新能源汽車無線充電技術(shù)綜述*

李 杰 ， 張江林 ， 賀興家 ， 胡洋珩 ， 徐智勇

（成都信息工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，四川 成都 610225）

隨著科技的進(jìn)步以及人們對(duì)于能源和環(huán)保問題的重視，新能源汽車越來越受到人們的關(guān)注。因?yàn)閲艺叩拇罅Ψ龀?，如今汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)就是新能源汽車[1]。目前新能源汽車的充電方式主要為有線充電，通過充電樁來進(jìn)行電能的傳輸，但是在實(shí)際使用中卻會(huì)出現(xiàn)很多問題。其中一個(gè)主要問題是一個(gè)充電樁不能同時(shí)為多輛車供電，節(jié)假日經(jīng)常能在高速公路的服務(wù)區(qū)看到很多新能源汽車在排隊(duì)等著充電。另一個(gè)問題是有安全隱患，利用充電樁進(jìn)行充電的時(shí)候容易產(chǎn)生漏電的情況，這是一個(gè)不可忽視的安全隱患。與有線充電比較，無線充電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于穩(wěn)定性與安全性。課題組將介紹幾種基本的無線充電方式，包括磁耦合共振式、電磁感應(yīng)式與無線電波式，通過比較這三種無線充電方式，可知磁耦合共振式不管是在傳輸距離還是在傳輸功率上，都具有很好的研究前景[2-5]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

對(duì)于電能的無線傳輸國外研究比較早，因此關(guān)于新能源汽車無線充電的研究也要比國內(nèi)領(lǐng)先。國外知名車企比如寶馬、奧迪、豐田等都已經(jīng)在新能源汽車上實(shí)驗(yàn)無線充電技術(shù)[2]。國外研究新能源汽車無線充電技術(shù)的高校和機(jī)構(gòu)主要有日本東京大學(xué)、美國猶他大學(xué)、新西蘭奧克蘭大學(xué)及美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室等。在2007年的時(shí)候，美國麻省理工學(xué)院的Marin教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與Delphi公司合作，共同研發(fā)了電動(dòng)汽車無線充電設(shè)施。東亞國家中，日本運(yùn)行了無線充電混動(dòng)巴士，韓國也運(yùn)行了感應(yīng)充電式觀光車。2021年12月7日，全球第四大汽車制造商Stellantis在官網(wǎng)上表示，實(shí)驗(yàn)新能源汽車無線充電的公路“Arena del Futuro”正式開通，且測試結(jié)果令人滿意。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)研究新能源汽車無線充電的高校主要有清華大學(xué)、東南大學(xué)以及重慶大學(xué)等，主要聚焦于優(yōu)化磁耦合設(shè)計(jì)、電磁兼容與屏蔽和系統(tǒng)建模與控制等方面。2013年東南大學(xué)黃學(xué)良教授及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)了全國首輛無線電能傳輸?shù)男履茉雌?。同年，重慶大學(xué)孫躍教授及其團(tuán)隊(duì)也提出了一種新能源汽車能量互充系統(tǒng)。此外，清華大學(xué)趙爭鳴教授及其團(tuán)隊(duì)也對(duì)新能源汽車無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。國內(nèi)也有很多研究新能源汽車無線充電技術(shù)的公司，比如北京有感科技有限責(zé)任公司、中興新能源汽車、廈門新頁科技有限公司等。2014年中興新能源汽車實(shí)現(xiàn)了最大輸出功率60 kW且有著90%效率的無線充電系統(tǒng)。2021年下半年萬安科技在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上表示，公司新能源汽車無線充電技術(shù)將要進(jìn)入小規(guī)模量產(chǎn)階段。2022年上汽集團(tuán)與多方合資的新勢(shì)力品牌智己汽車上市的智己L7配備了11 kW無線充電功能。

2 無線充電技術(shù)

