電動(dòng)汽車無線充電原理及應(yīng)用分析

胡瑞明 武鉑睿

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，節(jié)能、低碳和環(huán)保經(jīng)濟(jì)成了社會(huì)發(fā)展的需要，電動(dòng)汽車受到了廣泛的關(guān)注，而無線充電技術(shù)是未來電動(dòng)汽車供電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹了 三種常用的無線充電技術(shù)：電磁感應(yīng)、微波、磁耦合共振，并分析了三種無線充電的工作原理、存在的問題及實(shí)用化前景。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車;無線充電;電磁感應(yīng);微波;磁耦合共振

一、引言

自電動(dòng)汽車產(chǎn)生以來，為了讓車主感覺更加方便、安全，高新技術(shù)和便捷服務(wù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，很多知名的汽車制造商和能源企業(yè)建造了跟傳統(tǒng)加油站類似的充電樁和換電站。在日本、美國(guó)、德國(guó)，包括中國(guó)在內(nèi)等地區(qū)都開始配置充電設(shè)備的充電樁和換電設(shè)備的換電站。無論是充電樁還是換電站都屬于接觸式充電范疇，它們都需要充電插頭和電線來進(jìn)行電能的傳遞。但無線充電則不需要這些連接裝置，它是利用交變電磁場(chǎng)和無線電波來傳遞電能，因此不需人來插拔插頭，同時(shí)節(jié)省電線材料，無觸電危險(xiǎn)，在惡劣天氣環(huán)境下使用性強(qiáng)，很便于在停車場(chǎng)和車庫(kù)大面積推廣。因此，電動(dòng)汽車無線充電受到很多汽車制造商的青睞，相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用在世界發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始開展。

二、無線充電技術(shù)

無線充電技術(shù)應(yīng)用在電動(dòng)汽車上主要有三種：電磁感應(yīng)法、微波法、磁耦合共振法。其中電磁感應(yīng)法利用線圈間產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行電能傳輸;微波法利用天線發(fā)射和接收微波進(jìn)行電能傳輸;磁耦合共振法利用共振電路之間的共振現(xiàn)象進(jìn)行電能傳輸，下面分別進(jìn)行分析介紹。

（一）電磁感應(yīng)法

此原理與電力系統(tǒng)中常用的電力變壓器原理類同。在變壓器的一次線圈通入交變電流，二次線圈會(huì)由于電磁感應(yīng)原理感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，如果二次線圈電路閉合，即可有感應(yīng)電流出現(xiàn)，電流方向的確定遵從楞次定律，其大小可由麥克斯韋電磁理論解出。相對(duì)于無線輸電而言，變壓器的一次線圈相當(dāng)于電能發(fā)射線圈，二次線圈相當(dāng)于電能接收線圈，這樣就可以把電能從發(fā)射線圈無線傳輸?shù)浇邮站€圈。工作原理如圖1所示。

該電能傳輸系統(tǒng)是將發(fā)射電能的一次線圈埋藏在地下，接收電能的二次線圈安裝于車底部，兩線圈之間空隙的大小會(huì)影響充電系統(tǒng)的效率。

（二）微波法

要想實(shí)現(xiàn)電能長(zhǎng)距離的無線傳輸，則可使用微波的傳輸方式。由于微波的波長(zhǎng)比較短，其波長(zhǎng)范圍在0.1mm～1m，故其定向性好，彌散小，可用于實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸，電能以微波為載體，可以實(shí)現(xiàn)電能在自由空間中進(jìn)行傳播。

與電磁感應(yīng)方法不同，微波方法利用電磁輻射原理進(jìn)行無線電能傳輸。首先通過能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換成微波，然后利用發(fā)射天線將微波經(jīng)自由空間傳給接收天線，最后將接收到的微波通過能量轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為電能。其傳輸距離可達(dá)幾公里，屬于遠(yuǎn)程電能傳輸。微波輸電原理如圖2所示。

圖2 微波輸電原理

雖然國(guó)內(nèi)外研究取得了一些成果，但利用微波法為電動(dòng)汽車進(jìn)行非接觸式充電還存在以下重大缺陷：

1）傳輸效率低。目前表明，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)最高達(dá)到的電能傳輸效率尚未達(dá)到80%，實(shí)際產(chǎn)品的傳輸效率均不到40%。

2）存在電磁干擾。微波法輸電利用1～10GHz頻段范圍的頻率，該頻段對(duì)通信、雷達(dá)和射電天文的干擾非常顯著。

3）充電功率低。據(jù)報(bào)道的充電功率均不到1KW，很多實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只能傳輸幾瓦的功率。

