纯电动汽车无线充电技术研究现状与发展趋势

张超 王哲 李泉 唐林英 刘洪亮

摘要：纯电动汽车的无线充电技术有利于缓解全球能源的可持续供应问题。通过对国内外纯电动汽车无线充电技术的研究现状进行分析，深入阐述电磁感应式WPT（Wireless Power Transmission）、磁场谐振WPT以及微波传输WPT的充电技术原理，指出了三种无线充电技术的优缺点，并针对目前纯电动汽车无线充电技术的现状提出了改进方向。

关键词：纯电动汽车;无线充电技术;电磁感应式;磁场谐振;微波传输

中图分类号：TM910                                         文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）09-0203-03

0  引言

随着经济的发展，汽车已经成为人们日常出行的必备交通工具。近年来，由于汽车的普及也引发了诸如环境污染、能源短缺等一系列问题[1]。纯电动汽车（Battery Electric Vehicle，BEV）主要依赖锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池等充电电池作为动力，具有无污染、噪声小、结构简单及能量转换效率高等诸多优点[2]。纯电动汽车充电方式可分为接触式和非接触式无线充电（Wireless Power Transfer，WPT）两种方式[3]。接触式的传统充电技术将插座和插头直接连接，这种方式存在接触损耗、安全隐患和充电不方便等缺点难以满足人们的需求。与之对比，基于电磁感应原理的非接触式无线充电技术可以解决传统充电方式的弊端，具有较多的优势[4]，比如：减轻了车体重量、不受空间限制实现移动充电、降低电池的成本。

随着信息技术的发展，无线充电将成为纯电动汽车最具前景的充电方式。当前无线充电主流技术主要分为电磁感应WPT，磁场谐振式WPT和微波WPT。其中电磁感应式和磁场谐振式技术使用较为广泛，微波式WPT由于效率较低而限制了其使用。本文首先对无线能量传输技术的国内外研究现状进行介绍，接着对当前纯电动汽车的三种主流充电技术的原理进行阐述，总结各类充电技术的优缺点，最后分析未来纯电动汽车充电技术的发展方向。

1  纯电动汽车无线充电技术的国内外研究现状

1.1 国外纯电动汽车无线充电技术的研究现状

无线能量传输（WPT）的概念起源于19世纪，著名的美國物理学家特斯拉通过在两个紧密放置的金属板间施加高频交流电，成功的发明了第一个无线充电的电灯泡[5]。这一应用开启了无线充电领域的春天。两个世纪后，Kurs等人使用的磁共振技术实现了距离超过2m的无线充电[6]，这一突破性的科研成果使得无线充电技术迎来了快速发展。1995年，美国汽车工程协会制订了SAEJ.1773标准，这是第一版在美国使用无线充电技术进行电动汽车充电的统一标准。2006年初，美国麻省理工学院Marin教授团队开始改进基于电磁共振原理的磁耦合谐振技术，并采用该技术成功地点亮了距离实验台2m之外的60W灯泡[7]。2008年，WPC推出Qi无线充电标准[8]，它的提出完美地解决了无线充电过程中的通用性难题。Qi标准基于电磁感应原理，其电磁波频率在100-205kHz，比较适合短距离的无线充电，具有兼容性强并且传输效率高的特点，目前大多数无线充电产品都采用这一标准。2012年，英国HaloIPT公司通过改进感应式电能传输技术实现了电动汽车的非接触式充电。电能接收装置安装在一台雪铁龙电动汽车车底，利用充电模块与电能接收装置产生的感应对电池进行充电。这种电磁感应式传输系统可以让驾驶员无需担心忘记为电动汽车充电[9]。2014年，美国WiTricity公司搭建了一套采用电磁共振原理的的无线充电系统，该系统可以的充电功率可达2kW，只需要90分钟就可以将4.4kWh的电池组充满电。2018年，WiTricity公司与多家汽车公司合作，实现电力传输至汽车电池，其转化效率达到93%，与传统的接触式充电方式相比，其效率相当[10]。2020年2月，Omer Onar博士及其团队在田纳西州橡树岭国家实验室发明了一台功率为20kW的无线充电装置，给一台混合动力UPS卡车充满电只需要3个小时左右。

1.2 国内纯电动汽车无线充电技术的研究现状

国内纯电动汽车无线充电技术起步较晚，主要在20世纪初期才开始，主要依托以东南大学、重庆大学、湖南大学等高校和研究院进行相关技术研究[11-18]，虽然起步较晚，研究的时间只有短短十几年，但仍然在无线充电技术的领域取得一些重要的成果。其中以重庆大学为典型，孙跃教授及其研究团队获取了无线充电技术诸多重要的研究成果，并研发了电动汽车的无线充电系统。此后，以东南大学为首，同样对无线充电领域展开了系统和深入的研究，其研究主要侧重无线充电系统的后台，提出了基于电场耦合的光电机技术。2011年10月，我国首次召开无线充电技术方面的学术研究会议，会议探讨了无线充电技术的核心要点，开启了我国无线充电技术研究的春天。2013年，由东南大学研发的全国首辆无线充电电动汽车在南京问世，通过磁谐振接收电能，充满电可以跑180公里。2015年，重庆大学孙跃教授及其团队发布了国内第一套动态无线充电系统。2019年，由东南大学为主导完成了第二套结合自动驾驶车辆的动态无线充电系统示范。2020年，中汽研汽车检验中心（天津）有限公司杨畅等人以三款纯电动车为研究对象，以电动汽车能耗、加速性能及制动踏板线性度作为测试评价，保证了没有驾驶员在车内的基础上，可实现道路试验精确与高速测试[18]。

