電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)研究與應(yīng)用分析

李紅梅 趙璐銘 胡怡先 張?jiān)评? 蔣小燕 鐘佳薇

摘 要：為了節(jié)約能源消耗，降低對環(huán)境的污染，近年來，世界各國及各大汽車企業(yè)加大了對電動(dòng)汽車的投入和研究，電動(dòng)汽車市場亦日趨繁榮，但目前仍存在許多關(guān)鍵性技術(shù)問題亟待解決，其中與續(xù)航里程相關(guān)的無線充電技術(shù)因其操作便捷、公共占地面積小、安全隱患少等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。文章主要就電動(dòng)汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的充電方式及市場應(yīng)用方式進(jìn)行了比較分析，得出不同電動(dòng)汽車使用場景所適宜的無線充電方式。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;充電方式;無線充電;技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-34-04

Research and application analysis of wireless charging technology for electric vehicle

Li Hongmei， Zhao Luming， Hu Yixian， Zhang Yunli， Jiang Xiaoyan， Zhong Jiawei

（ Chengdu Normal University， College of Physics and Engineering， Sichuan Chengdu?611130?）

Abstract：?To?save energy consumption and reduce environmental pollution， in recent years， countries?around the world and major automobile enterprises?have increased investment and research of electric vehicles， and?its market has become increasingly prosperous. However， there are still many critical?technical problems to be solved， among which wireless charging technology related to?the cruising range has attracted wide attention on account of its advantages of convenient operation， small public area，?and less potential safety risks. In this paper， we principally compare and analyze the current situation of the development of electric vehicles in domestic?and abroad， the charging mode of electric vehicle wireless charging technology，?as well as its market application， obtaining?the appropriate wireless charging mode for different electric vehicles use?scenarios.Keywords：?Electric vehicle;?Charging mode; Wireless charging;?Technology applicationCLC NO.：?U469.7 ?Document Code： A??Article ID： 1671-7988（2020）10-34-04

1 電動(dòng)汽車發(fā)展?fàn)顩r分析

電動(dòng)汽車從技術(shù)狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)原理來講主要有燃料電池汽車、混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車三類。隨著環(huán)境惡化和能源短缺，近年來，全球各國均加快了對電動(dòng)汽車的研發(fā)進(jìn)程，電動(dòng)汽車正朝著產(chǎn)業(yè)化方向邁進(jìn)。

1.1?國外電動(dòng)汽車發(fā)展?fàn)顩r

到目前為止，美國政府已向汽車廠商和其他技術(shù)廠商出資數(shù)百億美元來推動(dòng)電動(dòng)汽車核心技術(shù)研發(fā)^[1]。截至2019年，美國電動(dòng)汽車保有量達(dá)146萬。此外，歐盟、日本的電動(dòng)汽車市場發(fā)展也位居全球電動(dòng)汽車市場前列。之所以國外電動(dòng)汽車發(fā)展的態(tài)勢較為迅猛，是因?yàn)檠邪l(fā)出了較多的核心技術(shù)。2010年，英國Halo IPT公司通過為雪鐵龍的電動(dòng)汽車車安裝接收墊，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車的無線充電技術(shù)的應(yīng)用，并已在2012年投入商用^[2]。2013年，兩條長24KM，傳輸效率達(dá)85%的電動(dòng)公交線路在韓國龜尾市投入運(yùn)行。2016年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)將20kW的無線充電系統(tǒng)的充電效率提至90%的基礎(chǔ)上，使充電速度也提升為常規(guī)插電式電動(dòng)汽車設(shè)備的3倍^[3]。

1.2 國內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)展?fàn)顩r

在“十五”和“十一五”期間，以節(jié)能環(huán)保、提高汽車工業(yè)競爭力和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略格局為出發(fā)點(diǎn)，我國先后啟動(dòng)了“863”計(jì)劃、“節(jié)能與電動(dòng)汽車重大項(xiàng)目”等，同時(shí)投入近20億元推動(dòng)電動(dòng)汽車核心技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域發(fā)展;在“十二五”和“十三五”期間，我國圍繞著電動(dòng)汽車技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展兩個(gè)主要方面，堅(jiān)持“三縱三橫”的技術(shù)體系，逐漸完善電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。在截至2019年，我國電動(dòng)汽車保有量已達(dá)到344萬輛。近年來，我國在電動(dòng)汽車的總成集成、核心部件研發(fā)及整車系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展的跨越^[1]。目前，我國已有30多個(gè)城市開通無線充電公交線路^[4]。

近年來，國內(nèi)外的電動(dòng)汽車銷量、全球與國內(nèi)的電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)基本專利申請量和公開量，專利申請人數(shù)量及專利族數(shù)量的對比分析如圖1、圖2、圖3所示。

從圖1可得，從2014年到2019年，國內(nèi)外電動(dòng)汽車銷量大體呈上升趨勢。2018年，國內(nèi)電動(dòng)汽車銷量已超過國外;2019年，國內(nèi)銷量雖有下降的趨勢，但預(yù)測在2020年，國內(nèi)電動(dòng)汽車銷量會持續(xù)上升突破500萬^[5]。

