電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)系統(tǒng)性研究

摘 要：本文致力于探討電動(dòng)汽車無(wú)線充電的基本原理、當(dāng)前電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)并提出可能的解決措施，同時(shí)分析未來(lái)無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車行業(yè)等方面的未來(lái)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)線充電技術(shù)主要包括電磁感應(yīng)式、磁耦合式和微波式三種類型。本文詳細(xì)介紹了這三種技術(shù)的原理，并闡述了電磁感應(yīng)式技術(shù)作為電動(dòng)汽車無(wú)線充電的主要應(yīng)用。接著，本文探討了電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)在充電效率和距離方面存在的問(wèn)題及相關(guān)解決方案。最后，針對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的未來(lái)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了深入分析，展望了其未來(lái)的發(fā)展方向，以推動(dòng)電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：無(wú)線充電技術(shù) 電動(dòng)汽車 解決措施

1 緒論

隨著科技的進(jìn)步和人類生活水平的提升，隨之而來(lái)的是能源的大量消耗，隨著環(huán)境的惡化和能源的巨大消耗，這也已經(jīng)成為當(dāng)下全球共同關(guān)注的焦點(diǎn)，全球科學(xué)家也已然達(dá)成一致將減少汽車尾氣排放定為他們的共同目標(biāo)，加快對(duì)電動(dòng)汽車的研制。電動(dòng)汽車以其環(huán)保、低噪音等優(yōu)點(diǎn)已成為全球汽車市場(chǎng)的重要組成部分，隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車充電方式具有充電速度慢、續(xù)航行程短、充電高峰一座難求等情況[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，無(wú)線充電技術(shù)也在快速發(fā)展，在智能手機(jī)、手表、家具等電子產(chǎn)品中有了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)在電動(dòng)汽車充電中也得到了快速的發(fā)展。

本文旨在探討電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的基本原理，分析當(dāng)前該技術(shù)在應(yīng)用存在的一些問(wèn)題并提出可能的解決措施。最后，本文還將展望無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車行業(yè)的未來(lái)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)。

2 無(wú)線充電技術(shù)基本原理

無(wú)線充電技術(shù)與傳統(tǒng)充電方式不同，是一種不需要借助線路與電樁，通過(guò)電磁技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行隔空充電的新型充電方式。無(wú)線充電技術(shù)是以無(wú)線電能傳輸為基礎(chǔ)，將電能轉(zhuǎn)化為光能、電磁能等能源，從而實(shí)現(xiàn)電能傳輸。目前無(wú)線充電技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、智能家電、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域[2]。從原理上，目前無(wú)線充電技術(shù)主要分為電磁感應(yīng)式、電磁共振式和無(wú)線電波三類。

2.1 電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)基本原理

電磁感應(yīng)式無(wú)線充電理論所用到的設(shè)備系統(tǒng)包括初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，通過(guò)兩個(gè)線圈之間的電磁耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)載之間的無(wú)線電能連接以及能量的輸送過(guò)程。其中發(fā)射端和接收端是無(wú)線電能傳輸過(guò)程中的主要部分。該技術(shù)的基本理論實(shí)質(zhì)上就是法拉第電磁感應(yīng)定律：發(fā)射線圈與高頻交變電流源相連，通過(guò)利用高頻交變信號(hào)與初級(jí)線圈相互作用產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)。接收端的線圈置于發(fā)射線圈的產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)中會(huì)將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，即在接收端形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，完成了磁與電之間的轉(zhuǎn)換[3]。電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但是由于在磁信號(hào)與電信號(hào)的效果會(huì)隨距離的增加而減弱，同時(shí)由于能量在輸送過(guò)程中是發(fā)散的，所以該技術(shù)僅適用于傳輸距離較短的過(guò)程。同時(shí)由于工作時(shí)需要借助初級(jí)線圈和次級(jí)線圈來(lái)傳輸能量，所以對(duì)線圈位置的擺放要求也相對(duì)較高。（圖1）