2.1 電磁感應(yīng)式

最常見的無線充電技術(shù)，主要通過電磁感應(yīng)原理進(jìn)行電能的無線傳輸，與變壓器工作原理一致。當(dāng)初級(jí)線圈接上某個(gè)頻率的交流電源時(shí)，由于電磁感應(yīng)原理，次級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這樣便把能量從發(fā)送端傳送到接收端，實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。此類無線充電技術(shù)存在著局限性：由于兩線圈之間氣縫的限制，傳輸距離比較短，最遠(yuǎn)只能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)，而且空氣間隙同樣對(duì)電能傳輸效率有影響。因?yàn)樯鲜鲈?，這種無線充電方式多數(shù)應(yīng)用在手機(jī)、平板以及電動(dòng)牙刷等微型電子產(chǎn)品上。電磁感應(yīng)式電能無線傳輸系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)框圖

2.2 磁耦合共振式

2007年6月，麻省理工學(xué)院的Marin教授與他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一個(gè)公開演示。他們把一個(gè)有著60 cm直徑的線圈通電，此時(shí)與另一個(gè)線圈相連的60 W燈泡被點(diǎn)亮，相距6英尺（約1.83 m）。這個(gè)原理就是磁耦合共振，Marin教授稱之為WiTricity技術(shù)。磁共振的前提條件是發(fā)射線圈與接收線圈有著一樣的諧振頻率，當(dāng)發(fā)射線圈的諧振頻率和系統(tǒng)頻率一樣時(shí)，發(fā)射線圈里將會(huì)流過最大的電流，就能產(chǎn)生最強(qiáng)的磁場，如果接收線圈也有一樣的諧振頻率，發(fā)射線圈與接收線圈便可通過耦合磁場實(shí)現(xiàn)共振[6-7]。這個(gè)技術(shù)的基本過程為電源傳輸電能到電路中，進(jìn)行高頻逆變之后將所需頻率的交流電傳送到另一個(gè)用于發(fā)射的線圈，發(fā)射線圈和接收線圈有著一樣的諧振頻率便會(huì)產(chǎn)生共振，信號(hào)到達(dá)接收線圈之后再經(jīng)整流濾波，最后電池就可以收集輸送過來的電能，從而完成電能的無線傳輸。

磁耦合共振技術(shù)能夠進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的電能傳輸，可以進(jìn)行幾厘米到幾米的無線充電。除了有較遠(yuǎn)的傳輸距離之外，磁耦合共振方式還能夠同時(shí)為多個(gè)設(shè)備供應(yīng)電能，并且磁耦合共振方式最高能夠達(dá)到90%以上的傳輸效率。磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)框圖

2.3 無線電波式

無線電波又叫電磁波，利用無線電波進(jìn)行電能傳輸，是另一種比較可靠的無線充電方式。此方式最重要的一部分是天線，由天線來進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換與傳輸，通過發(fā)射裝置之后，電能變換成電磁波，調(diào)整角度之后的接收裝置收到無線電波，再把電磁波轉(zhuǎn)化為電能。

早期的礦石收音機(jī)和這個(gè)原理相似，都是先將電能轉(zhuǎn)化為電磁波，再接收電磁波并轉(zhuǎn)化成電能。雖然這種方式的傳輸距離較遠(yuǎn)，但是功率和效率都比較低，而且傳輸過程中產(chǎn)生的電磁波還會(huì)對(duì)人有一定的影響，因此，這種無線充電方式在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用一直沒有被深入研究。無線電波式充電系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 無線電波式充電系統(tǒng)框圖

2.4 無線充電技術(shù)的比較

對(duì)上述三種無線充電技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。由表1可知，對(duì)于新能源汽車的無線充電，不管是在傳輸距離還是在傳輸功率上，磁耦合共振式無線充電技術(shù)都是最有可能在未來應(yīng)用在新能源汽車上的。

