浅析无线充电技术在电动汽车应用中的优势与短板

郑世欣

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃天水741018；

2.甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃天水741018）

1 引言

能源与环境是当前全球最为关注的问题之一，能源的紧缺与替代、环境的污染与保护共同促进了环保新车的大力发展。电动汽车是首先发展起来的一种环保新能源汽车，由于蓄电池电动汽车技术已经基本成熟，很多厂商已经在规模生产，各地也在进行充电站的建设。但蓄电池电动汽车的充电问题一直令人头疼，根据现有的应用成果，一般的蓄电池充满一半需要充电半小时，完全充满则要8小时以上，充满电的汽车一般只能行驶100余公里。这显然让蓄电池电动汽车无法与内燃机汽车相提并论。在新能源汽车发展的进程中，充电难、充电慢是制约市场发展的绊脚石之一，因此，充电技术的解决，将极大推动蓄电池电动汽车的发展。最近几年，能够克服上述问题的无线充电模式逐渐进入公众的视野，无线充电技术的应用可称为电动汽车的新革命。

2 无线充电技术的工作原理与运行模式

本质上无线充电就是应用了大众所熟知的电磁感应原理，即电流流过线圈会产生磁场，与磁场靠近的线圈会产生感应电流。变压器是利用电磁感应原理的典型设备。只不过变压器的初级线圈和次级线圈是缠绕在同一个铁氧体上的，从而能更好的拴住磁场。如果把铁氧体去掉，让初级线圈和次级线圈直接在空气中进行电磁感应，变压器就可以“摇身一变”，成为无线充电设备的原型了。但是，由于磁场在空气中耗散比较严重，电能传输效率会大打折扣，导致无线充电的成本过高。特斯拉的磁场共振技术有效解决了这个问题，使无线传输距离从几厘米增加到数米。这个距离可以满足汽车等大型用电器了。这使得省掉用电器的连接线变得指日可待。

无线充电可以分为三种充电方式：电磁感应式、磁场共振式、无线电波式。

电磁感应式，初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈钟产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。使用时要求两个设备的距离必须很近，供电距离控制在0mm－10cm范围内，而且充电只能对准线圈一对一进行。电磁感应式无线充电的能量转换率高，传输功率范围较大，能从几瓦到几千瓦。

磁场共振式，原理与声波共振类似，只要两个介质具有相同的共振频率，就能够传递能量。这种方式的充电距离在电磁感应式与无线电波式之间，优点是传输功率较大，能够达到几千瓦，可以同时对多个设备进行充电，不要求两个设备之间线圈对应；缺点就是损耗很高，距离越远传输功率越大，损耗也就越大，并且必须对使用的频段进行保护。

电动汽车采用电磁感应式或磁场共振式其构型基本一致，将充电电缆和反射线圈埋设在停车位组成供电机构，当车辆驶入停车位，安装在车辆底部的接收线圈与发射线圈重合，车辆与充电服务器建立通讯开始充电，发射线圈产生交变磁场，接收线圈产生电流通过逆变器将电能传递到电池。此过程如图1、图2所示。

这种非接触式充电，无需传统的电缆，充电时，仅需将车辆停放在充电板上方即可，因此方便省力。

图1 内部工作原理

图2 外部充电样式

无线电波是另一种较为成熟的无线充电方式，其原理与早期使用的矿石收音机相类似，即利用微型高效接收电路捕捉从障碍物反射回来的无线电波，然后将之转化为稳定的直流电压。但该方式的功率低。不超过100mW；距离短，不超过10m；效率低；充电时间长。

3 无线充电技术在电动汽车应用中的强大优势

从建设成本角度考虑，无线充电系统相比于充换电站系统具有明显优势。其一，建设充换电站需要大量占用土地，而无线充电系统可以在现有停车位上原地加装，或埋于地下，或安置在车位旁的绿化带里，基本不占用额外的土地资源；其二，无线充电系统造价更低，建设周期也大为缩短。利用现有技术，安装一套无线充电装置的费用大概在3万元左右，普通消费大众完全可以承受；安装周期约30天，远远低于充换电站的建设周期。