2.2 電磁共振式無(wú)線充電技術(shù)基本原理

電磁共振式技術(shù)（圖2）是利用磁場(chǎng)的諧振效應(yīng)進(jìn)行能量傳輸?shù)摹Ｔ摷夹g(shù)與電磁感應(yīng)技術(shù)類似同樣需要兩個(gè)線圈，并通過(guò)兩個(gè)線圈之間的相互影響將磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化為電能。同時(shí)，兩個(gè)線圈在正常工作過(guò)程中有一個(gè)特殊的要求，就是兩個(gè)線圈的諧振頻率，它們的參數(shù)需要完全相同。發(fā)射端通過(guò)振蕩器產(chǎn)生一個(gè)高頻的振蕩電流與發(fā)射線圈相互作用產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)，于是接收線圈與發(fā)射線圈相互作用產(chǎn)生強(qiáng)耦合，將磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為電能，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)電流供電動(dòng)汽車使用。這種方式相較于電磁感應(yīng)式它對(duì)線圈的位置擺放要求較低，同時(shí)它具有低輻射的特點(diǎn)，所以它適用于中距離的傳輸，使用位置也比較靈活。

2.3 微波式無(wú)線充電技術(shù)基本原理

微波式無(wú)線充電技術(shù)主要由三個(gè)模塊組成分別是微波源、微波發(fā)射模塊和微波接收模塊。微波式的電能傳輸?shù)墓ぷ髟砭唧w結(jié)構(gòu)如圖3所示。

微波式無(wú)線充電技術(shù)的原理主要是基于微波的遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸?shù)脑韺?shí)現(xiàn)電信號(hào)與微波信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。微波式無(wú)線充電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離較遠(yuǎn)可達(dá)到幾米甚至上千米，同時(shí)微波式充電技術(shù)能夠?qū)Τ潆娧b置附近的產(chǎn)品均進(jìn)行充電，它的使用位置相對(duì)于電磁感應(yīng)式更加靈活便捷。微波式無(wú)線充電技術(shù)在傳輸電能時(shí)需要進(jìn)行能量形式的轉(zhuǎn)換，且由于微波傳輸具有全方位性和較長(zhǎng)的傳輸距離，因此會(huì)導(dǎo)致較高的能量損耗。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)的成本也較高，傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的輻射可能對(duì)人體健康造成一定影響。

3 電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用存在的問(wèn)題及解決措施

3.1 效率問(wèn)題與解決方案

3.1.1 效率問(wèn)題產(chǎn)生的原因

目前電動(dòng)汽車作為一種新型出行方式能夠在一定程度上解決能源短缺和汽車排放的問(wèn)題，但是它在充電設(shè)備上存在明顯的不足。充電時(shí)間長(zhǎng)、充電效率低等問(wèn)題都是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的原因。相對(duì)于有線充電，由于無(wú)線充電技術(shù)是通過(guò)電磁場(chǎng)和電磁波來(lái)進(jìn)行能量的傳輸?shù)?，所以在傳輸過(guò)程中存在一定的能量損耗，這會(huì)導(dǎo)致能量傳輸效率降低。針對(duì)無(wú)線充電技術(shù)能量在傳輸過(guò)程中能量的損耗主要有以下幾個(gè)方面。首先是空氣介質(zhì)對(duì)能量的損耗。在無(wú)線充電過(guò)程中，磁場(chǎng)能量與電能的轉(zhuǎn)化需借助空氣介質(zhì)，而空氣對(duì)電磁波具有一定的阻尼和衰減，這會(huì)導(dǎo)致在傳輸過(guò)程能量傳輸效率降低。其次是電磁波的輻射損耗。電磁波在傳輸過(guò)程中也會(huì)受到一定的影響導(dǎo)致能量損耗，使能量傳輸效率降低[4]。

