)隊(duì)在田納西州橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一臺(tái)功率為20kW的無(wú)線充電裝置，給一臺(tái)混合動(dòng)力UPS卡車充滿電只需要3個(gè)小時(shí)左右。

1.2 國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)起步較晚，主要在20世紀(jì)初期才開始，主要依托以東南大學(xué)、重慶大學(xué)、湖南大學(xué)等高校和研究院進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究[11-18]，雖然起步較晚，研究的時(shí)間只有短短十幾年，但仍然在無(wú)線充電技術(shù)的領(lǐng)域取得一些重要的成果。其中以重慶大學(xué)為典型，孫躍教授及其研究團(tuán)隊(duì)獲取了無(wú)線充電技術(shù)諸多重要的研究成果，并研發(fā)了電動(dòng)汽車的無(wú)線充電系統(tǒng)。此后，以東南大學(xué)為首，同樣對(duì)無(wú)線充電領(lǐng)域展開了系統(tǒng)和深入的研究，其研究主要側(cè)重?zé)o線充電系統(tǒng)的后臺(tái)，提出了基于電場(chǎng)耦合的光電機(jī)技術(shù)。2011年10月，我國(guó)首次召開無(wú)線充電技術(shù)方面的學(xué)術(shù)研究會(huì)議，會(huì)議探討了無(wú)線充電技術(shù)的核心要點(diǎn)，開啟了我國(guó)無(wú)線充電技術(shù)研究的春天。2013年，由東南大學(xué)研發(fā)的全國(guó)首輛無(wú)線充電電動(dòng)汽車在南京問世，通過(guò)磁諧振接收電能，充滿電可以跑180公里。2015年，重慶大學(xué)孫躍教授及其團(tuán)隊(duì)發(fā)布了國(guó)內(nèi)第一套動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)。2019年，由東南大學(xué)為主導(dǎo)完成了第二套結(jié)合自動(dòng)駕駛車輛的動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)示范。2020年，中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司楊暢等人以三款純電動(dòng)車為研究對(duì)象，以電動(dòng)汽車能耗、加速性能及制動(dòng)踏板線性度作為測(cè)試評(píng)價(jià)，保證了沒有駕駛員在車內(nèi)的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)道路試驗(yàn)精確與高速測(cè)試[18]。

2 ?純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)原理

2.1 電磁感應(yīng)式WPT工作原理

電磁感應(yīng)式WPT的原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，采用原、副邊分離的變壓器，在距離較近的情況下完成無(wú)線電能傳輸?shù)囊环N新型技術(shù)。該方式的汽車無(wú)線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1所示，系統(tǒng)的供電端直流電通過(guò)整流和濾波電路將交流轉(zhuǎn)換為直流，直流經(jīng)過(guò)高頻逆變電路進(jìn)入感應(yīng)線圈原邊，變化的磁場(chǎng)會(huì)在封閉線圈的副邊位置產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)的電流同樣經(jīng)過(guò)整流電路將交流轉(zhuǎn)為直流，直流通過(guò)濾波之后，經(jīng)過(guò)電動(dòng)汽車內(nèi)部能量調(diào)節(jié)電路進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，接下來(lái)便可對(duì)電池進(jìn)行充電。但是這種充電方式對(duì)距離非常敏感，隨著距離的增大傳輸效率會(huì)快速降低，非常適用于近距離的充電環(huán)境。

2.2 磁場(chǎng)諧振式WPT工作原理

磁場(chǎng)諧振式WPT是以能量諧振耦合原理通過(guò)高頻電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)能量傳遞?；诖艌?chǎng)諧振的電動(dòng)汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖可知，由電源端輸送的交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波、高頻逆變電路等一系列過(guò)程，轉(zhuǎn)換為高頻交流，使得電路諧振，達(dá)到最佳的能量傳輸條件。高頻交流電通過(guò)兩個(gè)電磁感應(yīng)線圈在滿足一定條件下實(shí)現(xiàn)能量在兩個(gè)線圈之間傳輸，傳輸?shù)碾姶拍芰拷?jīng)過(guò)汽車能量調(diào)節(jié)電路后對(duì)電池充電。這種磁場(chǎng)諧振充電方式穩(wěn)定性好，能量轉(zhuǎn)換效率高。

2.3 微波式WPT工作原理

微波式WPT主要是基于微波的遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸原理，將高頻電信號(hào)通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射到自由空間，接收天線接收，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和電磁波的有效轉(zhuǎn)換和傳輸。如圖3所示。

