無線充電技術(shù)在電動自行車領(lǐng)域的應(yīng)用探討

方宏強(qiáng)，劉國巍，王 飛，劉思遠(yuǎn)，閆 崇

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

1 引言

隨著“碳達(dá)峰，碳中和”理念的提出，以風(fēng)能、太陽能為代表的清潔能源開始受到廣泛關(guān)注。除了可再生能源代替化石能源外，以電能為代表的二次能源代替化石能源也開始成為人們關(guān)注的熱點。當(dāng)前，電動自行車開始成為民眾短途出行的首要選擇，而電動自行車類似于其他電能出行工具一樣都有著續(xù)航里程短的缺點。如果想要提高電動自行車的普及率，關(guān)鍵技術(shù)則在于完善電動自行車的充電設(shè)備。目前電動車充電主要以有線充電樁為主，隨著電動自行車的普及，勢必要增加有線充電樁的數(shù)量。而在城市建設(shè)大規(guī)模的有線充電樁成本巨大。完善電動自行車充電設(shè)施除了增設(shè)有線充電樁外還可以對電動自行車的充電方式進(jìn)行創(chuàng)新。無線充電與傳統(tǒng)的有線充電方式相比較有著安全，便捷等優(yōu)點[6～10]。文獻(xiàn)[6]～[10]中分析了能源以及無線充電發(fā)展技術(shù)的前景，筆者認(rèn)為電動自行車領(lǐng)域的無線充電技術(shù)將會是未來發(fā)展的熱點之一。

2 無線充電技術(shù)原理

無線充電技術(shù)源于無線電能傳輸技術(shù)。無線電能傳輸技術(shù)是19世紀(jì)后期由著名科學(xué)家特斯拉提出的，其原理是利用電磁耦合理論實現(xiàn)電能的非接觸式傳輸。根據(jù)能量傳輸方式主要可將其分為四類，分別是電場耦合、電磁感應(yīng)、磁共振以及無線電波傳能方式[11，12]。

2.1 電場耦合傳能方式

電場耦合式無線充電，是通過兩者之間一種垂直的方式進(jìn)行非對稱的偶極子來產(chǎn)生電流的傳輸。這種充電方式轉(zhuǎn)換率極高，兩者的位置也可以不用固定，但其最大的缺點是設(shè)備體積大，功率也無法做的很大[13，14]。

2.2 電磁感應(yīng)傳能方式

電磁感應(yīng)無線充電其主要利用的就是電磁感應(yīng)原理。將電能轉(zhuǎn)換為磁場再通過磁通的變化使得用電設(shè)備獲得電能。這種傳輸結(jié)構(gòu)在成本上比較低，體積也較小。但是其最大的缺點就是傳輸距離小，容易造成能量的損耗[15，16]。電磁感應(yīng)技術(shù)是目前無線充電領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的充電方式。

2.3 磁共振傳能方式

磁共振傳能方式也是無線充電發(fā)展過程中十分重要的一種方式。其原理是電能的發(fā)射端與接收端處于同一諧振頻率，適用于遠(yuǎn)距離的電能傳輸。而且在理論上可以實現(xiàn)一對多充電。但是其傳輸?shù)膿p耗也是十分巨大的，而且充電效率也有待提高[17，18]。

2.4 無線電波傳能方式

無線電波傳能方式是將微波變?yōu)殡娔軅鞑サ慕橘|(zhì)來實現(xiàn)電能的傳輸。無線電波的電能傳輸功率小，通常只能達(dá)到100 MW，傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點[19]，但因為其傳輸效率十分低，因此目前在市場上的應(yīng)用還不是很多。

3 無線充電技術(shù)與有線充電技術(shù)的對比

3.1 安全性

在傳統(tǒng)的充電方式中，采用的一般是有線充電方式。在日常生活中因為有線充電而引起的起火事件時常發(fā)生。在潮濕的雨雪天氣無線充電方式較有線充電方式避免了因充電器受潮引起的安全隱患。可以使得充電過程更加安全可靠[20]。對于文獻(xiàn)中提出的安全問題筆者認(rèn)為這是無線充電技術(shù)較傳統(tǒng)充電方式最大的優(yōu)勢。

3.2 便捷性

有線充電需要找到外接的插座通過電源充電器才能給用電的電動車進(jìn)行充電。而無線充電則可以隨時隨地充電，增加電動車的續(xù)航里程[21]。

4 無線充電技術(shù)在電動自行車領(lǐng)域應(yīng)用需要解決的問題

無線充電技術(shù)應(yīng)用在電動車領(lǐng)域的應(yīng)用前景很大。但是同時也面臨著許多需要解決的問題。首先，目前國內(nèi)電動自行車的充電標(biāo)準(zhǔn)主有48 V 12 Ah和60 V 20 Ah兩大類，因此，首要就是統(tǒng)一充電協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，然后是增加無線充電站的數(shù)量，方便在電動車需要充電時可以快速便捷的尋找到充電站，這樣才會為無線充電技術(shù)的普及奠定基礎(chǔ)[22]。同時，注意減少充電時不必要的損耗。

5 結(jié)論與展望

雖然無線充電技術(shù)在電動自行車領(lǐng)域應(yīng)用的前景十分廣泛但是目前所需解決的問題也較多。目前采用較多的無線傳能方式為電磁感應(yīng)的傳能方式進(jìn)行電能的無線傳輸。但是電磁感應(yīng)式的傳能方式面臨著發(fā)射端和接收端線圈匹配的問題，無論是兩個線圈的相間距離還是線圈的匹配位置都會影響無線傳能的效率，使得無線充電技術(shù)無法進(jìn)行大規(guī)模的使用。如何更好地去解決這個問題，希望能利用優(yōu)化算法的方式去優(yōu)化控制方式。在線圈因為匹配距離和產(chǎn)生偏差的狀態(tài)下通過對頻率的追蹤經(jīng)過算法的快速計算使得整個系統(tǒng)工作在當(dāng)前狀態(tài)最合適的頻率之下使得系統(tǒng)能夠處于諧振狀態(tài)。從而去減少系統(tǒng)因不處于諧振狀態(tài)下造成的能量浪費[23～25]。如果通過頻率追蹤使得傳輸效率提高那么無線充電技術(shù)將會有飛速的發(fā)展。