針對(duì)以采用電磁感應(yīng)為基本原理的電動(dòng)汽車，通常導(dǎo)致充電效率低下的原因是不同品牌的車無(wú)線充電接受線圈分布位置存在差異性，因此通常情況下，一種型號(hào)的電動(dòng)汽車，需要使用匹配對(duì)應(yīng)車型的無(wú)線充電設(shè)備。否則就可能會(huì)出現(xiàn)充電效率低下甚至不能充電。有數(shù)據(jù)顯示寶馬e iPerformance電動(dòng)汽車在無(wú)線充電過(guò)程中，如果采用匹配的充電設(shè)備，則其最高充電效率能達(dá)到85%左右，大概3.5個(gè)小時(shí)可以充滿，但當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈之間存在一定的偏移時(shí)，此時(shí)的充電效率將會(huì)降低至60%左右，并且充電時(shí)間也會(huì)多出一倍。針對(duì)這種情況造成充電效率下降的主要原因是接收線圈與發(fā)射線圈的相對(duì)位移量的增加[4]。其次，對(duì)于絕大多數(shù)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，充電速度慢是導(dǎo)致充電效率低的一個(gè)重要原因，這也可能對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航能力產(chǎn)生一定影響。

3.1.2 解決效率問(wèn)題的方案

根據(jù)效率問(wèn)題產(chǎn)生的相關(guān)原因，其本質(zhì)原因就是在充電過(guò)程中產(chǎn)生的，以下有幾種可以改善效率問(wèn)題的解決措施。首先針對(duì)空氣介質(zhì)對(duì)能量傳輸時(shí)的損耗。在無(wú)線充電過(guò)程中，磁場(chǎng)能量與電能的轉(zhuǎn)化需借助空氣介質(zhì)，而空氣對(duì)電磁波具有一定的阻尼和衰減，針對(duì)這種情況可以通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車無(wú)線充電裝置的能量傳輸頻率與功率，以此來(lái)削弱空氣介質(zhì)在能量傳輸過(guò)程中對(duì)氣的損耗。其次，也可以采用高效的電磁波傳輸技術(shù)，以減少輻射損耗。針對(duì)充電效率低的問(wèn)題，也可以嘗試采用無(wú)線充電公路，即將動(dòng)態(tài)充電技術(shù)的線圈埋在地下，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車邊行駛邊充電的設(shè)想，這不僅方便快捷，節(jié)約充電樁的建設(shè)成本和占地面積，同時(shí)也可以提升電動(dòng)汽車的續(xù)航能力，擺脫傳統(tǒng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力差的標(biāo)簽。

針對(duì)以電磁感應(yīng)為基本原理的電動(dòng)汽車，它在充電過(guò)程中起主要作用的無(wú)線充電線圈分布位置的差異性，針對(duì)圈分布位置的差異性，可以通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線充電線圈自動(dòng)定位調(diào)節(jié)裝置解決。由于電動(dòng)汽車在制造過(guò)程中不同的車型所具有的接收線圈的位置不同，且一般情況下是固定不變的，所以可以針對(duì)充電裝置進(jìn)行改進(jìn)，在充電地下安裝可以自動(dòng)識(shí)別汽車接受線圈位置的發(fā)射線圈，當(dāng)電動(dòng)汽車駛?cè)胍?guī)定充電區(qū)域后，發(fā)射線圈通過(guò)信號(hào)傳輸自主識(shí)別接收線圈的位置并通過(guò)算法自主移動(dòng)到電動(dòng)汽車接收線圈的下方，此時(shí)兩個(gè)線圈的相對(duì)偏移量較小，可以實(shí)現(xiàn)最大的充電效率。最后，也可以針對(duì)快速充電技術(shù)進(jìn)行，在未來(lái)對(duì)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)出一款能夠極速充電技術(shù)并運(yùn)用到電動(dòng)汽車的充電過(guò)程中，這也可以大幅提升電動(dòng)汽車無(wú)線充電的效率。

其次，可以針對(duì)快速充電技術(shù)進(jìn)行深入研發(fā)。在日常生活中，智能手機(jī)的充電速率不斷提升，同時(shí)安全性和散熱性也得到了顯著改善。類似地，可以設(shè)計(jì)出適用于電動(dòng)汽車的極速充電技術(shù)，并將其應(yīng)用于電動(dòng)汽車的充電過(guò)程中。

