电动汽车无线充电技术探讨

刘崇凯 罗康骏

摘 要：二氧化碳等温室气体排放过多导致的环境恶化以及能源危机的来临，原有的汽油汽车急需要新型能源汽车来取代，其中以电动汽车的研究最为热点。电动汽车的充电方式选择，对其普及性有着至关重要的作用。除了传统有线接插头充电方式外，电动汽车无线充电技术的研究也越来越收到国内外各研究机构的重视。该文详细介绍了电动汽车上常用的三种无线充电方式，即电磁感应式、强耦合电磁共振式、无线电波式，并对各自的优缺点进行了较详细的说明，最后对电动汽车无线充电技术的发展前景进行展望。

关键词：电动汽车 无线 充电

中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0098-02

传统电动汽车的主要充电方式为用电缆线利用充电桩充电或直接更换电池，但是在操作上存在诸多不便。插头在使用中会存在磨损，并且若是在雨天工作的话，还会存在安全隐患。无线充电技术作为一种新型充电技术，无需用电缆将汽车与供电系统相连，可将充电源埋于地面之下，能够有效减少雨水带来的危害以及电器接触磨损。将无线充电设备安装在停车场、小区道路下，电动汽车停车即可充电，能够大大提高充电效率。

1 无线充电技术介绍

目前常用的无线充电技术包括电磁感应式无线充电、电磁共振式无线充电、无线电波式。下文将分别介绍这三种技术在电动汽车上应用的原理，以及在应用中的实例，并分析各方式在电动汽车上应用的优缺点。

1.1 电磁感应式无线充电技术

电磁感应式无线充电的媒介为磁场，利用松耦合变压器原理，原边产生高频变换的磁场，副边线圈就会生成感应电流，来给负载供电。由于电磁场可以穿透一切非金属的物体，电能可以隔着很多非金属材料进行传输，从而将能量从传输端转移到接收端，实现无电器连接的电能传输。但由于松耦合变压器一般具有较大气隙，有的甚至没有磁芯，只有两个线圈，所以变压器励磁电感相对较小、漏感相对较大、耦合系数较低，一般在0.5以下。因此在工频情况下很难传递能量，所以要加入高频逆变环节进行补偿，使原边获得高频电压，保证功率传输。

电动汽车电磁感应无线充电技术的过程如图1：电源侧发射端电源从电网获取电能后经过整流滤波获得直流电，进入逆变器中进行高频逆变，产生的高频交变电流在反馈控制信号的作用下通过补偿电路的作用流入一次侧绕组在空气气隙中产生高频交变磁通；位于汽车底盘的二次绕组通过感应空气气隙内的交变磁通产生感应电动势，同时在信号控制电路的控制下经过整流滤波以及功率调节，从而实现为车载电池提供电能。同时反馈机构对输出量进行采样，把采样信号反馈给控制单元，对频率或者开关管驱动信号等进行控制。

电磁感应式无线充电是目前有较多应用在电动汽车上实例的技术，如今年9月中国第一条投入商用的无线充电公交路线——湖北襄阳新能源汽车大功率无线充电系统公交商用示范线，其充电技术就是由中兴通讯通过电磁感应原理设计的。

电磁感应式无线充电技术在应用到电动汽车中也还存在许多问题需要解决。

由于系统采用的是松耦合变压器原理，线圈一次侧与二次侧之间拥有较大的空气气隙，这必将导致系统存在较大的漏磁，影响充电的效率。为了保证充电系统拥有90%以上的效率，必须减小空气气隙，这就使得汽车无线充电距离十分有限，一般只能在15 cm以下。

变压器线圈的对应位置如图2，在二次线圈从A移动到B的过程中，一次线圈产生的磁通向上穿过二次线圈到向下穿过二次线圈，当在A、B之间的某个位置时，穿过二次线圈的磁通量会为0，不能完成充电。所以这对线圈的相对位置有很高的对应性，允许的位置偏移很小。