從圖2可得，國內(nèi)的基本專利申請量和公開量與全球的趨勢大體相同。從1986年到2018年，大體呈現(xiàn)上升的趨勢，但在2015年有下降的趨勢，在2016年到2018年增勢達(dá)到平穩(wěn)的階段;

圖3表明，從1967年到2014年，我國的申請人數(shù)量和專利族數(shù)量快速增長，2016年到2018年增勢較為平緩，總體上呈現(xiàn)出與全球水平相差逐年減小的狀態(tài)。

綜上所述，國內(nèi)外電動(dòng)汽車銷售趨勢與無線充電技術(shù)申請專利的數(shù)量和發(fā)表專利的人的數(shù)量整體趨勢均為逐年上升，同時(shí)也表現(xiàn)了無線充電技術(shù)作為電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)的重要性和待更進(jìn)一步研發(fā)的局面。

2 無線充電技術(shù)

無線電力傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式有三種：電磁感應(yīng)式、磁場共振式、與微波傳輸式。

2.1 電磁感應(yīng)式

該種充電方式的主要工作原理是：能量的發(fā)射端與接收端各設(shè)有一個(gè)線圈，同時(shí)利用置于地面下的初級線圈來產(chǎn)生交變電流。線圈隨即產(chǎn)生交變磁場來感應(yīng)置于車輛底部的次級線圈，此時(shí)線圈產(chǎn)生交變磁場，從而使次級產(chǎn)生交流電。這時(shí)接收端將收到由發(fā)射端產(chǎn)生的能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。磁感應(yīng)能量耦合一般會采用鐵氧體磁芯，這樣可以在很大程度上提高線圈間的耦合系數(shù)，提高無線傳輸效率^[6]。沃爾沃C30電動(dòng)汽車正是運(yùn)用了此種充電技術(shù)來實(shí)現(xiàn)續(xù)航：電能由置于路面內(nèi)的充電板通過無線傳輸?shù)姆绞捷斔徒o汽車的蓄電池^[7]。但是電磁感應(yīng)式具有較高的對位敏感度，即當(dāng)實(shí)際停車位置與預(yù)定位置出現(xiàn)較大偏差時(shí)，會導(dǎo)致發(fā)送端與接收端之間出現(xiàn)不可忽略的誤差，進(jìn)一步嚴(yán)重影響電力的傳送效率。因此，怎樣在停車時(shí)保證橫、縱兩個(gè)方向的偏差控制在200-300mm范圍內(nèi)，同時(shí)又能滿足較高的充電效率與傳輸效率，是目前無線充電行業(yè)需要致力攻克的難題。

2.2 磁場共振式

磁場共振式的充電技術(shù)的工作原理與電磁感應(yīng)式工作原理大致相同，其區(qū)別在于后者的初級線圈和次級線圈使用相同的共振周波，即諧振。將發(fā)射圈和接收圈的頻率設(shè)為相同的值，同樣在接收端產(chǎn)生電流，從而實(shí)現(xiàn)能量傳輸。相比于上文提及的電磁感應(yīng)式，磁場共振的輸出功率大大降低，傳送距離變長，充電效率更高。在實(shí)際應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離的傳輸，短則幾厘米，長則幾米。能量的發(fā)射端及接收端都可以采用密封的結(jié)構(gòu)，對于暴雨、下雪等惡劣天氣下進(jìn)行充電也是比較安全可靠的。還有區(qū)別于磁感應(yīng)式的一點(diǎn)是，這類充電方法的線圈對位精準(zhǔn)度要求不是很高，在一定的誤差內(nèi)仍能滿足充電需求，這就有利于充電的設(shè)備的建立，所以磁場共振式適用于一般情況下的新能源電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)充電續(xù)航。但其充電方式的損失耗能相對較大。

2.3 微波傳輸式

微波無線充電技術(shù)的工作原理是將汽車運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成微波信號，隨之通過一定的發(fā)送裝置進(jìn)行發(fā)送信號，然后轉(zhuǎn)換裝置來轉(zhuǎn)化微波信號，將期間產(chǎn)生的電能儲存在汽車的電池中。這種方式的充電部分和接收部分都采用2.45GHz的微波信號，輸出功率只有1KW。但是它的傳輸距離可達(dá)1000mm，相較前兩種充電技術(shù)在這一點(diǎn)就有著明顯的優(yōu)勢，加之微波的波長較短，因此微波傳輸式一般可用于長距離的定向傳輸^[7]。但遺憾的是由于輸出功率很低，微波傳輸?shù)膫鬏斔俣嚷ǘ屋^窄，致使微波傳輸?shù)某潆娦手挥?8%，遠(yuǎn)低于電磁感應(yīng)式及磁場共振式的充電效率，所以這種方式一般不適宜在電動(dòng)汽車無線充電的領(lǐng)域來廣泛使用。