3.2 距離問(wèn)題與解決方案

3.2.1 距離問(wèn)題產(chǎn)生的原因

針對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電過(guò)程中距離的問(wèn)題，其中電源頻率與傳輸距離均能影響無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)工作成效。一方面無(wú)線充電技術(shù)是借助電磁波進(jìn)行能量傳遞，但是空氣介質(zhì)對(duì)電磁波的傳播存在一定的阻尼和衰減作用，因此當(dāng)?shù)孛娉潆娧b置與電動(dòng)汽車的充電設(shè)備距離較大時(shí)，此時(shí)會(huì)存在較大的能量損失。但是在不同的原理下傳輸距離并不是越小越好，根據(jù)當(dāng)前研究，針對(duì)磁諧振偶合式無(wú)線電能傳輸?shù)倪^(guò)程，隨著距離的減小，效率不僅沒(méi)有增大反而會(huì)逐漸遞減，針對(duì)這種情況需要從無(wú)線充電電源頻率的角度來(lái)考慮，大量實(shí)驗(yàn)證明，頻率，距離以及功率需要相互平衡，解決距離的問(wèn)題[5]。

3.2.2 距離問(wèn)題產(chǎn)生的解決方案

針對(duì)無(wú)線充電過(guò)程中距離的問(wèn)題，通過(guò)大量實(shí)踐證明，在不同的充電原理下，應(yīng)當(dāng)采取不同的措施，同時(shí)在進(jìn)行改進(jìn)的過(guò)程中應(yīng)該考慮電源的頻率、距離以及功率三者之間的關(guān)系，可以根據(jù)電動(dòng)汽車無(wú)線充電的具體原理采用合適的方法?？偟膩?lái)說(shuō)可以采用以下幾種措施。首先由于空氣介質(zhì)對(duì)電磁波的傳播存在一定的阻尼和衰減作用，所以可以通過(guò)優(yōu)化調(diào)整發(fā)射線圈與接收線圈間的距離與分布，減小兩者之間的距離以及相對(duì)偏移量，盡可能地減少由于空氣介質(zhì)的影響造成電磁波在傳輸過(guò)程中的能量損失，使充電過(guò)程效率達(dá)到最大。其次是針對(duì)磁諧振耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)倪^(guò)程，此時(shí)普遍的傳輸距離較遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)表明，若在此情況下減小距離不僅不會(huì)是充電效率增大反而會(huì)導(dǎo)致充電效率降低。大量研究表明高頻率的電磁波在傳輸過(guò)程中的衰減較小，針對(duì)上述情況可以適當(dāng)采用高頻率的電磁波來(lái)解決距離限制的問(wèn)題[6]。充電效率其實(shí)不僅與距離相關(guān)，同時(shí)還要協(xié)調(diào)充電頻率與功率之間的相互關(guān)系，使他們達(dá)到平衡來(lái)解決無(wú)線充電過(guò)程中距離的問(wèn)題[5]。

4 電動(dòng)汽車無(wú)線充電的發(fā)展趨勢(shì)

隨著無(wú)線充電技術(shù)體系的不斷發(fā)展與完善，電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)有著十分光明的前景與發(fā)展市場(chǎng)，無(wú)線充電技術(shù)逐漸成為各個(gè)電動(dòng)汽車廠商研究的重要領(lǐng)域，這也逐漸成為電動(dòng)汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向。未來(lái)電動(dòng)汽車無(wú)線充電不僅只在車停止時(shí)充電，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)充電，為用戶提供便捷同時(shí)能夠延長(zhǎng)續(xù)航行駛距離。未來(lái)電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的廣泛應(yīng)用不僅能夠使充電方式更加便捷，避免了插線的麻煩，節(jié)省了占地面積，同時(shí)也具有高安全性。在未來(lái)隨著現(xiàn)代化科技的發(fā)展，電動(dòng)汽車與科技相結(jié)合將會(huì)賦能出無(wú)限選擇。未來(lái)的電動(dòng)汽車也會(huì)朝著便捷化、高安全性、聯(lián)網(wǎng)化等趨勢(shì)發(fā)展[7-8]。