由圖可知，電源產(chǎn)生的交流經(jīng)過(guò)整流和濾波電路轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器和功率放大器轉(zhuǎn)換為大功率的射頻信號(hào)，再由發(fā)射天線輻射到周圍空間中，經(jīng)過(guò)一段自由空間后，被對(duì)端的接收天線接收，接收的輻射電磁波通過(guò)整流電路轉(zhuǎn)換為直流電，最后通過(guò)能量調(diào)節(jié)電路儲(chǔ)存在純電動(dòng)汽車的充電電池中。由于微波天線是全向性天線，能量輻射在各個(gè)方向，受空間環(huán)境的影響大，從而導(dǎo)致整個(gè)過(guò)程的傳輸損耗非常高，且輻射對(duì)人體的健康會(huì)有一定的影響。

2.4 三種充電方式的比較

三種充電方式各方面優(yōu)缺點(diǎn)相比較如表1。

通過(guò)表格我們可以看出，電磁感應(yīng)WPT和磁場(chǎng)諧振WPT用于汽車無(wú)線充電的性價(jià)比高，微波傳輸雖然距離可以較遠(yuǎn)，但效率極低，實(shí)現(xiàn)商用還需要一段很長(zhǎng)的路要走，需要突破物理極限。

3 ?純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)發(fā)展日新月異，在物聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療、無(wú)人駕駛、RFID、新能源等各個(gè)方面都得到廣泛的應(yīng)用，但是也存在著一些不足。主要體現(xiàn)在：與有線充電方式相比，能量轉(zhuǎn)換效率較低，前期投入成本較高，部分充電方式產(chǎn)生的電磁輻射影響人體安全等一系列問題。未來(lái)電動(dòng)汽車無(wú)線充電的優(yōu)化與發(fā)展可以考慮以下幾個(gè)方面：

①線圈的結(jié)構(gòu)與放置位置導(dǎo)致的無(wú)線充電的效率問題：線圈之間的能量轉(zhuǎn)換效率影響整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率;所以可以通過(guò)設(shè)計(jì)線圈之間的排布和調(diào)整角度等方式提高能量轉(zhuǎn)換效率。

②電磁輻射與人體健康：通過(guò)運(yùn)用CST等電磁仿真軟件模擬不同的充電手段引發(fā)的電磁輻射對(duì)人體的影響，可以通過(guò)調(diào)整充電裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低電磁能量向外輻射的功率，盡量減少對(duì)人體健康的影響。

③優(yōu)化算法提高充電系統(tǒng)的穩(wěn)定性：充電系統(tǒng)可以通過(guò)算法優(yōu)化來(lái)有效抑制高次諧波，降低系統(tǒng)偏移量，提高整個(gè)系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性和傳輸效率。

④無(wú)線充電裝置的部署：通過(guò)將充電系統(tǒng)的電磁線圈的發(fā)射端部署在路面下方，使汽車在路面行駛過(guò)程中完成自動(dòng)充電的過(guò)程。

⑤無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)前主流的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)主要為Power Matters Alliance（PMA）標(biāo)準(zhǔn)、Qi標(biāo)準(zhǔn)、Alliance for Wireless Power（A4WP）標(biāo)準(zhǔn)、iNPOFi技術(shù)、Wi-PO技術(shù)。不同的充電標(biāo)準(zhǔn)各方面差異較大，且相互難以兼容。所以規(guī)定統(tǒng)一通信頻段，確定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)將有助于純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)在全球范圍內(nèi)的推廣。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)當(dāng)前純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)模式與國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，介紹了3種常用的純電動(dòng)汽車無(wú)線傳輸技術(shù)的工作原理，也對(duì)當(dāng)前存在的不足之處提出改進(jìn)方向。當(dāng)前，純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)在各方面都取得了可喜的成績(jī)，但是也存在著諸如效率低、商用性不強(qiáng)、安全性不高等不利因素。相信經(jīng)過(guò)純電動(dòng)汽車WPT領(lǐng)域科研工作者們的不斷努力，純電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)必然會(huì)不斷完善和成熟，不斷推動(dòng)無(wú)線充電技術(shù)邁向新臺(tái)階。

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作者簡(jiǎn)介：張超（1991-），男，湖南溆浦人，碩士，講師，研究方向?yàn)槲⒉ㄝ斈芗夹g(shù);王哲（通訊作者）（1990-），男，湖南長(zhǎng)沙人，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠囕p量化設(shè)計(jì)和智能檢測(cè)技術(shù)。