電動汽車無線充電技術(shù)的研究進(jìn)展

作者/孔祥記，廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局

電動汽車無線充電技術(shù)的研究進(jìn)展

作者/孔祥記，廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局

隨著社會的飛速發(fā)展，隨之而來的環(huán)境問題也越來越嚴(yán)重，其中能源危機(jī)和二氧化碳排放過多導(dǎo)致環(huán)境加劇惡化，迫切的需要新能源汽車來代替原有的汽油汽車，其中，近幾年電動汽車的關(guān)注度尤為明顯。電動汽車選擇哪一種充電方式，對于充電汽車的普及有著相當(dāng)重要的作用。除了傳統(tǒng)的有線接插頭充電方式外，電動無線充電技術(shù)也開始被國內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)納入重點(diǎn)研究范疇。本文主要對電動汽車的無線充電技術(shù)、電動汽車無線充電技術(shù)應(yīng)用情況、發(fā)展趨勢做了詳細(xì)的闡述和分析，以此為我國電動汽車無線充電技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)出一份力量。

電動汽車；無線充電；發(fā)展趨勢

引言

節(jié)能減排技術(shù)以及新能源技術(shù)的應(yīng)用是當(dāng)今低碳經(jīng)濟(jì)的核心。將電動汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽油機(jī)動車，以此使環(huán)境污染和能源短缺問題得到有效的解決，同時(shí)這也是我國戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)。電動汽車要想被廣泛的推廣和應(yīng)用，首先就必須建立相應(yīng)的充電設(shè)施。隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，特別是電動汽車運(yùn)用得越來越廣泛，對于電動汽車充電方式的多樣性和方便性的要求越來越高。無線充電技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，現(xiàn)階段,普遍運(yùn)用在手機(jī)、MP3等小功率設(shè)備上，在電動汽車的領(lǐng)域并沒用被實(shí)際運(yùn)用，只是一個(gè)全新的概念。隨著不斷完善的無線充電技術(shù)，其市場潛力也逐漸凸顯了出來。

1. 電動汽車無線充電技術(shù)

電動汽車無線充電，相較于有線充電來說，優(yōu)點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：首先是使用更加便捷、且安全性更高，諸如觸電、電火花等事故的發(fā)生幾率非常低；其次是積層現(xiàn)象現(xiàn)有發(fā)生，且也不會產(chǎn)生接觸損耗，磨損機(jī)械，進(jìn)而避免產(chǎn)生相關(guān)維護(hù)問題；對于雨雪等惡劣天氣也能較好的適應(yīng)等[1]。另外，講WPT運(yùn)用到電動汽車中，可以使人力成本降低、不會造成空間的浪費(fèi)、交通視線也不會受到影響等。電動汽車配備的動力電池容量可以在實(shí)現(xiàn)了動態(tài)無線充電的情況下得到極大的減少，使車體的重量減輕，降低了運(yùn)行車本。電動汽車無線沖電的概念如圖1所示。

1.1 電動汽車感應(yīng)式無線充電技術(shù)

圖1 電動汽車無線充電概念

在手機(jī)、牙刷、筆記本、MP3無線充電當(dāng)中，感應(yīng)式無線充電技術(shù)已經(jīng)開始被運(yùn)用。較短的傳輸距離是較少使用電動汽車的主要原因[2]。美國工業(yè)協(xié)會按功率將電動汽車的感應(yīng)充電系統(tǒng)分為應(yīng)用于1～3kW的小功率充電器、5～25kW中等功率的充電器、75～300kW的快速充電器或充電柜三個(gè)等級。

在部分電動汽車充電系統(tǒng)當(dāng)中已經(jīng)成功的將感應(yīng)式無線充電技術(shù)運(yùn)用到其中，比如通用汽車公司的EV1，在地面以下埋入發(fā)射系統(tǒng)，一般在汽車地盤上安裝接收線圈，而且接收線圈應(yīng)該和發(fā)射線圈發(fā)生感應(yīng)耦合，起著和可分離變壓器一樣的作用，電能進(jìn)行無線傳輸是通過線圈間的高頻電磁場進(jìn)行的，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電動汽車感應(yīng)式無線充電基本結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)工作的原理是：首先高頻交流電通過電網(wǎng)而產(chǎn)生的工頻交流電再經(jīng)過整流和逆變轉(zhuǎn)變而成，電流通過補(bǔ)償電路到達(dá)原邊發(fā)射圈，并在線圈當(dāng)中產(chǎn)生高頻電磁場，電動汽車上的接收線圈通過電磁場吸收來自原邊的電能，之后再經(jīng)過高頻整流、電池管理電路等環(huán)節(jié)，最終給負(fù)載電池充電。另外，可通過反饋控制使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)[3]。