通過對以上三種充電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析，可以看出其不同技術(shù)在不同領(lǐng)域的優(yōu)勢，表1對上述三種方法給出了對比^[7]。

3 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)應(yīng)用

電動(dòng)汽車中運(yùn)用無線充電技術(shù)需要從充電方式、成本、安全等多方面進(jìn)行充分考慮，在充電地點(diǎn)的選擇問題更要加強(qiáng)重視力度。充電設(shè)備設(shè)置的距離選擇以及充電的具體狀態(tài)都需要認(rèn)真思慮：若電動(dòng)汽車與充電端的距離過大，兩者之間沒有相對運(yùn)動(dòng)，將會導(dǎo)致電能不能穩(wěn)定、有效地傳輸。所以本小節(jié)將圍繞無線充電技術(shù)的具體應(yīng)用及場景來展開介紹。

3.1 停車充電技術(shù)的應(yīng)用

這種方式即為使汽車在停車時(shí)進(jìn)行充電，類似于傳統(tǒng)的充電方式。汽車可以在特定的位置靜止充電，比如路邊停車，停車場停車以及路口等待交通燈等駐車方面。這種方式更加廣泛應(yīng)用于小型私家車：因?yàn)樾⌒退郊臆囍饕猛緸檐囍魃舷掳嗷蛘咦择{游，長時(shí)間停車的位置一般是公司附近、住宅停車場等，所以可以利用這些停車時(shí)間段來實(shí)現(xiàn)對車輛的續(xù)航。

3.2 站點(diǎn)充電技術(shù)的應(yīng)用

隨著新能源汽車的普及，公交車由原來的汽油或柴油驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換成了電能驅(qū)動(dòng)。截止2019年底，全國城市公交車電動(dòng)化比例已超過半成。但由于公交車屬于營運(yùn)性質(zhì)的車輛，每天行駛時(shí)間較長，同時(shí)受車載電池體積的影響，公交車的充電需求較高，因此24小時(shí)內(nèi)至少要對電動(dòng)公交車進(jìn)行一次快速充電，并且每次充電所需時(shí)間大約為2-3小時(shí)^[9]，所以公交車可以在每天營運(yùn)前或者前一天營運(yùn)結(jié)束后在固定站點(diǎn)進(jìn)行續(xù)航。這樣，既能省下到特定的能量補(bǔ)給站蓄能的時(shí)間，又能減少一定的占位空間，還能縮減建設(shè)特定充電站的成本費(fèi)用。因此，站點(diǎn)充電技術(shù)具有很強(qiáng)的可行性。

3.3 動(dòng)態(tài)充電技術(shù)的應(yīng)用

除了公交車、出租車等轉(zhuǎn)為電能續(xù)航外，公路客車電動(dòng)化也加入其中。截止2018年底，客車電動(dòng)化進(jìn)程較慢，僅占市場的3%，但是未來發(fā)展?jié)摿艽?。目前較為普遍存在的充電技術(shù)為靜態(tài)充電，但針對客車行駛時(shí)間較長的特點(diǎn)，一次性飽和充電難以實(shí)現(xiàn)正常的營運(yùn)要求。所以動(dòng)態(tài)無線充電的需求便凸顯而出，比如電動(dòng)客車在高速公路上行駛的同時(shí)能從地面上得到一定的電能反饋到車身電池，給車輛續(xù)航。這樣一來不僅可以在極大程度上節(jié)約了駐車充電的時(shí)間，還能提高營運(yùn)效率。但是，動(dòng)態(tài)充電技術(shù)在成本上投入較大，需要將無線通信技術(shù)、實(shí)時(shí)控制技術(shù)以及定位傳感技術(shù)有效的結(jié)合^[10]。目前，雖然實(shí)現(xiàn)該技術(shù)較大發(fā)展的可能性較小，但動(dòng)態(tài)技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)勢必定會是電動(dòng)汽車行業(yè)未來重點(diǎn)研究的方向。

表2對充電技術(shù)的三種應(yīng)用方式給出了具體的分析對比：

綜上所述，無線充電技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，不同類型的車輛所適宜的充電場景隨之不同，良好的技術(shù)應(yīng)用能夠極大程度地推動(dòng)城市的電動(dòng)化進(jìn)程。

4 結(jié)語

本文主要針對電動(dòng)汽車的無線充電技術(shù)進(jìn)行了研究，通過對國內(nèi)外電動(dòng)汽車的發(fā)展進(jìn)行趨勢分析，引入無線充電技術(shù)，并對三種典型的無線充電方式的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行對比且對不同的應(yīng)用場景進(jìn)行了具體討論。現(xiàn)階段，電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)朝著智能化、靈活化以及效率化的方向發(fā)展。為迎合我國新能源發(fā)展的需要，充電技術(shù)的應(yīng)用是不可缺少的研究范疇，可針對不同的電動(dòng)汽車、不同的駕駛場景制定出適宜且愈加完善的充電方案。

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