电动汽车无线充电技术分析

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摘要：如今电动汽车在市场上占比不断提升，国家各项政策也使得电动汽车产业高速发展。电动汽车的续航能力问题也随之出现。本文介绍了三种主要的无线充电技术，分析了国内外车企和制造商的无线充电技术发展现状，概述了动态无线充电技术在电动车上的最新成果。最后分析了无线充电技术在电动汽车方面的未来发展趋势。

1引言

2022年4月，国务院发布了《关于进一步释放消费潜力促进消费持续恢复的意见》[1]。其中的大力发展绿色消费提到提倡绿色出行，推动公共服务汽车电动化，同时支持新能源汽车快速发展。而当今电动汽车给人们带来的“路程困扰”是减缓其发展的一大因素。造成此问题的主要原因还是在于当前技术阶段所能制造的电池的能量密度提升缓慢，从而使电动汽车可行驶路程不高，换电技术也因价格比较昂贵而得不到普及，给消费者带来了很大的麻烦。在以现有科技无法对电池能量密度进行改进的情况下，想要解决“里程困扰”的最好方法还是进行间接充电模式，以此来达到解决电动汽车里程较短，而无线充电技术就是时代与科技高速发展下的选择。对于汽车电池来说，充电方法一般可以划分为直接接触充电的形式和无线充电的形式[2]。无线充电或无线供电技术是一种以无线电波或者电磁场为载体在自由的空间中对动力电池进行充电的技术。相较于之前广泛使用的直接接触技术的充电，无线充电技术不仅仅可以减少甚至省去在电源电线等直接连接装置的费用，也可以巧妙的避免使用过程中需反复拔插电线而出现的磨损或触电的情况，将自由、便捷和安全等多个特性运用到电能传输之中。无线充电技术具备传输能量时的高适应性，高可靠性和高安全性等特点，并且不会被外在环境的变化所影响，能够满足如今城市高速发展当中人们对于汽车充电时的需求。

2无线充电技术的介绍

无线充电技术依照工作原理可以将其划分为[3]：（1）利用电磁感应原理而制成的具备短距离大功率传输能力的感应式无线充电设备；（2）在非辐射交变磁场的耦合研究基础之上而研发出的中距离无线充电技术；（3）将电能转化为以频率约为300MHZ到300GHZ之内的电磁波为载体，并以微波的形式发送给用电设备的接受天线，再经后期处理（微波整流）来达到远距离无线充电的目的[4]。

2.1电磁感应式无线充电技术基本原理

电磁感应式无线充电技术的开发基础为电磁感应原理[5]，其运作方式为当分别在车内和车外的一、二次的变压器在距离较近的情况下是，可以实现非接触情况下传输电能的能力。其特点是该技术为目前比较成熟的无线充电方式，并且有很大的适应度。

2.2磁耦合式无线充电技术基本原理

磁耦合式无线充电技术是目前各大厂商普遍选择的无线充电技术[6]。其原理为发电厂的电能以电功率的形式在车内外的一、二次感应线圈之间，以磁场耦合的方式来进行输送。该技术最大的特点为可以以更高的频率进行能量输送。

2.3微波式无线充电技术基本原理

微波式无线充电技术与其他方式的无线充电技术相比，有更远的传输距离[8]。其原理利用的类似卫星的接受原理，将电能转化为微波，由发射端的天线发射，再由汽车内的接收端天线接受。但以目前的发展水平，微波式无线充电技术存在较高工作频率区间和对设备要求严格的特性并且系统的电能转换效率也仅为38%，所以微波技术的传输距离较长的特性在电动汽车这种传输较短的场合并不适用。