工作頻率較低是感應(yīng)式無線充電技術(shù)的特點(diǎn)之一，一般在幾十到幾百kHz之間，可以實(shí)行kW級功率無線傳輸，近距離傳輸?shù)臅r(shí)候可以達(dá)到90%以上的傳輸功率。因此，將其使用到電動汽車上的日子已不久遠(yuǎn)。

1.2 電動汽車諧振式無線充電技術(shù)

在2007年時(shí),MIT的研究人員就提出諧振式無線充電技術(shù)是基于電磁諧振無線電能傳輸?shù)模浠舅枷霝橥ㄟ^電磁場，兩個(gè)一樣的自諧振頻率的線圈可以實(shí)現(xiàn)高效傳能，但是磁場基本不會影響到頻率不一樣的物體。隨后就將其運(yùn)用到了電動汽車無線充電的實(shí)驗(yàn)中，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電動汽車諧振式無線充電基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的電能可以由電網(wǎng)吸收到，工頻交流電經(jīng)過整流濾波和高頻逆變可以產(chǎn)生高頻交流電，再經(jīng)阻抗匹配電路和功率放大電路傳送到發(fā)射線圈，當(dāng)出現(xiàn)一樣的自諧振頻率和射線圈的系統(tǒng)頻率，發(fā)射線圈就出產(chǎn)生最大的電流，磁場也最強(qiáng)；這時(shí)候，如果接線圈有一樣的自諧振頻率，禍合就會通過磁場產(chǎn)生，高效傳輸就能得以實(shí)現(xiàn)。負(fù)載電池的充電可以由接收線圈中的電能經(jīng)調(diào)節(jié)電路和整流濾波進(jìn)行。并且，保證整個(gè)系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性可以通過反饋控制環(huán)節(jié)得以實(shí)現(xiàn)。

諧振式WPT有較遠(yuǎn)的傳輸距離、對范圍較小的位置變化不敏感、高傳輸頻率等優(yōu)點(diǎn)[4]。但同樣也存在的很多問題，如較高的頻率對電路有著較高的要求；還不能明確知道是否對人體有害；受周圍磁性物質(zhì)的影響較大等。

2. 電動汽車無線充電技術(shù)應(yīng)用情況

現(xiàn)階段，研究電動汽車的無線充電技術(shù)已在國外多個(gè)國家中如火如荼的進(jìn)行著，而最早開始對其進(jìn)行研究的國家有日本、英國和美國等?；诖殴舱竦某潆娤到y(tǒng)最早于2009年8月，由日木長野無線公司所開發(fā)，可以保證在6毫米的傳輸距離內(nèi)傳送效率可以到達(dá)90%。在2010年11月英國Halo IPT公司將一種新型無線充電系統(tǒng)開發(fā)了出來，利用感應(yīng)電荷的原理，在道路的瀝青下面藏入電源板，這樣不僅有利于減少電源板的磨損，使其得到有效的保護(hù)，同時(shí)惡劣天氣也不會影響到它。在2011年11月,日本IHI株式會社對美國WiTricitv公司磁共振無線供電技術(shù)進(jìn)行了采用，研發(fā)出電動汽車無線充電系統(tǒng)，并已被運(yùn)用到實(shí)際中。該系統(tǒng)可以在傳輸距離為20cm時(shí)實(shí)現(xiàn)3.3kW的充電輸出功率，充電的效率可以達(dá)到90%以上。在2013年5月，美國斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組研究出了一種電動汽車移動充電系統(tǒng)，其充電可以在汽車行駛的過程中進(jìn)行，充電效率高達(dá)97%。

3. 發(fā)展趨勢

3.1 技術(shù)發(fā)展趨勢

對電力電子控制算法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化和創(chuàng)新。功放電路和調(diào)諧（補(bǔ)償）網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和創(chuàng)新，以及改進(jìn)控制方法是提高無線充電系統(tǒng)性能的保障[5]。研發(fā)出高功率因素，低匹配難度、低輸入阻抗的電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、更加穩(wěn)定和精確的控制方法，對無線充電系統(tǒng)偏移裕度、電能傳輸效率和電路運(yùn)作穩(wěn)定性的提高有著尤為重要的意義。公眾最為關(guān)注的問題就是生物的安全性，無線充電系統(tǒng)要想實(shí)現(xiàn)廣泛的推廣和使用，就必須大力研究安全的無線通用性和智能性的電磁輻射防護(hù)方法。

通過對一些先進(jìn)材料引入，如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的損耗降至最低，有效提高電能傳輸效率，目前，充電過程能量損耗的進(jìn)一步降低因磁電層狀復(fù)合材料超導(dǎo)材料和超常規(guī)電磁材料等新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用變?yōu)榱丝赡埽彩篃o限充電系統(tǒng)傳輸性提供了更寬闊的空間。

