基于無(wú)線充電技術(shù)的電動(dòng)汽車(chē)方案分析

摘 要：隨著科技的發(fā)展，中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量不斷上升。電動(dòng)汽車(chē)的充電問(wèn)題成為關(guān)注點(diǎn)，通過(guò)使用無(wú)線充電技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)供能是一種全新的方式。本文通過(guò)系統(tǒng)性分析當(dāng)前學(xué)術(shù)界相關(guān)的無(wú)線充電技術(shù)為電動(dòng)汽車(chē)供能的文獻(xiàn)，討論了基礎(chǔ)無(wú)線充電技術(shù)的原理，磁諧振耦合充電技術(shù)的原理，探討了不同種類(lèi)的無(wú)線充電技術(shù)，包括諧振耦合充電技術(shù)，微波輸能技術(shù)，電磁感應(yīng)充電技術(shù)，對(duì)汽車(chē)供能的優(yōu)缺利弊點(diǎn)，創(chuàng)新性地設(shè)想出對(duì)汽車(chē)無(wú)線充電的未來(lái)應(yīng)用和展望。本研究最后得出無(wú)線充電技術(shù)增加了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充電便捷程度，同時(shí)具有龐大的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：無(wú)線充電技術(shù) 電動(dòng)汽車(chē) 優(yōu)缺點(diǎn) 應(yīng)用和展望

1 引言

2015年12月12日，21屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)上，經(jīng)過(guò)各國(guó)的努力，《巴黎協(xié)定》通過(guò)，全球變暖進(jìn)入了世界人民的視野[1]。在此大背景下，電力作為清潔能源，是對(duì)抗二氧化碳過(guò)多排放而導(dǎo)致全球變暖的尚方寶劍。電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)如雨后春筍破土而出，中國(guó)比亞迪，美國(guó)特斯拉，德國(guó)大眾等。技術(shù)實(shí)力是各國(guó)占領(lǐng)市場(chǎng)制高點(diǎn)的關(guān)鍵。王鑫，趙煒華，衛(wèi)軍朝對(duì)磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)的耦合線圈抗偏性能進(jìn)行研究。得出結(jié)論，在耦合系數(shù)和傳輸效率偏移的情況下，同時(shí)圓形線圈在小于20cm的偏移條件，采用等減間距， 并且在耦合線圈上增設(shè)E型鐵氧體磁芯，線圈Y軸偏移20cm等操作，使得傳輸效率達(dá)到了85%以上[2]。楊帥，王秀平，曲春雨的論文中提到，調(diào)整電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電發(fā)射頻率，改變匹配阻抗，大大提高了無(wú)線充電的效率，同時(shí)探究了線圈的水平偏移距離和互感線圈間耦合系數(shù)的規(guī)律[3]。以上研究者的研究都為電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電設(shè)備制造提供了建議和參考。通過(guò)分析電力的基礎(chǔ)，電力的熟練運(yùn)用離不開(kāi)供能，儲(chǔ)能，放能的過(guò)程，著力于把思維在傳統(tǒng)的電線式電動(dòng)汽車(chē)的供電得到突破，讓汽車(chē)的隔空充電成為現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)擺托充電插口的設(shè)計(jì)。本文研究在當(dāng)今電動(dòng)汽車(chē)大爆發(fā)的時(shí)代，無(wú)線充電技術(shù)來(lái)源，無(wú)線充電技術(shù)對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的供能，闡明無(wú)線充電技術(shù)的原理。本文研究通過(guò)討論當(dāng)今無(wú)線充電技術(shù)的不足缺陷，給出優(yōu)化方案。說(shuō)明無(wú)線充電技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用前景。

2 無(wú)線技術(shù)充電概述

2.1 無(wú)線充電技術(shù)的原理

2.1.1 無(wú)線充電技術(shù)基礎(chǔ)原理

無(wú)線充電技術(shù)雖然比一般的電線連接式充電技術(shù)難度大和檔次高，但是經(jīng)過(guò)分析，總體上可以用互感來(lái)概括此原理。首先，對(duì)于整個(gè)無(wú)線充電裝置，可以簡(jiǎn)化為小型線圈式變壓器，即使用兩個(gè)距離接近的線圈，將兩個(gè)線圈縱向排列。然后任意選擇一個(gè)線圈通入交流電，隨即把所選擇的線圈作為送電線圈，電路閉合后，送電線圈內(nèi)部產(chǎn)生了電磁場(chǎng)。因?yàn)榻涣麟姾椭绷麟姷碾娏餍再|(zhì)不同，所以交流電的電流方向時(shí)刻在改變，使得送電線圈的磁場(chǎng)方向改變，導(dǎo)致受電線圈的磁通量大小和方向改變。根據(jù)楞次定律，受電線圈便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，即產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)。通電的線圈中會(huì)產(chǎn)生電感，以下為電感的計(jì)算公式。

