無線充電技術(shù)及其在電動汽車方面的應(yīng)用探討

陸鈞、徐松

（中海陽能源集團(tuán)股份有限公司 102200)

0 引言

我國的電動汽車發(fā)展速度比較快，作為環(huán)保的新能源汽車，其中有著不同的類型，如動力電池電動汽車以及燃料電池電動汽車等。燃料電池電動汽車在未來會成為電動汽車發(fā)展的重要方向，但當(dāng)前還處在研發(fā)階段，在成本上是比較高的。電動汽車中無線充電技術(shù)屬于高新技術(shù)，對電動汽車的整體發(fā)展也有著促進(jìn)作用。

1 我國無線充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及傳輸技術(shù)類型

1.1 我國無線充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前全球?qū)σ淮涡阅茉吹拇蠓壤?，所造成的?fù)面影響也是比較突出的，如氣候變暖以及環(huán)境污染等，這些都影響著經(jīng)濟(jì)可持續(xù)健康發(fā)展。近些年電動汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，有諸多汽車廠商發(fā)出油電混合動力以及純電動汽車的發(fā)展呼聲，電動汽車的發(fā)展是未來汽車發(fā)展的重要方向，但是動力電池容量以及充電模式和效率等，成為電動汽車發(fā)展的制約因素[1]。電動汽車?yán)m(xù)航里程比較有限，而充電時間比較長，對于中長距離行駛有著諸多不便。從充電技術(shù)來看，無線充電技術(shù)的發(fā)展是比較快的，這一技術(shù)是以磁場為媒介，不通過輸電電纜就能進(jìn)行電能傳輸，有著安全、可操作強(qiáng)及智能化的鮮明特征。

我國在無線充電技術(shù)發(fā)展方面已經(jīng)有了新的進(jìn)展，清華大學(xué)等理工科學(xué)校以及相關(guān)的科研單位，把科研的力量投入到新行業(yè)中。重慶大學(xué)的無線充電研究組分析了變壓器結(jié)構(gòu)與電能傳輸效率間的關(guān)系，對傳輸中保持功率輸出最大值問題進(jìn)行了相應(yīng)的探究。從對無線充電技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀看到，在這一方面已經(jīng)有愈來愈大的力量加入[2]。我國在無線充電技術(shù)的研究發(fā)展，相對于日本以及歐美等發(fā)達(dá)國家來說是比較晚的，但可喜的是，已經(jīng)有了研究案例，并且在案例的數(shù)量上也在不斷增加。

1.2 無線充電技術(shù)類型

無線充電技術(shù)有著不同的類型，電磁感應(yīng)式的無線充電技術(shù)就是比較突出的類型。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是導(dǎo)體處在變化的磁通量中產(chǎn)生電動勢，把導(dǎo)體閉合成回路，電動勢就會使得電子流動形成感應(yīng)電流。耦合器是電能傳輸?shù)闹匾b置，除傳輸電能主電路外也有控制電路。無線輸電的方式，一次側(cè)回路產(chǎn)生電磁波并向整體空間擴(kuò)散，二次側(cè)回路在這一頻率諧振，從而把能量加以拾取。

磁場共振充電技術(shù)也是無線充電技術(shù)中的一個重要類型。磁耦合共振式無線充電是通過磁耦合共振原理實(shí)現(xiàn)的，感應(yīng)場當(dāng)中輻射源附近和內(nèi)部間磁場能量反復(fù)傳遞。利用這一現(xiàn)象就可通過電磁共振技術(shù)制作系統(tǒng)發(fā)射裝置，附近空間聚集了沒有向外界輻射的大量交磁，系統(tǒng)當(dāng)中電容就能夠約束電場。磁耦合共振式電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由多個部分組成的，其中的發(fā)射線圈以及處理電路等都是重要組成部分[3]。

電磁共振無線電能傳輸裝置能高效傳輸電能，損失能量比較小，傳輸?shù)墓β蚀笮∫约熬嚯x等也比較優(yōu)化。如圖1所示為磁耦合共振電能傳輸系統(tǒng)。無線充電裝置當(dāng)中比較注重傳輸功率大小，在對共振式無線充電技術(shù)的研究中就要以基本兩線圈模型為基礎(chǔ)探究，線圈匝數(shù)減少半徑增大，系統(tǒng)最大傳輸距離會增大。

圖1 磁耦合共振電能傳輸系統(tǒng)

除此之外，無線充電技術(shù)類型中的電波式無線充電技術(shù)也是比較關(guān)鍵的類型。技術(shù)應(yīng)用過程中，電能通過調(diào)整電路處理后采用發(fā)射天線送出，接收天線收到微波信號后通過整流濾波檢測環(huán)節(jié)把電能供給負(fù)載。無線充電技術(shù)的類型不同應(yīng)用的效果也是有所不同，電磁感應(yīng)無線充電技術(shù)對傳輸距離有著較高要求；電磁共振無線充電技術(shù)損耗比較小，輸出功率較高。

2 電動汽車應(yīng)用無線充電技術(shù)的可行性以及應(yīng)用和發(fā)展趨勢

2.1 電動汽車應(yīng)用無線充電技術(shù)的可行性

當(dāng)前我國在電動汽車領(lǐng)域的發(fā)展比較迅速，電動汽車維持運(yùn)動的電能來自動力電池，電動汽車自身的能耗大，電能消耗的也相對較快。但是當(dāng)前動力電池容量是比較有限的，對于中長距離的行駛優(yōu)勢不大，這就需要在動力電池的電能快要耗盡時，進(jìn)行及時的充電才能繼續(xù)行駛。當(dāng)前常用的充電樁是把電網(wǎng)交流電進(jìn)行逆變處理，從而傳輸?shù)絼恿﹄姵刂?，變流器直接引入會對電網(wǎng)形成相應(yīng)沖擊，也會對電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，充電速度也較慢，這是阻礙電動汽車發(fā)展的一個重要因素[4]。