害怕金属异物进入空气气隙。当有金属异物进入气隙时，会发生涡流现象，产生局部发热，严重影响效率和安全。

高频下电磁辐射对人体的影响。由于电动汽车充电设备离人体较近，并且充电功率非常大，一般都超过10KW，其产生的电磁辐射量将会远远超过人体的安全值，需采取有效措施来减小影响。

1.2 强耦合电磁共振式无线充电技术

强耦合电磁共振式无线充电技术是由麻省理工学院的索尔季喜科科研团队在2006年提出的，它是以电磁谐振原理为理论基础，通过实验，该团队通过试验成功点亮了相隔两米以外的灯泡，此试验的成功标志着无线充电技术的又一次飞跃，新型无线充电技术诞生。

此种无线充电技术，是基于电磁谐振理论，在发送端与接收端配置相同谐振频率的谐振线圈，当两者距离适当时，给发送端输送与谐振线圈谐振频率相同频率的驱动信号以及能量，两者便会产生共振，能量便可以源源不断从发射线圈传输到接收线圈，通过这种形式电能便可在两个设备间进行无线传输。

电动汽车强耦合电磁共振式无线充电技术过程如图3：电源侧从电网获得电能后，经过振荡器形成高频振荡电流，然后经过功率放大电路、阻抗匹配电路，经发射线圈形成非辐射磁场，当接受线圈的固有频率与发射线圈发出的电磁频率相同时，接受线圈内将产生最强的振荡电流，然后振荡电流经过整流电路、电池管理电路来给电池组进行充电。

电磁共振式无线充电技术相较与电磁感应方式存在着以下的优势。

（1）电磁共振式无线充电技术是运用共振特性来进行能量传输的，其能量损耗较小，传输距离大，一般能够达到50cm以上。

（2）能量传输只在共振系统中进行，不会影响共振系统以外的其他物体，不用担心异物进入气隙引起损害。

（3）不要求发射线圈与接收线圈有很强的对应位置关系，允许合理范围的位置偏移而保持传输效率。

尽管共振式无线充电技术有如此多的优点，但在应用到电动汽车方面仍然存在着许多不足。共振无线充电效率高指的是共振线圈之间的能量传输效率高，但由于共振的激励频率很高，故高频振荡电路损耗很大，系统的整体效率仍然偏低，应研究其低频化。而且为了防止与其他系统产生共振现象，必须对工作频率进行隔离。高频率共振产生的辐射对人体的危害还有待于研究。

1.3 无线电波式无线充电技术

无线电波式无线充电技术，是以无线电波即微波（频率在300MHz～300GHz之间的电磁波）为载体在自由空间内传输能量。无线电波传输因具有“定向、可穿透电离层”等特性，故其传输距离可以很远。

微波无线充电技术的流程图如下图4：从电网获得电能后，经过整流电路将交流变为直流电，再经过高频逆变和调制电路形成微波，经发射天线发射出去，经过长距离的传输，由接收天线接收，通过解调电路将微波变成电能，再经整流电路、功率调节电路模块将电能变成所需的电流给电池充电。

电动汽车无线电波式无线充电技术也有实例存在：三菱重工曾运用无线电波传能原理，开发出了微波电动汽车无线充电系统。采用与微波炉相同的2.45GHz电波发生装置“磁控管”，可经由“整流天线”向车辆传输1kW的电力，但其传输效率仅为38%。由于微波是全向辐射，并且系统发射频率很高，系统的损耗非常大，无法达到高效率的能量传输，故目前还不适合应用在电动汽车无线充电系统上。

2 结语

相比较与电动汽车的有线充电 电动汽车无线充电具有使用起来更加安全、方便、可靠，无机械损耗，维护起来更加方便。电动汽车无线充电技术发展前景非常广泛，从上文的分析可以看出电磁感应式与电磁共振式更适合应用在电动汽车无线充电技术上，各研究机构应重点在这两种方式上进行突破。同时我国应加大对电动汽车及其相关产业的研究投入，如研究高效电机、解决电动汽车的续航能力、优化电机控制策略与电池管理系统等，在传统汽车行业落后他国的情况下，抓住电动汽车发展契机，打一个完美的翻身仗。

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