通過(guò)這種互感的方式，以此提供為受電線圈提供電能，這是無(wú)線充電最為基礎(chǔ)的原理和邏輯。圖1為互感的線圈圖。

2.1.2 諧振耦合充電技術(shù)的原理

從無(wú)線充電技術(shù)的總體上分析，可以分支出磁共振式，電場(chǎng)耦合式，無(wú)線電波式等不同的無(wú)線充電方式。磁諧振耦合充電技術(shù)是現(xiàn)階段非常前沿先進(jìn)的無(wú)線充電的方式，其主要原理是一個(gè)接收電能和發(fā)射電能的過(guò)程。其中，發(fā)射線圈擁有巨大的作用，首先，無(wú)線充電設(shè)備需要外來(lái)電能的輸入，外來(lái)電能的來(lái)源多樣，包括水力發(fā)電，火力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電等方式產(chǎn)生電能并進(jìn)行儲(chǔ)存，此過(guò)程為儲(chǔ)能。隨后電能輸入無(wú)線充電設(shè)備使其受到供能，此為后續(xù)放能的必要條件。在放能過(guò)程中，首先利用振蕩器從而產(chǎn)生高頻電流，然后需要利用功率放大電路和阻抗匹配電路將電流轉(zhuǎn)化為電磁場(chǎng)，最后在發(fā)射線圈周?chē)纬煞禽椛浯艌?chǎng)[4]。在完整分析此原理過(guò)程中，還需對(duì)接收線圈做出闡釋。電動(dòng)汽車(chē)的內(nèi)部具有接收線圈，接收線圈具有其自身的固有頻率。研究表明，接收線圈的固有頻率等于電磁波頻率時(shí)，接收電路產(chǎn)生的震蕩電流的值是最強(qiáng)的[4]。以下列出電磁諧振的頻率公式。

當(dāng)兩個(gè)物體的諧振的頻率不相同時(shí)，他們的能量傳輸效率小于兩個(gè)物體處于諧振狀態(tài)[4]。這是磁諧振耦合充電技術(shù)的基本原理。圖2為諧振線圈的原理圖。

2.2 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的先進(jìn)性

電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展根據(jù)總體上的分析，無(wú)線充電技術(shù)和電線連接式的充電技術(shù)差異性較大，首先，雖然現(xiàn)今眾多停車(chē)庫(kù)都為電動(dòng)汽車(chē)配備充電設(shè)備，但是無(wú)法大范圍覆蓋式普及。通過(guò)進(jìn)一步的分析得出，不同車(chē)型的充電器型號(hào)，是阻礙普及化，規(guī)?；脑蛑弧６鴮?duì)于電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電技術(shù)，該技術(shù)可以使用的ICPT系統(tǒng)擁有廣義電磁兼容性能，電磁傳播過(guò)程中對(duì)人體的安全性符合國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)[5]。其次，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電避免了電線接口的連接，也就避免了電線的插口之間的漏電的安全隱患，以及短路的安全隱患。尤其對(duì)于南方地區(qū)到了梅雨時(shí)節(jié)，因?yàn)榭諝庵械乃扛邔?dǎo)致一旦水汽遇冷液化成小水珠，所以電線式的高功率充電危險(xiǎn)性高。再次，使用充電樁式的電線連續(xù)充電會(huì)使得充電流程較為繁瑣，導(dǎo)致降低了汽車(chē)充電的充電效率。反觀無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用，不僅免去了插入接口電線的繁瑣，還允許汽車(chē)進(jìn)庫(kù)即充，充滿即去，從而大大提高充電效率。同時(shí)，其發(fā)展前景廣闊，可發(fā)展為可移動(dòng)化，設(shè)備輕型化，自動(dòng)化等更加低成本和易普及化發(fā)展的充電裝置，所以其前景廣闊。最后，無(wú)線充電比普通的充電樁的安裝場(chǎng)所更加廣泛，而普通充電樁幾乎只能裝載于停車(chē)場(chǎng)區(qū)域

2.3 不同充電技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電技術(shù)的利弊點(diǎn)

電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電技術(shù)發(fā)展至今，分支出了不同種的無(wú)線充電方式，這些無(wú)線充電技術(shù)各自擁有不同的優(yōu)點(diǎn)與缺陷。以下列出多種的無(wú)線充電方式，表1中對(duì)于不同的無(wú)線充電技術(shù)做出了總體的概括。