而在無線充電技術(shù)的應(yīng)用下，能夠通過不同的無線充電技術(shù)，在不通過電纜的情況下來完成汽車充電?？梢栽谌魏窝b有無線充電裝置的地方實(shí)現(xiàn)汽車充電，也能在電動汽車行駛的過程當(dāng)中充電，這就有助于提高汽車?yán)m(xù)航里程和利用效率。通過無線充電技術(shù)的應(yīng)用，能避免拆卸及安裝動力電池對汽車造成的傷害，也避免了充電時人為接觸所造成的危險事件。

2.2 電動汽車應(yīng)用無線充電技術(shù)應(yīng)用

電動汽車應(yīng)用無線充電技術(shù)過程中，要和實(shí)際的需要相結(jié)合。我國的電動汽車研發(fā)速度較快，東北電力大學(xué)的研究人員已經(jīng)搭建了電動汽車無線充電系統(tǒng)，系統(tǒng)電量存儲能夠達(dá)到5.5 kW。無線充電技術(shù)的應(yīng)用雖然取得了一定成果，但依然還存在著不足，比如傳輸距離最少不能低于20 cm，電磁感應(yīng)的無線充電技術(shù)應(yīng)用傳輸?shù)木嚯x在15 cm之內(nèi)等。所以對于傳輸距離又進(jìn)行了深度的研究，提出通過脈寬調(diào)變控制來使得電動汽車傳輸距離控制在12～20 cm。甚至有研究人員通過線圈直接增加的方式，實(shí)現(xiàn)了無線充電技術(shù)的傳輸距離20 cm的目標(biāo)[5]。

在進(jìn)行磁芯線圈參數(shù)設(shè)置時，相關(guān)人員要在系統(tǒng)傳輸、成本和空間大小等層面加強(qiáng)重視，保障科學(xué)的設(shè)計。當(dāng)前的大功率、高效能系統(tǒng)的設(shè)計還是無線充電技術(shù)的難題。西南大學(xué)的研究工作者提出一種磁芯新結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)能保障系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。而美國在研究時，通過使用方形圓角線圈方式來實(shí)現(xiàn)無線充電技術(shù)的千瓦級別無線傳輸?shù)哪康摹?/p>

另外，電動汽車中采用的磁耦合共振式無線充電技術(shù)也是存在著一些不足之處，主要是頻率失諧以及分裂質(zhì)量問題。在解決這些問題方面，華南理工大學(xué)的相關(guān)研究工作者，覺得造成失諧的最大原因是受到外界電磁場以及系統(tǒng)傳輸距離和溫度等方面的影響，從而使得等效電感應(yīng)發(fā)生了變化。因此提出要對輸入端電壓電流進(jìn)行多次檢測數(shù)據(jù)記錄，來了解誤差電壓，通過誤差電壓來控制調(diào)節(jié)壓控振蕩器，系統(tǒng)就能處在磁耦合共振狀態(tài)。

國外在對此問題進(jìn)行研究時，提出擾動分析方法，對初始工作的頻率進(jìn)行詳細(xì)分析，通過補(bǔ)償?shù)业揭欢üぷ黝l率，基礎(chǔ)條件是要滿足傳輸?shù)念l率。

電動汽車中運(yùn)用無線充電技術(shù)也要從幾個重要的方面進(jìn)行充分考慮，在充電地點(diǎn)的選擇方面更要加強(qiáng)重視力度。無線充電技術(shù)對被充電設(shè)備的距離以及充電狀態(tài)均有要求，距離不能過大，兩者沒有相對運(yùn)動，不然電能無法穩(wěn)定進(jìn)行有效傳輸。充電位置只能是汽車停留地點(diǎn)，也就是停車場以及路口等位置[6]。選擇充電方式的時候要從不同的無線充電技術(shù)類型當(dāng)中選擇最佳的方式（圖2）。電磁感應(yīng)式的無線充電技術(shù)需要的距離小，無線電波充電效率低，最佳的就是電磁共振無線充電技術(shù)類型，在充電的距離以及效率等方面都能滿足實(shí)際的需要。最后在動力電池的選擇過程中也要加以重視，電動汽車在城市中能隨時充電，要選擇無污染以及沒有記憶效能的動力電池充電。

圖2 幾種無線充電技術(shù)應(yīng)用對比

2.3 電動汽車應(yīng)用無線充電技術(shù)發(fā)展趨勢

電動汽車應(yīng)用無線充電技術(shù)是未來的發(fā)展趨勢，在發(fā)展過程中就要從多方面進(jìn)行支持。國家方面需要有相應(yīng)政策來扶持無線充電汽車的發(fā)展，以及相應(yīng)充電設(shè)施建設(shè)，行業(yè)與企業(yè)的發(fā)展也需要國家的大力支持。尤其是電動汽車無線充電技術(shù)發(fā)展還處在初期階段，這就需要從多方面加強(qiáng)重視，解決發(fā)展當(dāng)中的瓶頸問題。不管是采取哪種方式進(jìn)行充電或采用哪種動力電池，都要從頻率、安全和環(huán)保節(jié)能等方面加強(qiáng)重視（圖3）。

圖3 電動汽車無線充電模擬圖

3 結(jié)束語

無線充電技術(shù)的應(yīng)用是趨勢，需要在技術(shù)研究方面加大投入力度，做好基礎(chǔ)性的研究工作。由于當(dāng)前我國的無線充電技術(shù)還處在初期發(fā)展階段，在研究過程中還存在著諸多的問題需要解決，這就需要多方面力量的支持。推動電動汽車無線充電技術(shù)的發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的關(guān)鍵。