表1 三種無線充電技術(shù)比較

3 無線充電現(xiàn)存問題

3.1 充電標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

目前采用的標(biāo)準(zhǔn)主要有5種，分別是PMA標(biāo)準(zhǔn)、A4WP標(biāo)準(zhǔn)、Qi標(biāo)準(zhǔn)、Wi-Po技術(shù)與iNPOFi技術(shù)。限制無線充電發(fā)展的一個(gè)重要原因就是充電標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，統(tǒng)一充電標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于無線充電發(fā)展來說是一個(gè)必不可少的過程。

3.2 成本較高

電動(dòng)汽車的無線充電需要較高難度的技術(shù)，在還沒有普及和量產(chǎn)之前，所需的成本要高于有線充電。一套完全售后的家庭無線充電系統(tǒng)成本大約為2 500～3 000美元，然而，只需要300～500美元就可以購買7 kW的有線充電樁。因此，較高的成本依然阻礙著無線充電技術(shù)的普及和量產(chǎn)，技術(shù)的進(jìn)步在未來應(yīng)該能使其成本逐漸降低。

3.3 安全隱患

電能轉(zhuǎn)化為電磁波之后會(huì)產(chǎn)生高頻輻射，而且充電的時(shí)候如果有小動(dòng)物或者金屬異物介入，也會(huì)引起故障，存在一定的安全隱患。目前，高通的無線充電系統(tǒng)遇到上述情況會(huì)進(jìn)行緊急處理，當(dāng)有活體靠近充電板或有金屬物體在充電板上時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測出來，進(jìn)行報(bào)警處理，并且立即停止充電。

4 無線充電技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)

2020—2025年無線充電產(chǎn)業(yè)將會(huì)得到迅速發(fā)展，預(yù)計(jì)2025年之后，智能化汽車產(chǎn)業(yè)逐漸成熟，無線充電的市場將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。無線充電技術(shù)的未來發(fā)展應(yīng)該考慮同時(shí)為多輛電動(dòng)汽車充電，提高傳輸功率和效率，提高充電穩(wěn)定性和安全性[8-9]?？萍嫉倪M(jìn)步將使無線充電的應(yīng)用場景更加多元化，不但能夠在汽車領(lǐng)域使用，還可以在PC、手機(jī)等更多電子產(chǎn)品中利用，未來可能會(huì)是一個(gè)無線時(shí)代。

5 總結(jié)

對(duì)于電動(dòng)汽車，與有線充電技術(shù)相比，無線充電技術(shù)更為方便與安全。比較三種常用的無線充電技術(shù)（電磁感應(yīng)式、磁耦合共振式及無線電波式），可知磁耦合共振式是在未來最有研究價(jià)值的無線充電方式[10]。目前，無線充電技術(shù)在手機(jī)、電動(dòng)牙刷等小功率電子設(shè)備上已經(jīng)商業(yè)化，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的商業(yè)化還需要繼續(xù)深入研究和發(fā)展。主要問題集中在成本、充電功率和效率、傳輸距離上面，這些都是目前研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。汽車產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要組成部分，在社會(huì)發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)中有著舉足輕重的地位。新能源汽車行業(yè)是一個(gè)逐漸崛起的產(chǎn)業(yè)，發(fā)展新能源汽車能夠有效促進(jìn)節(jié)能減排。制定統(tǒng)一的無線充電國際標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)國際研究團(tuán)隊(duì)的合作，都能對(duì)該技術(shù)的發(fā)展起到積極促進(jìn)作用。

對(duì)于新能源汽車行業(yè)來說，無線充電技術(shù)有著跨時(shí)代的意義，不僅能夠節(jié)約建設(shè)充電樁與充電站的成本，還能夠把充電電源與變壓器埋藏在地面下，讓電動(dòng)汽車的充電變得更快捷安全。相信在未來，無線充電技術(shù)能夠在新能源汽車上成熟利用，并對(duì)社會(huì)的發(fā)展起到積極作用。