4.1 便捷化

無(wú)線充電電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車最大的區(qū)別就是前者不需要有線電樁即可對(duì)汽車進(jìn)行充電。在未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)充電兩種無(wú)線充電方式。電動(dòng)車不僅可以在指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行充電，同時(shí)在道路行駛過(guò)程中也可以進(jìn)行充電，這大大節(jié)約了充電成本和充電樁的占地面積。在未來(lái)電動(dòng)汽車停入指定區(qū)域后，地下探測(cè)器會(huì)自動(dòng)捕捉接收線圈的位置自主定位并對(duì)汽車進(jìn)行充電，完全不用擔(dān)心線圈找不到位置的問(wèn)題。同時(shí)在道路上鋪設(shè)動(dòng)態(tài)線圈，尤其是在紅綠燈和斑馬線附近，當(dāng)汽車在此處停留等待過(guò)程中可以隨即充電，續(xù)航能力也進(jìn)一步提升。

4.2 高安全性

無(wú)論是傳統(tǒng)的汽車還是現(xiàn)在的電動(dòng)汽車，安全性都是汽車在制造過(guò)程中的首要任務(wù)。針對(duì)未來(lái)的無(wú)線充電電動(dòng)汽車，它將在原本的安全性能基礎(chǔ)上具有其他方面的安全性優(yōu)勢(shì)。首先相對(duì)于傳統(tǒng)的充電方式，無(wú)線充電實(shí)現(xiàn)了電源與負(fù)載之間無(wú)直接接觸，這也就意味著在電氣安全方面有更多的保障。同時(shí)未來(lái)的電動(dòng)汽車也會(huì)越來(lái)越智能化，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人工智能與駕駛?cè)藛T的深度交互，未來(lái)的電動(dòng)汽車將實(shí)現(xiàn)全方位的自動(dòng)駕駛，通過(guò)雷達(dá)、攝像頭、GPS等傳感器，能夠幫助駕駛員靈活應(yīng)對(duì)濃霧、暴雨以及黑夜看不清路況的突發(fā)狀況，可以為駕駛員提供個(gè)性化服務(wù)，應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，實(shí)現(xiàn)汽車更安全性、舒適等出行體驗(yàn)。

4.3 聯(lián)網(wǎng)化

未來(lái)隨著網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)也會(huì)不僅止于5G，聯(lián)網(wǎng)化意味著在未來(lái)電動(dòng)汽車與智能聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度聯(lián)合，將會(huì)向著“科技＋生態(tài)”方向發(fā)展。通過(guò)電動(dòng)汽車與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)與其他車輛、交通設(shè)備、車與路況、智能家居等智能設(shè)備的相互連接，可以實(shí)現(xiàn)信息共享、交通管制、智能導(dǎo)航等功能，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)“人車家”全生態(tài)理念，為駕駛者提供非常便利的駕駛體驗(yàn)。通過(guò)聯(lián)網(wǎng)化可以向電動(dòng)汽車提供更多的路況數(shù)據(jù)，可以提高交通的安全性和效率，降低交通事故發(fā)生率，提高用戶體驗(yàn)推動(dòng)汽車技術(shù)行業(yè)創(chuàng)新。

5 總結(jié)

新能源汽車的發(fā)展已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，無(wú)線充電技術(shù)是其中的重要環(huán)節(jié)。無(wú)線充電汽車具有便利、快捷等優(yōu)點(diǎn)。雖然全球致力于研發(fā)這一技術(shù)并取得了一定的成果，但是目前仍處于探索階段。想要實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電技術(shù)的成熟與大規(guī)模的應(yīng)用，仍有大量工作要做。本文首先簡(jiǎn)述了當(dāng)下電動(dòng)汽車發(fā)展的背景，并對(duì)無(wú)線充電技術(shù)的三種原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。其次，本文針對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)當(dāng)下可能存在的問(wèn)題如充電效率、充電距離問(wèn)題進(jìn)行了討論，并針對(duì)這些問(wèn)題提出了可能的解決措施。隨著技術(shù)的不斷完善和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的賦能，未來(lái)的電動(dòng)汽車會(huì)向著更便捷、更安全、更物聯(lián)網(wǎng)化的趨勢(shì)發(fā)展，并且在未來(lái)無(wú)線充電電動(dòng)汽車也將會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的充電效率、更遠(yuǎn)的行駛距離。

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