电动汽车无线充电技术研究与应用分析

李红梅 赵璐铭 胡怡先 张云莉 蒋小燕 钟佳薇

摘 要：为了节约能源消耗，降低对环境的污染，近年来，世界各国及各大汽车企业加大了对电动汽车的投入和研究，电动汽车市场亦日趋繁荣，但目前仍存在许多关键性技术问题亟待解决，其中与续航里程相关的无线充电技术因其操作便捷、公共占地面积小、安全隐患少等优点受到广泛的关注。文章主要就电动汽车国内外发展现状，电动汽车无线充电技术的充电方式及市场应用方式进行了比较分析，得出不同电动汽车使用场景所适宜的无线充电方式。

关键词：电动汽车;充电方式;无线充电;技术应用

中图分类号：U469.7  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）10-34-04

Research and application analysis of wireless charging technology for electric vehicle

Li Hongmei， Zhao Luming， Hu Yixian， Zhang Yunli， Jiang Xiaoyan， Zhong Jiawei

（ Chengdu Normal University， College of Physics and Engineering， Sichuan Chengdu 611130 ）

Abstract： To save energy consumption and reduce environmental pollution， in recent years， countries around the world and major automobile enterprises have increased investment and research of electric vehicles， and its market has become increasingly prosperous. However， there are still many critical technical problems to be solved， among which wireless charging technology related to the cruising range has attracted wide attention on account of its advantages of convenient operation， small public area， and less potential safety risks. In this paper， we principally compare and analyze the current situation of the development of electric vehicles in domestic and abroad， the charging mode of electric vehicle wireless charging technology， as well as its market application， obtaining the appropriate wireless charging mode for different electric vehicles use scenarios.Keywords： Electric vehicle; Charging mode; Wireless charging; Technology applicationCLC NO.： U469.7  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）10-34-04

1 电动汽车发展状况分析

电动汽车从技术状态和驱动原理来讲主要有燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车三类。随着环境恶化和能源短缺，近年来，全球各国均加快了对电动汽车的研发进程，电动汽车正朝着产业化方向迈进。

1.1 国外电动汽车发展状况

到目前为止，美国政府已向汽车厂商和其他技术厂商出资数百亿美元来推动电动汽车核心技术研发^[1]。截至2019年，美国电动汽车保有量达146万。此外，欧盟、日本的电动汽车市场发展也位居全球电动汽车市场前列。之所以国外电动汽车发展的态势较为迅猛，是因为研发出了较多的核心技术。2010年，英国Halo IPT公司通过为雪铁龙的电动汽车车安装接收垫，实现了电动汽车的无线充电技术的应用，并已在2012年投入商用^[2]。2013年，两条长24KM，传输效率达85%的电动公交线路在韩国龟尾市投入运行。2016年，美国橡树岭国家实验室研究团队将20kW的无线充电系统的充电效率提至90%的基础上，使充电速度也提升为常规插电式电动汽车设备的3倍^[3]。

1.2 国内电动汽车发展状况

在“十五”和“十一五”期间，以节能环保、提高汽车工业竞争力和实现产业跨越式发展的战略格局为出发点，我国先后启动了“863”计划、“节能与电动汽车重大项目”等，同时投入近20亿元推动电动汽车核心技术研发领域发展;在“十二五”和“十三五”期間，我国围绕着电动汽车技术创新和产业发展两个主要方面，坚持“三纵三横”的技术体系，逐渐完善电动汽车产业链，推动其产业化发展。在截至2019年，我国电动汽车保有量已达到344万辆。近年来，我国在电动汽车的总成集成、核心部件研发及整车系统设计等多方面实现了技术的创新和发展的跨越^[1]。目前，我国已有30多个城市开通无线充电公交线路^[4]。

近年来，国内外的电动汽车销量、全球与国内的电动汽车无线充电技术基本专利申请量和公开量，专利申请人数量及专利族数量的对比分析如图1、图2、图3所示。

从图1可得，从2014年到2019年，国内外电动汽车销量大体呈上升趋势。2018年，国内电动汽车销量已超过国外;2019年，国内销量虽有下降的趋势，但预测在2020年，国内电动汽车销量会持续上升突破500万^[5]。

从图2可得，国内的基本专利申请量和公开量与全球的趋势大体相同。从1986年到2018年，大体呈现上升的趋势，但在2015年有下降的趋势，在2016年到2018年增势达到平稳的阶段;

图3表明，从1967年到2014年，我国的申请人数量和专利族数量快速增长，2016年到2018年增势较为平缓，总体上呈现出与全球水平相差逐年减小的状态。

综上所述，国内外电动汽车销售趋势与无线充电技术申请专利的数量和发表专利的人的数量整体趋势均为逐年上升，同时也表现了无线充电技术作为电动汽车关键技术的重要性和待更进一步研发的局面。

2 无线充电技术

无线电力传输的实现方式有三种：电磁感应式、磁场共振式、与微波传输式。

2.1 电磁感应式

该种充电方式的主要工作原理是：能量的发射端与接收端各设有一个线圈，同时利用置于地面下的初级线圈来产生交变电流。线圈随即产生交变磁场来感应置于车辆底部的次级线圈，此时线圈产生交变磁场，从而使次级产生交流电。这时接收端将收到由发射端产生的能量，进而实现能量的转移。磁感应能量耦合一般会采用铁氧体磁芯，这样可以在很大程度上提高线圈间的耦合系数，提高无线传输效率^[6]。沃尔沃C30电动汽车正是运用了此种充电技术来实现续航：电能由置于路面内的充电板通过无线传输的方式输送给汽车的蓄电池^[7]。但是电磁感应式具有较高的对位敏感度，即当实际停车位置与预定位置出现较大偏差时，会导致发送端与接收端之间出现不可忽略的误差，进一步严重影响电力的传送效率。因此，怎样在停车时保证横、纵两个方向的偏差控制在200-300mm范围内，同时又能满足较高的充电效率与传输效率，是目前无线充电行业需要致力攻克的难题。