2.3.1 微波電力無(wú)線充電

微波電力無(wú)線充電技術(shù)主要由微波發(fā)射模塊和微波接收模塊兩大模塊組成[4]。微波無(wú)線充電技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其中包括對(duì)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)線輸電以及覆蓋范圍廣泛的無(wú)線充電特性[5]。然而，該技術(shù)也存在一系列缺點(diǎn)。首先，其成本極高；其次，微波輻射對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響。王俊璇、朱文赫和呂士杰的相關(guān)研究指出，長(zhǎng)期接觸微波輻射會(huì)對(duì)人體生殖功能造成損害[6]。最后，微波無(wú)線充電技術(shù)的充電功率較低。

使用微波電力無(wú)線充電技術(shù)會(huì)對(duì)人的身體健康產(chǎn)生影響，建議在對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用此方式無(wú)線充電過(guò)程中，需要安裝微波屏蔽裝置，目的是將微波輻射控制在固定的區(qū)域內(nèi)，并且應(yīng)貼上微波輻射的警告標(biāo)識(shí)。因?yàn)橐陨系姆桨笗?huì)增大微波無(wú)線充電的整體裝置的占用體積，成本也會(huì)相應(yīng)提高，所以建議此無(wú)線充電方式安裝于公共場(chǎng)所的大型停車(chē)廠。此外，后期的充電裝置，防護(hù)裝置的維護(hù)，對(duì)于微波輻射的檢測(cè)都是需要著重考慮的。

2.3.2 電磁感應(yīng)耦合式無(wú)線充電

電磁感應(yīng)無(wú)線充電技術(shù)受信號(hào)控制電路控制，首先其需要經(jīng)過(guò)整流濾波，高頻逆變電路，原邊繞組三個(gè)流程，其次通過(guò)電磁感應(yīng)將電能感應(yīng)到副邊繞組，經(jīng)過(guò)一系列調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)為車(chē)載電池充電。電磁感應(yīng)無(wú)線充電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)突出，其中包括其原理簡(jiǎn)單及傳輸?shù)男矢撸β蚀?，并且成本較低[7]。然而其也有一系列的缺點(diǎn)。首先，該技術(shù)的充電距離短小，有效充電距離只有10cm左右[7]。其次，使用該技術(shù)充電易導(dǎo)致參與充電的金屬發(fā)熱[7]。

電磁感應(yīng)耦合式無(wú)線充電是一種較為優(yōu)秀的無(wú)線充電技術(shù)，它適合安裝于多種場(chǎng)所，例如公共停車(chē)場(chǎng)，私家停車(chē)場(chǎng)。一方面，由于電磁感應(yīng)耦合式無(wú)線充電的有效充電距離非常短，所以在實(shí)際應(yīng)用中，充電距離的調(diào)控十分重要，即對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的精準(zhǔn)泊車(chē)的要求較高。另一方面，對(duì)于電磁感應(yīng)耦合式無(wú)線充電的會(huì)導(dǎo)致相關(guān)金屬發(fā)熱的問(wèn)題，建議安裝風(fēng)扇冷卻進(jìn)行降溫，安裝溫度監(jiān)測(cè)裝置和高溫報(bào)警裝置進(jìn)行有效防控，從而防止充電的設(shè)備溫度過(guò)高而導(dǎo)致的故障或者安全性問(wèn)題。

2.3.3 磁諧振無(wú)線充電

磁諧振無(wú)線充電技術(shù)主要由ERPT用線圈及電容組成的諧振電路構(gòu)成，該技術(shù)包含電源輸入電路，發(fā)射與接收諧振回路，電動(dòng)汽車(chē)充電電路[7]。磁諧振無(wú)線充電的優(yōu)點(diǎn)較多，一方面，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的有效充電距離較遠(yuǎn)，充電距離大，另一方面，該技術(shù)可以發(fā)展為一臺(tái)裝置對(duì)多臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電[7]。相反，磁諧振無(wú)線充電技術(shù)的缺點(diǎn)較少，包括使用該技術(shù)會(huì)對(duì)其他的電力設(shè)備產(chǎn)生影響和充電過(guò)程中的電能損耗較大[7]。

對(duì)于磁諧振無(wú)線充電，從缺點(diǎn)角度分析，其成本過(guò)高，不適合作為商業(yè)用途建設(shè)和使用。從優(yōu)點(diǎn)角度分析，因?yàn)樵摷夹g(shù)不僅充電的功率高，而且有效的充電距離遠(yuǎn)，所以對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)態(tài)充電有一定的發(fā)展前景，即在電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)進(jìn)行充電。從該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行討論，建議可以從多角度，如線圈的設(shè)計(jì)，磁諧振的頻率，裝置電阻的大小等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而力求提高其充電的效率，減少損耗的電能，這不僅是對(duì)于磁諧振無(wú)線充電的發(fā)展目標(biāo)，也是對(duì)所有的無(wú)線充電技術(shù)的總體目標(biāo)。