3.2 應(yīng)用趨勢

汽車行進(jìn)狀態(tài)充電技術(shù)。電動車的蓄電能力密度低、存儲的能力少，而此技術(shù)可以將電能發(fā)射圈直接藏在道路基面之下，使汽車在行駛的過程中依然能夠進(jìn)行充電，進(jìn)而讓汽車能夠行使更長的時(shí)間，使之里程數(shù)也進(jìn)一步增加；將無線充電技術(shù)結(jié)合自動巡航、自動泊車等輔助駕駛技術(shù)，可以使無線充電效果和整車駕駛性能得到提高；V2H車輛到住宅、V2X車輛到電網(wǎng)等雙向電能傳輸。通過結(jié)合電動汽車和電網(wǎng)智能，能夠使削峰填谷的電能調(diào)控作業(yè)得到最大化的發(fā)揮，讓電動汽車成為智能化移動儲能裝置，充分發(fā)揮其各項(xiàng)性能[6]。

4. 電動汽車無線充電技術(shù)遇到的技術(shù)瓶頸

4.1 充電效率問題。

從效率的數(shù)值上看，和充電效率為95%的插入式充電相比，90%充電效率的無線充電，在實(shí)際應(yīng)用中，用戶并不能明顯的感受到無線充電的充電效率帶來的優(yōu)勢。

4.2 缺少統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)階段，全世界無線電能傳輸技術(shù)主要有：PMA、WPC和A4WP。但這三大標(biāo)準(zhǔn)都有很大的局限性，只能支持小功率的移動終端充電，還沒有確立電動汽車無線電能傳輸技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 kHz 和MHz 的頻率范圍和無線充電系統(tǒng)中高頻線圈參數(shù)，因受到線圈尺寸和兩線圈之間充電距離的影響，其優(yōu)化難度較大。

4.4 最大的難題是線圈的建設(shè)成本。

由于基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏，要將該項(xiàng)技術(shù)真正的運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中，也只能在某些高端品牌的高端車型上運(yùn)用。然而，就算電動汽車用戶因?yàn)闊o線充電體驗(yàn)到了其便利所在，但將其進(jìn)行廣泛的推廣使用還要看供應(yīng)商是否買賬；停車場線圈建設(shè)。要在公路或停車場建設(shè)無線充電，線圈必須在修建之前就埋到地下。對于已經(jīng)修建好的公路和停車場，不可能因?yàn)橐窬€圈就將其全部進(jìn)行重修，這種方式，將使建設(shè)成本極大的提高，不是很現(xiàn)實(shí)。

5. 結(jié)束語

電動汽車無線充電比有線充電更加方便、安全和可靠，沒有機(jī)械損害，更容易維護(hù)。從上文可以看出，在電動汽車無線充電技術(shù)中，電磁感應(yīng)式和電磁共振式這兩種方式最為適合，各研究機(jī)構(gòu)可以對這兩種方式進(jìn)行重點(diǎn)研究，以此作為突破點(diǎn)。與此同時(shí)，還需在研究電動汽車與相關(guān)產(chǎn)業(yè)上，加大投入，對電動企業(yè)予以大力發(fā)展，縮短我國汽車行業(yè)同他國的差距，在電動汽車領(lǐng)域中占據(jù)一席之地。

最后要對領(lǐng)導(dǎo)和同事們對我這次關(guān)于電動汽車無線充電技術(shù)的研究進(jìn)展大力支持表示感謝，同時(shí)還要感謝珠海銀隆新能源有限公司相關(guān)技術(shù)人員對這篇論文的技術(shù)指導(dǎo)，感謝客戶服務(wù)中心、電動汽車運(yùn)營部在我完成技術(shù)論文時(shí)留下的大量工作，以及論文撰寫過程中慷概給予的相關(guān)技術(shù)資料。

＊ [1]王振亞,王學(xué)梅,張波,丘東元. 電動汽車無線充電技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 電源學(xué)報(bào),2014,03：27—32.

＊ [2]高大威,王碩,楊福源. 電動汽車無線充電技術(shù)的研究進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2015,04：314—327.

＊ [3]趙爭鳴,劉方,陳凱楠. 電動汽車無線充電技術(shù)研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2016,20：30—40.

＊ [4]趙興福,魏健. 電動汽車無線充電技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 上海汽車,2012,06：3—6+21.

＊ [5]張鑫,賈二炬,范興明. 電動汽車無線充電技術(shù)研究與應(yīng)用探討[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2017,01：148—151+155.

＊ [6]劉崇凱,羅康駿. 電動汽車無線充電技術(shù)探討[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2015,07：98—99.