電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)

李 斌 ，劉 暢 ，陳企楚 ，林晶怡 ，鄧小元

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210003)

低碳經(jīng)濟(jì)核心是新能源技術(shù)與節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用，電動(dòng)汽車(chē)能夠較好地解決機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染與能源短缺問(wèn)題，是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。作為電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要前提和基礎(chǔ)，電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施建設(shè)引起了各方廣泛關(guān)注。新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其純電動(dòng)汽車(chē)的快速增長(zhǎng)，必然會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充電方式多樣化和方便性提出更高的要求[1]。無(wú)線充電技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，目前商業(yè)化運(yùn)作主要應(yīng)用于手機(jī)、電腦、隨身聽(tīng)等小功率設(shè)備的充電上，在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域目前還是一個(gè)全新的概念[2]。隨著無(wú)線充電技術(shù)的成熟，電動(dòng)汽車(chē)將是無(wú)線充電設(shè)備最具潛力的市場(chǎng)。從無(wú)線充電技術(shù)的分類(lèi)入手，分析了無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用工作原理，并介紹了國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用研究情況，同時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了深入思考，提出了一些建議，以利于該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

1 無(wú)線充電技術(shù)

無(wú)線充電技術(shù)引源于無(wú)線電力輸送技術(shù)。無(wú)線電力傳輸也稱(chēng)無(wú)線能量傳輸或無(wú)線功率傳輸，主要通過(guò)電磁感應(yīng)、電磁共振、射頻、微波、激光等方式實(shí)現(xiàn)非接觸式的電力傳輸。根據(jù)在空間實(shí)現(xiàn)無(wú)線電力傳輸供電距離的不同，可以把無(wú)線電力傳輸形式分為短程、中程和遠(yuǎn)程傳輸三大類(lèi)[3]。

（1）短程傳輸。通過(guò)電磁感應(yīng)電力傳輸（ICPT）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般適用于小型便攜式電子設(shè)備供電。ICPT主要以磁場(chǎng)為媒介，利用變壓器耦合，通過(guò)初級(jí)和次級(jí)線圈感應(yīng)產(chǎn)生電流，電磁場(chǎng)可以穿透一切非金屬的物體，電能可以隔著很多非金屬材料進(jìn)行傳輸，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端，實(shí)現(xiàn)無(wú)電氣連接的電能傳輸。電磁感應(yīng)傳輸功率大，能達(dá)幾百千瓦，但電磁感應(yīng)原理的應(yīng)用受制于過(guò)短的供電端和受電端距離，傳輸距離上限是10 cm左右。

（2）中程傳輸。通過(guò)電磁耦合共振電力傳輸（ERPT）技術(shù)或射頻電力傳輸（RFPT）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，中程傳輸可為手機(jī)、MP3等儀器提供無(wú)線電力傳輸。ERPT技術(shù)主要是利用接收天線固有頻率與發(fā)射場(chǎng)電磁頻率相一致時(shí)引起電磁共振，發(fā)生強(qiáng)電磁耦合的工作原理，通過(guò)非輻射磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。電磁共振型與電磁感應(yīng)型相比，采用的磁場(chǎng)要弱得多，傳輸功率可達(dá)幾千瓦，能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的傳輸，傳輸距離可達(dá)3～4 m。RFPT主要通過(guò)功率放大器發(fā)射射頻信號(hào)，通過(guò)檢波、高頻整流后得到直流電，供負(fù)載使用。RFPT距離較遠(yuǎn)，能達(dá)10 m，但傳輸功率很小，為幾毫瓦至百毫瓦。

（3）遠(yuǎn)程傳輸。通過(guò)微波電力傳輸（MPT）技術(shù)或激光電力傳輸（LPT）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程傳輸對(duì)于太空科技領(lǐng)域如人造衛(wèi)星、航天器之間的能量傳輸以及新能源開(kāi)發(fā)利用等有重要的戰(zhàn)略意義。MPT是將電能轉(zhuǎn)化為微波，讓微波經(jīng)自由空間傳送到目標(biāo)位置，再經(jīng)整流，轉(zhuǎn)化成直流電能，提供給負(fù)載。微波電能傳輸適合應(yīng)用于大范圍、長(zhǎng)距離且不易受環(huán)境影響的電能傳輸，如空間太陽(yáng)能電站等。LPT是利用激光可以攜帶大量的能量，用較小的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的電能傳輸。激光方向性強(qiáng)、能量集中，不存在干擾通信衛(wèi)星的風(fēng)險(xiǎn)，但障礙物會(huì)影響激光與接收裝置之間的能量交換，射束能量在傳輸途中會(huì)部分喪失。