2.3.4 對(duì)于各項(xiàng)不同的充電技術(shù)的優(yōu)化

通過(guò)以上的各種不同的充電技術(shù)，首先建議進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估不同的無(wú)線充電技術(shù)對(duì)人身體健康產(chǎn)生的影響，嘗試降低或者隔絕某些無(wú)線充電技術(shù)對(duì)人體的輻射或脈沖的危害。其次，建議增加每種對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的效率，減少無(wú)線充電過(guò)程中電能的浪費(fèi)。再次，由于任何的電氣設(shè)備在正常工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的熱，從而導(dǎo)致設(shè)備升溫對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響和減少了設(shè)備充電過(guò)程中的安全性。針對(duì)此問(wèn)題，建議在大功率無(wú)線充電設(shè)備中安裝風(fēng)冷或者水冷裝置以保證設(shè)備在合適的溫度下正常運(yùn)行。

3 跨海大橋的無(wú)線充電的建設(shè)

電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電應(yīng)用前景廣闊，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電技術(shù)的可以突破只能安裝于特定的空間的限制的方面，利用其優(yōu)勢(shì)獨(dú)立設(shè)計(jì)出一種全新的對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電的應(yīng)用方案。首先，該設(shè)計(jì)在跨海大橋的兩側(cè)安裝供能裝置，由于海上的風(fēng)力大，所以優(yōu)先選用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其不僅發(fā)電量大，而且能源清潔，總體上對(duì)環(huán)境的污染小。該設(shè)計(jì)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的機(jī)械裝置類(lèi)型選用推薦使用垂直軸發(fā)電機(jī)，其支撐葉片的設(shè)計(jì)科學(xué)性高，安全性較高，綠色環(huán)保，同時(shí)其發(fā)電的效率也高，總體上造成經(jīng)濟(jì)的效益較高[8]。該設(shè)計(jì)在無(wú)線充電的技術(shù)的種類(lèi)的選擇上，推薦使用磁諧振耦合無(wú)線充電技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)使用利茲線平面螺旋線圈，利茲線繞制的平面螺旋線圈優(yōu)勢(shì)較多，包括具有過(guò)電流能力強(qiáng)，在高頻環(huán)境中傳輸效率高的特點(diǎn)[9]。如圖3所示為垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。

該設(shè)計(jì)選定了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在一定程度上解決了電力供能問(wèn)題，隨后，在跨海大橋底部安裝無(wú)線充電設(shè)備，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)在橋上行駛的過(guò)程中，就可以實(shí)現(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)行駛的過(guò)程中進(jìn)行充電，由于電能的供給利用了自然環(huán)境的風(fēng)能，對(duì)環(huán)境的污染幾乎為零，所以本設(shè)計(jì)擁有清潔高效的優(yōu)勢(shì)。然而，本設(shè)計(jì)方案有許多沒(méi)有解決的因素和缺陷的方面。首先，海上的風(fēng)浪大，環(huán)境和陸地上不同，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的材料的金屬疲勞強(qiáng)度值得我們進(jìn)一步思考。其次，所有裝置在橋上安裝完成后，跨海大橋的受重增加，允許一次通過(guò)汽車(chē)的數(shù)量需要和跨海大橋的自身安全情況綜合考慮。再次，海上風(fēng)急浪大，設(shè)備的自然損耗后的維修和安裝問(wèn)題值得進(jìn)一步考慮。最后，有些無(wú)線充電技術(shù)會(huì)對(duì)人的健康產(chǎn)生影響，關(guān)于防護(hù)問(wèn)題仍需進(jìn)一步考慮。

4 結(jié)論

對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電技術(shù)在各方面比電線式插入充電有明顯優(yōu)勢(shì)。本文討論了諧振耦合充電技術(shù)的原理，不同對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電的技術(shù)方式的不同的利弊。經(jīng)過(guò)分析，在充電距離上，微波電力無(wú)線充電技術(shù)和磁諧振無(wú)線充電技術(shù)都支持較長(zhǎng)距離和較大范圍的無(wú)線充電，而電磁感應(yīng)耦合式無(wú)線充電技術(shù)有效無(wú)線充電的距離短；在充電功率上，電磁感應(yīng)耦合式無(wú)線充電和磁諧振無(wú)線充電的充電功率較大，而微波電力無(wú)線充電的充電功率較小；在成本上，電磁感應(yīng)耦合式無(wú)線充電技術(shù)的成本較低。此外，本文還有一些專(zhuān)業(yè)問(wèn)題沒(méi)有涉及，包括對(duì)于如何設(shè)計(jì)微波輻射的防護(hù)設(shè)備問(wèn)題，具體無(wú)線充電裝置的設(shè)計(jì)，以及在跨海大橋的無(wú)線充電設(shè)計(jì)中，其中的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題，無(wú)線充電設(shè)備的放置數(shù)量和密度，整個(gè)設(shè)計(jì)的成本問(wèn)題等。以上各種不足或問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。

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