电动汽车无线充电原理及应用分析

胡瑞明 武铂睿

【摘要】随着经济的快速发展，节能、低碳和环保经济成了社会发展的需要，电动汽车受到了广泛的关注，而无线充电技术是未来电动汽车供电技术的发展趋势。本文介绍了 三种常用的无线充电技术：电磁感应、微波、磁耦合共振，并分析了三种无线充电的工作原理、存在的问题及实用化前景。

【关键词】电动汽车;无线充电;电磁感应;微波;磁耦合共振

一、引言

自电动汽车产生以来，为了让车主感觉更加方便、安全，高新技术和便捷服务已经被广泛应用，很多知名的汽车制造商和能源企业建造了跟传统加油站类似的充电桩和换电站。在日本、美国、德国，包括中国在内等地区都开始配置充电设备的充电桩和换电设备的换电站。无论是充电桩还是换电站都属于接触式充电范畴，它们都需要充电插头和电线来进行电能的传递。但无线充电则不需要这些连接装置，它是利用交变电磁场和无线电波来传递电能，因此不需人来插拔插头，同时节省电线材料，无触电危险，在恶劣天气环境下使用性强，很便于在停车场和车库大面积推广。因此，电动汽车无线充电受到很多汽车制造商的青睐，相关技术的研究和应用在世界发达国家已经开始开展。

二、无线充电技术

无线充电技术应用在电动汽车上主要有三种：电磁感应法、微波法、磁耦合共振法。其中电磁感应法利用线圈间产生的电磁感应现象进行电能传输;微波法利用天线发射和接收微波进行电能传输;磁耦合共振法利用共振电路之间的共振现象进行电能传输，下面分别进行分析介绍。

（一）电磁感应法

此原理与电力系统中常用的电力变压器原理类同。在变压器的一次线圈通入交变电流，二次线圈会由于电磁感应原理感应出电动势，如果二次线圈电路闭合，即可有感应电流出现，电流方向的确定遵从楞次定律，其大小可由麦克斯韦电磁理论解出。相对于无线输电而言，变压器的一次线圈相当于电能发射线圈，二次线圈相当于电能接收线圈，这样就可以把电能从发射线圈无线传输到接收线圈。工作原理如图1所示。

该电能传输系统是将发射电能的一次线圈埋藏在地下，接收电能的二次线圈安装于车底部，两线圈之间空隙的大小会影响充电系统的效率。

（二）微波法

要想实现电能长距离的无线传输，则可使用微波的传输方式。由于微波的波长比较短，其波长范围在0.1mm～1m，故其定向性好，弥散小，可用于实现电能的远程传输，电能以微波为载体，可以实现电能在自由空间中进行传播。

与电磁感应方法不同，微波方法利用电磁辐射原理进行无线电能传输。首先通过能量转换装置将电能转换成微波，然后利用发射天线将微波经自由空间传给接收天线，最后将接收到的微波通过能量转换装置转换为电能。其传输距离可达几公里，属于远程电能传输。微波输电原理如图2所示。

图2 微波输电原理

虽然国内外研究取得了一些成果，但利用微波法为电动汽车进行非接触式充电还存在以下重大缺陷：

1）传输效率低。目前表明，实验室内最高达到的电能传输效率尚未达到80%，实际产品的传输效率均不到40%。

2）存在电磁干扰。微波法输电利用1～10GHz频段范围的频率，该频段对通信、雷达和射电天文的干扰非常显著。

3）充电功率低。据报道的充电功率均不到1KW，很多实验系统只能传输几瓦的功率。

（三）磁耦合共振法

此无线充电方式需要发射和接收两个共振系统，可分别由感应线圈制成。通过调整发射频率使发射端以某一频率振动，其产生的不是弥漫于各处的普通电磁波，而是一种非辐射磁场，即把电能转换成磁场，在两个线圈间形成一种能量通道。接收端的固有频率与发射端频率相同，因而发生了共振。随着每一次共振，接收端感应器中会有更多的电压产生。经过产生多次共振，感应器表面就会集聚足够的能量，这样接收端在此非辐射磁场中接收能量，从而完成了磁能到电能的转换，实现了电能的无线传输。未被接收的能量被发射端重新吸收。这种非辐射电磁场的范围比较有限，不适用于长距离，要求发射端与接收端在感应线圈半径的8倍的距离之内。

磁耦合共振法输电原理如图3所示。

图3 磁耦合共振法输电原理

在利用磁耦合共振法为电动汽车进行充电时同样面临一些问题：

1）缺乏共振频率的行业标准。

2）共振频率变化导致充电效率降低。随着周围环境的变化，电动汽车充电系统的共振频率可能发生变化。如何根据周围的环境的变化控制电源输出的频率，使发射和接收线圈始终保持共振状态，以保证最大效率下工作，这值得深入研究。

3）充电功率较低。目前最大传输功率在几千万的量级，如何增大充电功率，是一个重要的研究方向。

三、实用化分析

电动汽车对电动汽车无线充电的实用性需要关注三个指标：输出功率、传送距离、充电效率。下面将电磁感应法、微波法、磁耦合共振法列于表1进行对比。

通过表1的对比可以看出，虽然微波法充电传送距离最远，但输出功率及充电效率都是很低的，所以难以在电动汽车上配置无线充电装置。

电磁感应法充电输出功率最大，充电效率也较高，但其传送距离较短，一般工业中的有效传输距离在2～3cm，而且需要机械装置将汽车停在合适的位置与线圈对准，因此建设类似传统加油站的充电站适合这种方法。

表1 三种无线充电方式对比

方式 电磁感应 微波 磁耦合共振

充电原理 为充电线圈提供交流电并产生磁场时，磁力线穿过与之分离一定距离的接收线圈，使接收线圈产生相应电动势并可对外输出电流 充电与接收两部分，均采用微波传送与接收技术 基本原理与电磁感应式相同。只是充电部分与接收部分使用同一共振周波，可将阻抗限制在最低值并使传送距离增大

使用频率范围 22kHz 2.45GHz 13.56MHz

输出功率 30kW 1kW 1kW

传送距离 100mm 1000mm 400mm

充电效率 92% 38% 95%

日本研制企业 昭和飞行机工业 三菱重工业 长野日本无线

磁耦合共振法输出功率比电磁感应法小，但是传送距离却比电磁感应法大，且不需要车载线圈与电源线圈完全对准，因此这种方法适合开发新型的充电模式，比如车库和地面停车位。利用这种方法，可以在高速公路或者护栏上安装电源线圈，电动汽车在行驶过程中就可以进行不间断充电。

四、结语

电动汽车普及的同时，全世界开始越来越多的关注无线充电技术。本文分析了电动汽车的三种无线充电方法：电磁感应法、微波法、磁耦合共振法的工作原理，并对三种方法进行了对比分析。可以得知，随着电动汽车的发展，无线充电市场的规模将井喷式增长。

参考文献

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作者简介：胡瑞明（1986—），男，河南鹤壁人，助教，鹤壁汽车工程职业学院教师，研究方向：电气工程及汽车电子。