2 無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用

無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用，是通過(guò)埋設(shè)于地表的一次線圈與固定于車(chē)輛底盤(pán)的二次線圈的電磁耦合來(lái)傳輸電能，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，具有安全環(huán)保、全自動(dòng)、免維護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前常用的3種無(wú)線充電技術(shù)中，因?yàn)镮CPT和ERPT在中等距離的傳輸效率較高，更適合于電動(dòng)汽車(chē)充電[4]。特別是東南大學(xué)采用的電磁耦合共振式ERPT技術(shù),已能將無(wú)線傳輸?shù)木嚯x增加到50 cm左右，也是國(guó)內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)0.5 m以上千瓦級(jí)無(wú)線電能傳輸?shù)难芯砍晒鸞5]。

2.1 無(wú)線充電技術(shù)工作原理

2.1.1 ICPT工作原理

ICPT是以耦合的電磁場(chǎng)為媒介實(shí)現(xiàn)電能傳遞，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)用ICPT，是將變壓器原、副邊繞組分置于車(chē)外地面上和車(chē)內(nèi)底盤(pán)上，通過(guò)高頻磁場(chǎng)的耦合傳輸電能。該系統(tǒng)主要由電源側(cè)發(fā)射端、無(wú)接觸變壓器和電動(dòng)汽車(chē)側(cè)接收端組成。其原理如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)ICPT系統(tǒng)原理

電源側(cè)發(fā)射端電源從電網(wǎng)獲取電能后經(jīng)過(guò)整流濾波獲得直流電，進(jìn)入逆變器中進(jìn)行高頻逆變，產(chǎn)生的高頻交變電流在信號(hào)控制電路的控制下經(jīng)過(guò)一次側(cè)補(bǔ)償電路后注入原邊繞組，在臨近空間產(chǎn)生高頻交變磁通；位于汽車(chē)底盤(pán)的副邊繞組在靠近原邊繞組空間通過(guò)感應(yīng)耦合高頻交變磁通獲取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)在信號(hào)控制電路的控制下經(jīng)過(guò)整流濾波以及功率調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)為車(chē)載電池提供電能。此系統(tǒng)本質(zhì)上相當(dāng)于變壓器的疏松耦合系統(tǒng)，其一次側(cè)、二次側(cè)之間通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能傳輸，因氣隙導(dǎo)致的耦合系數(shù)的降低可以由提高一次側(cè)輸入電源的頻率加以補(bǔ)償。

2.1.2 ERPT工作原理

ERPT是采用2個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，利用線圈及兩端的平板電容器，共同組成諧振電路，實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳輸。該系統(tǒng)也主要由電源側(cè)發(fā)射端、發(fā)射/接收線圈和電動(dòng)汽車(chē)側(cè)接收端組成。其原理如圖2所示。

電源側(cè)發(fā)射端電源從電網(wǎng)獲取電能后利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流，經(jīng)過(guò)功率放大電路和阻抗匹配電路后，在發(fā)射線圈周?chē)纬煞禽椛浯艌?chǎng)，從而將電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)；當(dāng)位于電動(dòng)汽車(chē)側(cè)的接收線圈的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時(shí)，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，完成磁場(chǎng)到電能的轉(zhuǎn)換；同時(shí)電流經(jīng)過(guò)整流濾波進(jìn)入限流/充電調(diào)節(jié)電路后就可為車(chē)載電池提供電能。

圖2 電動(dòng)汽車(chē)ERPT系統(tǒng)原理

ERPT系統(tǒng)中發(fā)射線圈和接收線圈都是自振系統(tǒng)，根據(jù)共振特性由發(fā)射端激發(fā)接收端的共振，以很小的消耗代價(jià)來(lái)傳輸能量。能量傳輸在共振系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行，對(duì)共振系統(tǒng)外的物體不會(huì)產(chǎn)生影響，其磁場(chǎng)強(qiáng)度和地球磁場(chǎng)強(qiáng)度相似，有效傳輸距離為幾十厘米到幾米。在能量傳輸過(guò)程中，電磁波的頻率越高其向空間輻射的能量越大，傳輸?shù)男示驮礁摺?/p>

2.2 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用情況

當(dāng)今，許多國(guó)家都在研制電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)，其中美國(guó)、英國(guó)、日本等是最早開(kāi)始電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)研究的國(guó)家。