3车企发展现状

随着电子零部件性能的快速提高[9]，尤其是充电功率不断上升使得越来越的汽车制造商将无线充电纳入到自己的产品之中，并且随着集成化程度的提高，无线充电技术也在小型家用汽车当中开始运用。早在2018年，世界上第一款无线充电的量产车型就由宝马公司所制造。旗下的530eiperformance车型也成了第一批无线充电车型，共取得了一千多台的订单。在车辆靠近无线充电设备时，系统会自动打开位于底部的摄像头，方便驾驶员进行定位。该车型搭配的无线充电设备充电是可使效率达到85%并且功率达到3.2kw，可以将容量为9.4kwh的高压电池组在3.5小时充满，同时，该系统也装备了如物体探测和生物保护等功能。图1宝马无线充电系统德国大众集团为了研发全新的汽车无线充电技术，在2021年和美国田纳西大学诺斯维克分校以及橡树岭国家实验室开展了合作[10]。据了解，该新型技术的雏形为保时捷Taycan车型上的高功率无线充电技术。该合作的重点为将把原有的充电桩式有线充电改造成300KW的无线充电方式，测试表明该技术成功在10分钟内完成Taycan电池充量的80%。2021年10月，一份来自丰田的电动皮卡的部门的专利受到广泛关注，其专利的研究方向并非通常的充电设备对电动汽车进行无线充电，而是在两辆行驶的汽车当中进行电能的传输，当一辆汽车电量不足时，另一辆汽车的车主只要同意链接，即可实现无线充电，该系统未来将会和无人驾驶相匹配，做到在行驶过程中不需要人为干涉即可找到最佳的传输路线，以便达到最高的充电效率。2022年3月，沃尔沃公司也加入了名为“哥德堡绿色城区”的无线充电汽车计划[11]。其内容是在是在哥德堡市区内设置多个无线充电实验区域来配合旗下搭载40W无线充电技术的纯电XC40。据了解，该技术的充电效率已经接近市面上的50w直流有线充电桩，为11w交流有线充电桩的四倍。在国内，2020年4月23日上汽荣威发布了世界上第一款无线充电的纯电车型，名为荣威MarvelX。同时，上汽荣威还表明要将目前已经掌握的无线充电技术运用到别的电动车型上，达到技术成熟运用的目的。智已汽车在2021年的上海汽车展上，向大家展示了旗下的第一款纯电动智能车型——智已L7。他拥有雄厚的资金，同时在技术和市场上也有更加广阔的前景.智已L7配备了一套功率为11KW的无线充电设备，同时还搭载了自动定位和自动驾驶功能，当用户将汽车停在无线充电装置的附近时，即便用户下车，智已L7可以通过车辆自身的自动驾驶停入车位，并自行开始无线充电[12]。

4制造商发展现状

中兴截止目前，已有100多项关于无线充电的发明专利和60多项与无线充电技术及其配套技术的使用新型。其设备的功率已完全覆盖从3KW到60KW的大功率设备的需求。同时中兴新能源科技有限公司也共同推出了名为“智慧无线充电”的系统，该系统主要运用在城市行驶的公交电动汽车上。如今，使用无线充电技术来运营公交汽车线路已在全国如成都，贵阳等30多座城市相继开通。中兴新能源公司也不断朝着小型电动家用电动汽车的无线充电方面发展，早在2015年，分离式和整体式的电动汽车无线充电的系统在小型家用汽车上的设计问题就被中兴新能源公司攻克，并且与国内多家研发无线充电的厂家展开合作交流。高通制造商高通在电动汽车无线充电行业的发展也很迅速，2016年高通与一家名为BRUSA的企业开展合作。2017年，奔驰S550e便成为行业上第一款使用高通无线充电技术的车型，实现了车子一停就可以充电的模式。同时，高通也与日产Leaf、本田Accord和雷诺Fluence等多个车型在不断的进行合作并完成了测试。WiTricity2019年，WiTricity决定将halo部门的网络协议资产和一部分高端创新技术收入囊中。从市场来看，在协议达成之后，WiTricity将会拥有高通在无线充电方面的技术和超过一千五百项关于汽车无线充电的专利和对应的专利申请，如此一来，WiTricity可在大量高端技术的加持下更快地发展无线充电技术[6]。MomentumDynamics在2020年，具有标志性意义的公交车队50MKW的无线充电设备首次被MomentumDynamics运用在了美国华盛顿州韦纳奇的纯电公交汽车上。该技术为防止大功率无线充电时出现功率损耗的现象，使用了并联的方式来解决。MomentumDynamics系统中将每一块无线充电模块的功率限制在75KW以下，并且使初级电感中的电流始终位于125A以下。如果需要提高充电效率，只需把多个模块组装到一起即可满足大功率充电的同时又减轻了功率损耗。