无线充电系统在运营成本上也有较大幅度的降低。对于普通燃油汽车，百公里耗油成本在60元以上，石油公司可以从这笔油费中抽出一部分作为加油站的运营与管理费用；但是电动汽车百公里耗电成本只有10元－15元，扣除发电成本，再从这笔电费中挤出充换电站的运维费用几乎是不可能的。所以哪怕有线充电系统建设成本降为零，它的运行也是不可持续的。而无线充电系统可以实现停车自动充电，无需配备额外的工作人员进行操作指导，运维成本大幅降低。

从用户体验角度来说，无线充电系统更加便捷、安全、清洁。无线充电技术没有了充电过程中的金属介质，这是电动汽车充电革命性的变化。借助智能操作系统，无线充电系统可以实现远程遥控充电甚至自动充电，为使用者带来更加便捷的用户体验。另外，无线充电过程中没有触点、没有机械运动、没有损失，在安全性与可靠性方面都有质的提高。有线充电桩一般配置高压线路，具有一定危险性。2014年，在台风高峰期，深圳市全市电动汽车都不得不停驰，原因在于狂风暴雨会导致有线充电过程存在严重安全隐患。而无线充电系统对环境的耐受力非常强，雨水以及粉尘等对充电过程不会造成任何干扰。

此外，无线充电技术的推广有助于电动汽车的轻量化，降低电动汽车生产成本。近10年来，电池密度并没有显著提升，为了保证电动汽车的续航里程，需要安装庞大的电池装置，不仅挤占了汽车内部空间，也在一定程度上增加了电动汽车生产成本。如果无线充电技术能够实现大规模推广应用，续航能力将不再是一个制约电动汽车发展的问题，降低电池容量与体积将成为可能。

4 无线充电技术在电动汽车应用中的不足

无线充电的优点很明显，但无线充电所产生的大功率电磁辐射，是阻碍无线充电大规模使用的一大因素。说到电磁感应，不得不提工频干扰。通常输送电力用的是交流电，变化的电流会产生变化的磁场，电力传输线就在不断的对外发出电磁波。电磁辐射问题一直是居住在电力线附近小区居民关心的问题，这种人为产生的电磁辐射如今已经困挠整个地球了。

大功率的电磁辐射是人类所惧怕的。长时间遭受电力线的磁场辐射会有害健康已是科学界的共识，大功率磁场对身体的损伤就更为严重。无线充电为了提高充电速度，就必须提高电压和频率，产生大功率磁场是不可避免的。手机无线充电这种小功率磁场不必担心，因为它作用距离也就那么几厘米。而对于电动汽车无线充电这类充电场景，潜在的危险还是会让人有所担忧。另一方面，无线充电时会对周围的电气设施有影响，产生诸如火灾之类的危险或隐患。所以相关协会对无线充电技术提出了比较严格的安全指标和环境标准。

无线充电行业以前有三大标准组织分别是：WPC、PMA和A4WP。2014年初PMA和A4WP两家开始合作，因此当前只剩下两大标准组织WPC和A4WP。

Qi是全球首个推动无线充电技术标准化的组织无线充电联盟WPC推出的“无线充电”标准。WPC成员中有约200家科技公司，该标准允许无线充电设备的最大输出功率不超过5W，一般多为手机厂商所用。目前共有12款汽车提供符合Qi标准的无线充电设备，而共计80种不同型号的智能手机均可适配。

无线充电联盟A4WP推出Rezence标准。它允许多个设备同时充电，而且在设备的位置与角度上较具弹性，其充电能力与时间也较符合消费者期待，最高传输功率不超过50W。

表1 无线充电标准

从上表中可以看到，无论采用哪个充电标准，无线充电都存在辐射风险。在电磁辐射被真正“驯服”之前，对无线充电传输效率的评估变的尤为重要。

当前有两种方法可以满足要求，一是直接对无线充电产生的电磁辐射进行测量，根据测量结果来评估其对环境危害的程度。二是对无线充电的传输效率进行测量，认为丢失的能量减去产生的热能就是散发到周围环境中的辐射能。对于第一种方法比较简单直接，只需拿着测量仪表在无线充电装置周围移动，听到响声或看到报警提示就知道电磁辐射超标了。第二种方法则专注于电能的传输效率，能更好地了解无线充电装置的性能。