日本長(zhǎng)野無(wú)線公司于2009年8月宣布開(kāi)發(fā)出了基于磁共振的充電系統(tǒng)，可以在600 mm的傳輸距離內(nèi)確保90%的傳送效率；但目前的傳送功率還比較?。s1 kW），擬定從叉車(chē)等使用范圍進(jìn)入市場(chǎng)，伴隨著技術(shù)成熟程度和傳送功率的提高，有望很快進(jìn)入電動(dòng)汽車(chē)充電領(lǐng)域。

英國(guó)HaloIPT公司于2010年11月開(kāi)發(fā)出一種新型無(wú)線充電系統(tǒng)，該感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)利用感應(yīng)電荷的原理，將電源板埋藏于道路的瀝青之下，進(jìn)行無(wú)線充電；同時(shí)由于電源板不暴露在外，既可以得到有效保護(hù)，減少磨損，又不會(huì)受到惡劣天氣的影響。

日本IHI株式會(huì)社于2011年11月采用美國(guó)WiTricity公司磁共振無(wú)線供電技術(shù)，研發(fā)出電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)，并已實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)使用。該系統(tǒng)包含了安裝在電動(dòng)汽車(chē)上的無(wú)線電能接收裝置及安裝在地面的無(wú)線供電裝置，適用于各種電動(dòng)汽車(chē)及充電電池。電動(dòng)汽車(chē)在充電點(diǎn)停車(chē)時(shí)，將自動(dòng)予以充電，而汽車(chē)與充電設(shè)備之間并無(wú)接觸。WiTricity公司表示，與電磁感應(yīng)和微波等無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有更高傳輸效率和更遠(yuǎn)輸電距離，系統(tǒng)在20 cm傳輸距離可實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電輸出功率3.3 kW，充電效率達(dá)90%以上。

最近，美國(guó)斯坦福大學(xué)一個(gè)研究小組正在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種高效充電系統(tǒng)，可使電動(dòng)汽車(chē)在公路上一邊行駛一邊自動(dòng)充電。該充電系統(tǒng)的工作原理是將一系列接通電流的線圈埋入高速路面下，在汽車(chē)底部裝上感應(yīng)線圈，當(dāng)汽車(chē)通過(guò)該高速路時(shí)就會(huì)引起共振，產(chǎn)生的磁場(chǎng)將電力持續(xù)不斷地傳輸給電池，這種無(wú)線傳輸方案的充電效率可達(dá)97%。

3 電動(dòng)汽車(chē)能源供給方式及充電技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)能源供給方式分類(lèi)

目前，電動(dòng)汽車(chē)傳統(tǒng)能源供給方式主要有電池更換、交流慢充和直流快充3種方式[6]，均屬于有線接觸式充電。

（1）電池更換方式是用充滿(mǎn)電的電池組更換車(chē)輛上能量接近耗盡的電池組，一般在10 min以?xún)?nèi)即可完成。該方式可有效解決續(xù)駛里程不足問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)對(duì)電池組的集中充電和專(zhuān)業(yè)維護(hù)以及梯次利用，延長(zhǎng)電池壽命，提高電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于用戶(hù)而言，可以買(mǎi)車(chē)不買(mǎi)電池，降低了一次性購(gòu)買(mǎi)成本。此外更換電池方式可充分利用低谷電價(jià)優(yōu)勢(shì)，降低充電成本。但由于電池組較重，更換電池的專(zhuān)業(yè)化要求較強(qiáng)，需配備專(zhuān)業(yè)人員借助專(zhuān)業(yè)機(jī)械來(lái)快速完成電池的更換、充電和維護(hù)，如何實(shí)現(xiàn)電池箱的標(biāo)準(zhǔn)化及電池快速更換的實(shí)用化是此模式普及的關(guān)鍵所在。

（2）交流慢充方式由交流充電樁提供電能，車(chē)載充電機(jī)完成交直流變換，充電功率一般不大，充電時(shí)間通常為5～8 h。該方式充電電流較小，可降低電池在充電過(guò)程中的發(fā)熱量，提高充電效率和延長(zhǎng)電池的使用壽命，但其問(wèn)題是充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

（3）直流快充方式由非車(chē)載充電機(jī)完成交直流變換，充電功率較大，通常情況下常規(guī)充電時(shí)間在3～4 h左右；也可提供20 min～2 h之內(nèi)。以較大電流提供快速充電，一般充電電流為150～400 A。經(jīng)常性大電流快速充電會(huì)大大縮短電池使用壽命，對(duì)充電接頭的規(guī)格、充電設(shè)施的容量也提出了更高的要求。另外，快速充電引起的大電流變化將對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，引起公共電網(wǎng)電壓波動(dòng)，大功率充電機(jī)產(chǎn)生的大量諧波，也會(huì)影響公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