5动态无线充电技术的最新成果

2019年，瑞士建成了世界上第一条动态无线充电公路。设计时将铜制的磁感应线圈埋在道路下方来防止司机驾驶时收到视觉影响。2020年，这条公路成功通过Electreon公司对载重40t的纯电动卡车的动态无线充电的性能测验。这也标志这这条公路成为世界上首条可以对纯电卡车和公交汽车进行动态充电的非测试性道路。这次测试的主要内容是证明了45KW的无线充电装置在30KM/h的最高速度下进行动态充电的可行性[13]。Electreon也宣布在未来会将无线充电时的功率和受电车辆的最高行驶速度不断提高，达到以125KW的功率对普通高速公路的车速进行无线充电。2021年，全球第四大汽车制造商的Stellantis建成了名为“ArenadelFuturo”的电动汽车动态无线充电的测试公路。这条公路全长1050m，在道路内部设有充电功率为1MW的无线充电设备，但是进行无线充电时仍需要特殊的接受装置。电测试公路2020年，重庆大学，江苏方天电力技术有限公司以及广西电网有限责任公司的电力科学院共同研发的无线充电装置亮相[14]。该发明将无线充电装置做成笔记本大小的形状铺设在道路上发射高频率磁场，当感应到受电车辆时，每个单独的供电装置便会启动。正因如此，该技术可以使电磁暴露降低到4μT以下。目前，该型无线充电设备已经可以实现有效充电距离为27cm并且能够以充电达到94%的效率的条件下为120KM/h的最高行驶速度的车辆进行动态无线充电。

6无线充电在电动汽车方面的发展趋势

随着无线充电技术和配套产业的不断发展[15]，无论是公共汽车还是小型的家庭用车都将会以高效率，通用性，智能化，集成化，联网化为目标去不断发展。

6.1高效率

如今，无线充电的方式有许多种，但要做到持续的高效率输电来缩短充电时间，需要对设备的散热性能和对电网的利用率进行分析和应对策略的研究。同时也需解决在动态无线充电的发展中单个输电装置的传输面积小，受电设备和输电设备对接精度较高的问题。

6.2通用性

目前试验的中的大功率无线充电道路都需配备特殊的无线充电系统，不同的无线充电系统的充电性能不完全相同，但是随着无线充电路面技术的成熟[5]，实际应用当中便会出现不同的受电设备与不同的输电设备无法相互匹配，因此无线充电发展的过程中需要注意不同系统之间的通用性。

6.3智能化

无线充电技术的智能化包括对受电设备和充电设备的智能优化[16]。如在充电时可以自动对电池进行诊断与故障排查和以及对电池电量的管理。同时无线充电电动汽车可以通过无线充电设备的定位装置进行自动驾驶和自动充电。对于公共车位，充电完毕时可以自动移出车位，给下一辆准备充电的电动汽车使用。

6.4联网化

通过车上的定位装置可以做到对交通情况的大数据分析即可为驾驶员提供最佳路线。同时结合车联网的电动汽车可以做到车与车，车与路面设施的网络连接，为汽车提供实时的路况数据，为自动驾驶提供有力条件。

7结语

无线充电技术经过了数十年的发现，目前也不断向着商业化进发。同时电动汽车的市场保有量不断上升[17]。高效率，智能化的无线充电技术也逐渐成为发展的主流[7]，也成为了自动驾驶和自动停车的必不可少的技术。随着车企和国家的不断重视，相信不久便可以看到无线充电技术的全面应用。

参考文献：

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[3]张晶.无线充电的电路设计与应用研究[D].武汉轻工大学，2015.

[4]郑雷.工业微波应用设备馈能系统仿真优化及功率控制系统设计[D].电子科技大学，2016.

[5]黄敏.基于电磁感应的车载无线充电系统[D].华东理工大学，2016.[3]

[6]彭穗顽.无线充电技术Qi[J].电子质量，2013（12）：55-58+70.

[7]向清琪.无线充电技术专利布局研究[D].湘潭大学，2017.

[8]刘崇凯.电动汽车无线充电技术探讨[J].科技创新导报，2015，（7）：98-99.

[9]孟庆奎.手机无线充电技术的研究[D].北京邮电大学，2012.

[10]李斌，刘畅，陈企楚，林晶怡，邓小元.电动汽车无线充电技术[J].江苏电机工

[11]白坦.便携式电子设备无线充电技术的专利申请研究和分析[D].北京化工大学，2014.

作者:范天骋 张越 陆一凡 单位:常熟理工学院