新能源汽車充電技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

韓彬

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

近年來(lái)，在環(huán)境污染和能量危機(jī)的形勢(shì)下，隨著汽車工業(yè)科技的進(jìn)步和國(guó)家的大力扶持，新能源汽車成為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)前新能源汽車主要以插電式混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車為主，這2種汽車都需要充電，現(xiàn)在電動(dòng)汽車的充電方式全部是接觸式充電（無(wú)論是充電模式還是換電模式），充電設(shè)施主要包含分散式充電樁和集中式充換電站[1]?！翱斐湫枧抨?duì)，慢充停車貴”已成為新能源汽車消費(fèi)者公認(rèn)的事實(shí)。文章提出以無(wú)線充電技術(shù)代替原有充電方式，解決了充電資源不足的問(wèn)題。

1 新能源汽車充電技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 充電樁和充電站數(shù)量不足

與新能源汽車的爆發(fā)相比，充電基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。僅2016年上半年中國(guó)新能源汽車銷量為17萬(wàn)輛，而截至2016年底，國(guó)內(nèi)已建成公共充電樁10萬(wàn)個(gè)，車樁比大約為9∶1。按照新能源汽車與充電樁1∶1的標(biāo)準(zhǔn)配置來(lái)看，充電設(shè)施缺口巨大。比如，普通充電多為交流充電，電壓220 V，一次需要10 h左右充滿，假如電站有10個(gè)充電位置，則一天最多充30輛汽車，則10萬(wàn)輛汽車需要大量的充電站，占用大量的城市用地，如圖1和圖2所示。

圖1 電動(dòng)汽車充電站

圖2 電動(dòng)汽車充電樁

1.2 接口標(biāo)準(zhǔn)難統(tǒng)一

國(guó)際上主要有國(guó)際電工委員會(huì)、美國(guó)、歐洲、日本及中國(guó)5套標(biāo)準(zhǔn)體系。目前國(guó)內(nèi)新能源充電接口主要以國(guó)標(biāo)和美標(biāo)為主，且兩者完全不兼容。此外，采用國(guó)標(biāo)的企業(yè)充電接口標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，在參數(shù)上會(huì)有一定的差別。如果沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，每款車都需要配一個(gè)自己的充電樁，要換車就需要把充電樁一同換掉，這樣充電樁無(wú)法通用，既制約了新能源汽車的普及，也提高了使用成本。

1.3 同時(shí)充電的汽車數(shù)量有限

在快速充電中，多為直流充電，一次充電需要10～20 min，10 min把35 kW的電池充電完畢大約需要250 kW的充電功率，是一個(gè)辦公大樓用電負(fù)荷的5倍，這不可能是家庭充電！假如一個(gè)充電站開(kāi)4個(gè)充電機(jī)，功率就能達(dá)成“兆瓦”級(jí)，是個(gè)難題！如圖3所示。

圖3 現(xiàn)有充電規(guī)劃模式

1.4 有線充電樁易受到侵害

充電樁的功能類似于加油站的加油機(jī)，在電動(dòng)汽車使用中扮演著重要角色。為了縮短用戶充電時(shí)間，充電樁普遍采用高電壓、大電流的工作方式，這對(duì)安全提出了極高的要求，在實(shí)際使用中有很多的充電樁都是安裝在露天環(huán)境的，露天環(huán)境就難免遭受風(fēng)吹雨淋日曬，加上充電樁產(chǎn)品質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)的參差不齊，無(wú)形中都增加了安全隱患。

綜上所述，這些問(wèn)題的存在，已成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的一大阻礙[2]。

2 新能源汽車無(wú)線充電技術(shù)工作原理

無(wú)線供電，是一種新型的電能傳輸技術(shù)，無(wú)需物理連接，通過(guò)非物理接觸的電能傳輸方式來(lái)驅(qū)動(dòng)用電器，在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車等眾多領(lǐng)域都可以使用該技術(shù)。電能補(bǔ)充無(wú)需使用電源線和插座，更加方便安全[3]。

2.1 電磁感應(yīng)式

初級(jí)線圈連通一定頻率的交流電，通過(guò)電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。為充電線圈提供交流電并產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，磁力線穿過(guò)與之分離一定距離的接收線圈。交流電產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使接收線圈產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并可以對(duì)外輸出電流，如圖4所示。