3.2 有線和無(wú)線充電技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

有線充電技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：能源轉(zhuǎn)換一次性獲得，電能損失小，節(jié)能環(huán)保；交直流轉(zhuǎn)換一次性，不存在中高頻電磁輻射；充電樁及充電機(jī)等充電設(shè)備技術(shù)門(mén)檻不太高，經(jīng)濟(jì)投入不大，維修方便；充電功率調(diào)節(jié)范圍較寬，適合多種不同電壓和電流等級(jí)的動(dòng)力電池儲(chǔ)能補(bǔ)給。其缺點(diǎn)是：充電設(shè)備的移動(dòng)搬運(yùn)和電源的引線過(guò)長(zhǎng)，人工操作繁瑣；充電站及充電設(shè)備公共占地面積過(guò)大；人工操作過(guò)程中，極易出現(xiàn)設(shè)備的過(guò)度磨損等不安全性隱患。

無(wú)線充電技術(shù)具備如下優(yōu)點(diǎn)：使用方便、安全，無(wú)火花及觸電危險(xiǎn)，無(wú)積塵和接觸損耗，無(wú)機(jī)械磨損和相應(yīng)的維護(hù)問(wèn)題，可適應(yīng)多種惡劣環(huán)境和天氣。其缺點(diǎn)是：設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本投入較高，維修費(fèi)用大；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大功率無(wú)線電磁轉(zhuǎn)換，能量損耗相對(duì)較高；無(wú)線充電設(shè)備的電磁輻射會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

4 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用思考

在電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，有一些問(wèn)題值得思考和注意。

（1）電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)中最常用的2種技術(shù)相比較而言，ERPT比ICPT更具有優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?。ICPT要求電動(dòng)汽車(chē)側(cè)接收端非?？拷l(fā)射端感應(yīng)線圈，由于磁場(chǎng)能量會(huì)隨距離的增加而迅速衰減，因而在傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)中，距離只能通過(guò)增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)增加。而ERPT使用匹配的諧振天線，可使磁耦合在幾英尺的距離內(nèi)發(fā)生，而且不需要增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度；同時(shí)由于是形成非輻射磁場(chǎng)，從而大大降低了能源損耗。

（2）對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用安全性一定要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，尤其是人身安全、電池充電、電磁輻射對(duì)人類(lèi)及環(huán)境的影響等問(wèn)題。

（3）在實(shí)際應(yīng)用中，要重點(diǎn)考慮電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電設(shè)施的安全保護(hù)及應(yīng)用設(shè)計(jì)問(wèn)題。例如發(fā)射端裝置安裝在地下，要注意保護(hù)措施；同時(shí)無(wú)論是地面安裝的發(fā)射端裝置還是車(chē)輛接收端裝置都應(yīng)該考慮防水問(wèn)題，以應(yīng)用于雨天及潮濕環(huán)境。

（4）無(wú)線充電技術(shù)雖然具有靈活方便的使用特點(diǎn)，但從電能轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低及能源損耗較大的角度看，還需要對(duì)電磁轉(zhuǎn)換能效提升等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，以推進(jìn)該技術(shù)的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

（5）在電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)的安全性和可靠性問(wèn)題上，可以考慮射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)的嵌入式應(yīng)用。無(wú)線充電系統(tǒng)可通過(guò)內(nèi)置的RFID芯片，實(shí)現(xiàn)電能發(fā)送端對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電電池箱的ID身份驗(yàn)證，以保證不會(huì)對(duì)未經(jīng)認(rèn)證的電動(dòng)汽車(chē)電池箱進(jìn)行充電，從而保證充電的安全性[7]。但也要認(rèn)識(shí)到RFID技術(shù)和無(wú)線充電系統(tǒng)的電磁場(chǎng)耦合技術(shù)，可能存在著干擾問(wèn)題。

（6）對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)應(yīng)統(tǒng)一制定和實(shí)施無(wú)線充電通信標(biāo)準(zhǔn)，逐步制定行標(biāo)、國(guó)標(biāo)，以保證電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電設(shè)施與電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電接口的通用互聯(lián)和一致性。

5 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)具有方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)，但目前還處于研發(fā)和探索階段，在實(shí)用化方面還有大量的工作要做。此外根據(jù)當(dāng)前能源匱乏的實(shí)際情況，電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)大功率無(wú)線充電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作還為時(shí)過(guò)早，但作為未來(lái)靈活的充電方式，進(jìn)行前期探索很有必要。隨著該技術(shù)的不斷完善，同時(shí)結(jié)合中國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)，其在電動(dòng)汽車(chē)智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用必將大大推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模應(yīng)用。

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