2  纯电动汽车无线充电技术原理

2.1 电磁感应式WPT工作原理

电磁感应式WPT的原理是基于法拉第电磁感应定律，采用原、副边分离的变压器，在距离较近的情况下完成无线电能传输的一种新型技术。该方式的汽车无线充电系统结构如图1所示。

由图1所示，系统的供电端直流电通过整流和滤波电路将交流转换为直流，直流经过高频逆变电路进入感应线圈原边，变化的磁场会在封闭线圈的副边位置产生感应电流，感应的电流同样经过整流电路将交流转为直流，直流通过滤波之后，经过电动汽车内部能量调节电路进行功率调节，接下来便可对电池进行充电。但是这种充电方式对距离非常敏感，隨着距离的增大传输效率会快速降低，非常适用于近距离的充电环境。

2.2 磁场谐振式WPT工作原理

磁场谐振式WPT是以能量谐振耦合原理通过高频电磁场实现能量传递。基于磁场谐振的电动汽车系统结构如图2所示。

由图可知，由电源端输送的交流电经过整流、滤波、高频逆变电路等一系列过程，转换为高频交流，使得电路谐振，达到最佳的能量传输条件。高频交流电通过两个电磁感应线圈在满足一定条件下实现能量在两个线圈之间传输，传输的电磁能量经过汽车能量调节电路后对电池充电。这种磁场谐振充电方式稳定性好，能量转换效率高。

2.3 微波式WPT工作原理

微波式WPT主要是基于微波的远场传输原理，将高频电信号通过发射天线发射到自由空间，接收天线接收，实现电信号和电磁波的有效转换和传输。如图3所示。

由图可知，电源产生的交流经过整流和滤波电路转换为直流信号，然后经过转换器和功率放大器转换为大功率的射频信号，再由发射天线辐射到周围空间中，经过一段自由空间后，被对端的接收天线接收，接收的辐射电磁波通过整流电路转换为直流电，最后通过能量调节电路储存在纯电动汽车的充电电池中。由于微波天线是全向性天线，能量辐射在各个方向，受空间环境的影响大，从而导致整个过程的传输损耗非常高，且辐射对人体的健康会有一定的影响。

2.4 三种充电方式的比较

三种充电方式各方面优缺点相比较如表1。

通过表格我们可以看出，电磁感应WPT和磁场谐振WPT用于汽车无线充电的性价比高，微波传输虽然距离可以较远，但效率极低，实现商用还需要一段很长的路要走，需要突破物理极限。

3  纯电动汽车无线充电技术未来发展趋势

纯电动汽车无线充电技术发展日新月异，在物联网、智慧医疗、无人驾驶、RFID、新能源等各个方面都得到广泛的应用，但是也存在着一些不足。主要体现在：与有线充电方式相比，能量转换效率较低，前期投入成本较高，部分充电方式产生的电磁辐射影响人体安全等一系列问题。未来电动汽车无线充电的优化与发展可以考虑以下几个方面：

①线圈的结构与放置位置导致的无线充电的效率问题：线圈之间的能量转换效率影响整个系统的传输效率;所以可以通过设计线圈之间的排布和调整角度等方式提高能量转换效率。

②电磁辐射与人体健康：通过运用CST等电磁仿真软件模拟不同的充电手段引发的电磁辐射对人体的影响，可以通过调整充电装置的内部结构，降低电磁能量向外辐射的功率，尽量减少对人体健康的影响。

③优化算法提高充电系统的稳定性：充电系统可以通过算法优化来有效抑制高次谐波，降低系统偏移量，提高整个系统电路的稳定性和传输效率。

④无线充电装置的部署：通过将充电系统的电磁线圈的发射端部署在路面下方，使汽车在路面行驶过程中完成自动充电的过程。

⑤无线充电标准：当前主流的无线充电标准主要为Power Matters Alliance（PMA）标准、Qi标准、Alliance for Wireless Power（A4WP）标准、iNPOFi技术、Wi-PO技术。不同的充电标准各方面差异较大，且相互难以兼容。所以规定统一通信频段，确定统一标准将有助于纯电动汽车无线充电技术在全球范围内的推广。

4  结语

本文主要对当前纯电动汽车无线充电技术模式与国内外发展现状进行了总结，介绍了3种常用的纯电动汽车无线传输技术的工作原理，也对当前存在的不足之处提出改进方向。当前，纯电动汽车无线充电技术在各方面都取得了可喜的成绩，但是也存在着诸如效率低、商用性不强、安全性不高等不利因素。相信经过纯电动汽车WPT领域科研工作者们的不断努力，纯电动汽车无线充电技术必然会不断完善和成熟，不断推动无线充电技术迈向新台阶。

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基金项目：2020年度湖南汽车工程职业学院科研培育项目：（HQZYKY2020B03）、（HQZYKY2020A01）。

作者简介：张超（1991-），男，湖南溆浦人，硕士，讲师，研究方向为微波输能技术;王哲（通讯作者）（1990-），男，湖南长沙人，硕士，工程师，研究方向为汽车轻量化设计和智能检测技术。