圖4 電磁感應(yīng)式無(wú)線充電原理

電磁感應(yīng)式非接觸充電系統(tǒng)也存在它的局限性：1）送電距離比較短，如果兩個(gè)線圈的橫向偏差較大，傳輸效率就會(huì)明顯下降。目前來(lái)看，只能實(shí)現(xiàn)傳輸距離為10 cm左右，而汽車底盤的離地間隙要大于10 cm；2）耦合的輻射問(wèn)題，電磁波的耦合會(huì)不會(huì)存在大的磁場(chǎng)泄漏。電磁感應(yīng)在線圈之間傳輸電力，如同磁鐵一樣，在外圈有一定的泄漏，人如何避免受影響是一個(gè)很大的問(wèn)題；3）線圈之間也有可能有雜物進(jìn)入，例如某些動(dòng)物（貓、狗）進(jìn)入里面，一旦產(chǎn)生電渦流，就如同電磁爐一樣，存在一定的安全隱患。

2.2 磁場(chǎng)共振式

磁共振式也稱為近場(chǎng)諧振式，由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當(dāng)2個(gè)裝置調(diào)整到相同頻率，或者說(shuō)在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，其原理與聲音的共振原理相同，排列在磁場(chǎng)中的相同振動(dòng)頻率的線圈，可從一個(gè)向另一個(gè)供電，如圖5所示。

圖5 磁場(chǎng)共振式無(wú)線充電原理

現(xiàn)在的技術(shù)能力大約是直徑0.5 m的線圈，能在1 m左右的距離提供60 W的電力。磁場(chǎng)共振式充電的技術(shù)難點(diǎn)是小型、高效率化，小型、高效率被認(rèn)為是將來(lái)最有希望廣泛用于電動(dòng)汽車無(wú)線充電的一種方式。

2.3 無(wú)線電波式

無(wú)線電波也叫電磁波，人們非常熟悉?，F(xiàn)在的廣播、電視等現(xiàn)代通信技術(shù)都采用無(wú)線電波技術(shù)作為基礎(chǔ)，它同時(shí)能傳輸電能，特別是微波，通過(guò)硅整流二極管天線將微波轉(zhuǎn)換成電能，轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到95%。類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主要由微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，接收電路可以捕捉到從墻壁彈回的無(wú)線電波能量，在隨負(fù)載作出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓。

3 新能源汽車無(wú)線充電實(shí)例

3.1 日本無(wú)線充電式混合動(dòng)力巴士

電磁感應(yīng)式供電線圈埋入充電臺(tái)的混凝土中，車開(kāi)上充電臺(tái)后，當(dāng)車載線圈對(duì)準(zhǔn)供電線圈后（重合），車內(nèi)的儀表板上一個(gè)指示燈會(huì)亮，司機(jī)按一下充電按鈕，就開(kāi)始充電。如圖6所示。

圖6 日本無(wú)線充電式混合動(dòng)力巴士

3.2 韓國(guó)感應(yīng)充電觀光車

韓國(guó)首爾一座游樂(lè)園內(nèi)試運(yùn)行一種新型電車。這種電車在鋪有電感應(yīng)條的路面上行駛時(shí)可“無(wú)線”充電，不像傳統(tǒng)電車需通過(guò)路軌或頭頂電線獲得電力。如圖7所示。

圖7 韓國(guó)感應(yīng)充電觀光車

3.3 日產(chǎn)魔方電動(dòng)車

采用了可在供電線圈和受電線圈之間提供電力的電磁感應(yīng)方式，即將一個(gè)受電線圈裝置安裝在汽車的底盤上，將另一個(gè)供電線圈裝置安裝在地面，當(dāng)電動(dòng)汽車駛到供電線圈裝置上，受電線圈即可接收到供電線圈的電流，從而對(duì)電池進(jìn)行充電。目前，這套裝置的額定輸出功率為10 kW，電動(dòng)汽車一般可在7～8 h內(nèi)完成充電。如圖8所示。

圖8 日產(chǎn)魔方電動(dòng)車

4 結(jié)論

無(wú)線電能傳輸技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，目前在手機(jī)、電腦、隨身聽(tīng)等小功率設(shè)備上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電大功率設(shè)備也成為各大科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注焦點(diǎn)。電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)相比于傳統(tǒng)接觸式傳導(dǎo)充電技術(shù)，在適應(yīng)性、安全性、可靠性、靈活性等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，方便應(yīng)用于車庫(kù)、停車場(chǎng)、充電站等場(chǎng)所。大幅提高土地使用效率，解決在都市核心地帶大量建設(shè)充電設(shè)施的老大難問(wèn)題，構(gòu)建電動(dòng)汽車充電公共服務(wù)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的新模式，加速我國(guó)新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略，無(wú)線充電技術(shù)的普及對(duì)新能源汽車行業(yè)有跨時(shí)代意義。