2.2 磁场共振式

磁场共振式的充电技术的工作原理与电磁感应式工作原理大致相同，其区别在于后者的初级线圈和次级线圈使用相同的共振周波，即谐振。将发射圈和接收圈的频率设为相同的值，同样在接收端产生电流，从而实现能量传输。相比于上文提及的电磁感应式，磁场共振的输出功率大大降低，传送距离变长，充电效率更高。在实际应用中可实现中远距离的传输，短则几厘米，长则几米。能量的发射端及接收端都可以采用密封的结构，对于暴雨、下雪等恶劣天气下进行充电也是比较安全可靠的。还有区别于磁感应式的一点是，这类充电方法的线圈对位精准度要求不是很高，在一定的误差内仍能满足充电需求，这就有利于充电的设备的建立，所以磁场共振式适用于一般情况下的新能源电动汽车实现充电续航。但其充电方式的损失耗能相对较大。

2.3 微波传输式

微波无线充电技术的工作原理是将汽车运转过程中所产生的电能转换成微波信号，随之通过一定的发送装置进行发送信号，然后转换装置来转化微波信号，将期间产生的电能储存在汽车的电池中。这种方式的充电部分和接收部分都采用2.45GHz的微波信号，输出功率只有1KW。但是它的传输距离可达1000mm，相较前两种充电技术在这一点就有着明显的优势，加之微波的波长较短，因此微波传输式一般可用于长距离的定向传输^[7]。但遗憾的是由于输出功率很低，微波傳输的传输速度慢，波段较窄，致使微波传输的充电效率只有38%，远低于电磁感应式及磁场共振式的充电效率，所以这种方式一般不适宜在电动汽车无线充电的领域来广泛使用。

通过对以上三种充电技术的优缺点进行对比分析，可以看出其不同技术在不同领域的优势，表1对上述三种方法给出了对比^[7]。

3 电动汽车无线充电技术应用

电动汽车中运用无线充电技术需要从充电方式、成本、安全等多方面进行充分考虑，在充电地点的选择问题更要加强重视力度。充电设备设置的距离选择以及充电的具体状态都需要认真思虑：若电动汽车与充电端的距离过大，两者之间没有相对运动，将会导致电能不能稳定、有效地传输。所以本小节将围绕无线充电技术的具体应用及场景来展开介绍。

3.1 停车充电技术的应用

这种方式即为使汽车在停车时进行充电，类似于传统的充电方式。汽车可以在特定的位置静止充电，比如路边停车，停车场停车以及路口等待交通灯等驻车方面。这种方式更加广泛应用于小型私家车：因为小型私家车主要用途为车主上下班或者自驾游，长时间停车的位置一般是公司附近、住宅停车场等，所以可以利用这些停车时间段来实现对车辆的续航。

3.2 站点充电技术的应用

随着新能源汽车的普及，公交车由原来的汽油或柴油驱动转换成了电能驱动。截止2019年底，全国城市公交车电动化比例已超过半成。但由于公交车属于营运性质的车辆，每天行驶时间较长，同时受车载电池体积的影响，公交车的充电需求较高，因此24小时内至少要对电动公交车进行一次快速充电，并且每次充电所需时间大约为2-3小时^[9]，所以公交车可以在每天营运前或者前一天营运结束后在固定站点进行续航。这样，既能省下到特定的能量补给站蓄能的时间，又能减少一定的占位空间，还能缩减建设特定充电站的成本费用。因此，站点充电技术具有很强的可行性。

3.3 动态充电技术的应用

除了公交车、出租车等转为电能续航外，公路客车电动化也加入其中。截止2018年底，客车电动化进程较慢，仅占市场的3%，但是未来发展潜力很大。目前较为普遍存在的充电技术为静态充电，但针对客车行驶时间较长的特点，一次性饱和充电难以实现正常的营运要求。所以动态无线充电的需求便凸显而出，比如电动客车在高速公路上行驶的同时能从地面上得到一定的电能反馈到车身电池，给车辆续航。这样一来不仅可以在极大程度上节约了驻车充电的时间，还能提高营运效率。但是，动态充电技术在成本上投入较大，需要将无线通信技术、实时控制技术以及定位传感技术有效的结合^[10]。目前，虽然实现该技术较大发展的可能性较小，但动态技术独特的优势必定会是电动汽车行业未来重点研究的方向。

表2对充电技术的三种应用方式给出了具体的分析对比：

综上所述，无线充电技术的应用十分广泛，不同类型的车辆所适宜的充电场景随之不同，良好的技术应用能够极大程度地推动城市的电动化进程。

4 结语

本文主要针对电动汽车的无线充电技术进行了研究，通过对国内外电动汽车的发展进行趋势分析，引入无线充电技术，并对三种典型的无线充电方式的技术特点进行对比且对不同的应用场景进行了具体讨论。现阶段，电动汽车无线充电技术朝着智能化、灵活化以及效率化的方向发展。为迎合我国新能源发展的需要，充电技术的应用是不可缺少的研究范畴，可针对不同的电动汽车、不同的驾驶场景制定出适宜且愈加完善的充电方案。

参考文献

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