现在公认的对电磁波进行屏蔽的最有效措施是给产生电磁波的物体加个金属罩子。

5 无线充电技术在国际上不断规范化

为了加强行业规范与指导，国际自动机工程师学会（SAEInternational）日前发布了混插式以及全电动汽车无线充电技术的行业标准，这是电动汽车无线充电方面的第一个行业标准，具有开创性意义。国际汽车工程师学会是一个技术性学会，它在全球范围内拥有超过143000名会员，会员均是航空航天、汽车和商用车辆行业的工程师和相关技术专家。而新出台的行业标准简称为“SAETIRJ2954”，意在为轻型插电式以及全电动汽车无线充电技术制定规范，并在全行业里推行统一标准，以加强行业管理与指导。这项新SAE标准旨在制定乘用车方面无线充电的协议。标准制定了低速充电方面的无线能量传输（WirelessPowerTransfer，WPT）协议，并通过附录的方式为其他问题，比如高速充电模式等留足了补充空间。

SAETIRJ2954 规定 85kHz（千赫兹，81.39kHz－90kHz）是轻型汽车充电系统常用的频段（frequencyband）。目前，新协议中规定了四个等级的插电以及全电动汽车无线能量传输水平，但今后协议修订可增加更多等级。明确无线充电频段之后，一家汽车制造商生产的无线充电器就能够兼容其他不同生产商、充电站的无线充电设备。目前，台架测试（benchtesting）正在进行，同时，实时车载电网测试等也在进行之中。据介绍，无线充电标准计划将于2018年完成。

6 无线充电技术在国内应用发展中应注意的问题

（1）国家要出台相应的政策，鼓励、扶持并规范无线充电汽车的发展和充电设施的建设。一个行业或企业，尤其是利国利民的行业或企业的发展，离不开国家的扶持。无线充电是一个刚刚起步的领域，其有效的发展可以很大程度上解决电动汽车发展的一个瓶颈，但由于对其进行研发的投资巨大，这就更需要国家进行鼓励和扶持，以加快其研发进程，使其尽早得以应用。

日前，国家标准委2016年首批立项国家标准330项，新立项的标准更加注重创新成果转化。获得立项的国家标准突出了科技创新，将能源互联网、机器人测试、电动汽车充电等72个前沿技术成果列为重大标准研制项目并给予重点支持，其中电动汽车无线充电相关技术标准制订项目共有4项，分别为《电动汽车车载充电机和无线充电设备之间的通信协议》、《电动汽车无线充电电磁暴露限值与测试方法》、《电动汽车无线充电系统特殊要求》、《电动汽车无线充电系统电磁兼容性要求和试验方法》，力争尽快形成技术标准，为新兴产业发展注入新动力。

截止到6月份，已经有多个市出台了有关2016年以后新能源汽车充电基础实施规划的政策，覆盖了湖南、河北、山西、安徽、江苏、福建、甘肃及云南等省，北京、上海、广州、重庆、沈阳、运城、泸州、哈尔滨、西安、潍坊、衡水、郑州、石家庄、惠州、无锡及杭州等城市。

（2）无论最终采用何种方式充电、采用何种蓄电池，国家及各地方有关部门都要对其频率、安全、环保、节能等方面进行研究，避免浪费、避免对人体健康产生不良影响、避免对环境造成新的污染，同时要宣传到位，避免人们对电磁辐射的恐惧心理。

（3）在实际中，由于发射端置于地下，要注意对其的保护。

（4）在雨水较多的地区，除对地下设施的防水外，车辆接收端的防水处理也是一个需要考虑的问题。

7 结束语

无线充电技术在诸如手机等小型电器上的应用已经有一段时间，当前的技术研发也主要集中于小型电器领域，在电动汽车领域的应用尚处于初始阶段。原因在于无线充电技术商用化的技术壁垒非常高，主要需要解决充电功率、充电效率和充电距离三方面问题。近日，美国能源署网站上公布了一项新型无线充电技术，可实现20kW的充电功率，是目前充电桩的3倍左右，有望替代传统充电桩成为电动汽车的基础充电设施。随着该技术的不断完善，必将推动蓄电池汽车的发展，减少对石油的依赖，保护环境，造福人类。