（三）磁耦合共振法

此無線充電方式需要發(fā)射和接收兩個(gè)共振系統(tǒng)，可分別由感應(yīng)線圈制成。通過調(diào)整發(fā)射頻率使發(fā)射端以某一頻率振動(dòng)，其產(chǎn)生的不是彌漫于各處的普通電磁波，而是一種非輻射磁場(chǎng)，即把電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)，在兩個(gè)線圈間形成一種能量通道。接收端的固有頻率與發(fā)射端頻率相同，因而發(fā)生了共振。隨著每一次共振，接收端感應(yīng)器中會(huì)有更多的電壓產(chǎn)生。經(jīng)過產(chǎn)生多次共振，感應(yīng)器表面就會(huì)集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射磁場(chǎng)中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。未被接收的能量被發(fā)射端重新吸收。這種非輻射電磁場(chǎng)的范圍比較有限，不適用于長(zhǎng)距離，要求發(fā)射端與接收端在感應(yīng)線圈半徑的8倍的距離之內(nèi)。

磁耦合共振法輸電原理如圖3所示。

圖3 磁耦合共振法輸電原理

在利用磁耦合共振法為電動(dòng)汽車進(jìn)行充電時(shí)同樣面臨一些問題：

1）缺乏共振頻率的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2）共振頻率變化導(dǎo)致充電效率降低。隨著周圍環(huán)境的變化，電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的共振頻率可能發(fā)生變化。如何根據(jù)周圍的環(huán)境的變化控制電源輸出的頻率，使發(fā)射和接收線圈始終保持共振狀態(tài)，以保證最大效率下工作，這值得深入研究。

3）充電功率較低。目前最大傳輸功率在幾千萬(wàn)的量級(jí)，如何增大充電功率，是一個(gè)重要的研究方向。

三、實(shí)用化分析

電動(dòng)汽車對(duì)電動(dòng)汽車無線充電的實(shí)用性需要關(guān)注三個(gè)指標(biāo)：輸出功率、傳送距離、充電效率。下面將電磁感應(yīng)法、微波法、磁耦合共振法列于表1進(jìn)行對(duì)比。

通過表1的對(duì)比可以看出，雖然微波法充電傳送距離最遠(yuǎn)，但輸出功率及充電效率都是很低的，所以難以在電動(dòng)汽車上配置無線充電裝置。

電磁感應(yīng)法充電輸出功率最大，充電效率也較高，但其傳送距離較短，一般工業(yè)中的有效傳輸距離在2～3cm，而且需要機(jī)械裝置將汽車停在合適的位置與線圈對(duì)準(zhǔn)，因此建設(shè)類似傳統(tǒng)加油站的充電站適合這種方法。

表1 三種無線充電方式對(duì)比

方式 電磁感應(yīng) 微波 磁耦合共振

充電原理 為充電線圈提供交流電并產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，磁力線穿過與之分離一定距離的接收線圈，使接收線圈產(chǎn)生相應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并可對(duì)外輸出電流 充電與接收兩部分，均采用微波傳送與接收技術(shù) 基本原理與電磁感應(yīng)式相同。只是充電部分與接收部分使用同一共振周波，可將阻抗限制在最低值并使傳送距離增大

使用頻率范圍 22kHz 2.45GHz 13.56MHz

輸出功率 30kW 1kW 1kW

傳送距離 100mm 1000mm 400mm

充電效率 92% 38% 95%

日本研制企業(yè) 昭和飛行機(jī)工業(yè) 三菱重工業(yè) 長(zhǎng)野日本無線

磁耦合共振法輸出功率比電磁感應(yīng)法小，但是傳送距離卻比電磁感應(yīng)法大，且不需要車載線圈與電源線圈完全對(duì)準(zhǔn)，因此這種方法適合開發(fā)新型的充電模式，比如車庫(kù)和地面停車位。利用這種方法，可以在高速公路或者護(hù)欄上安裝電源線圈，電動(dòng)汽車在行駛過程中就可以進(jìn)行不間斷充電。

四、結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車普及的同時(shí)，全世界開始越來越多的關(guān)注無線充電技術(shù)。本文分析了電動(dòng)汽車的三種無線充電方法：電磁感應(yīng)法、微波法、磁耦合共振法的工作原理，并對(duì)三種方法進(jìn)行了對(duì)比分析?？梢缘弥?，隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，無線充電市場(chǎng)的規(guī)模將井噴式增長(zhǎng)。

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作者簡(jiǎn)介：胡瑞明（1986—），男，河南鶴壁人，助教，鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院教師，研究方向：電氣工程及汽車電子。