雙碳減排背景下對(duì)于新能源汽車(chē)技術(shù)發(fā)展與普及度研究

魏明宇　黃大可　范湘　肖倩影　趙玉瑋

摘 要：現(xiàn)在石油和化石能源的短缺和污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，由于其能耗低，無(wú)污染的特點(diǎn)，電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展迅速，電動(dòng)汽車(chē)是一種由車(chē)載電池供電的新型環(huán)保汽車(chē)，是解決不可再生化石能源消耗大、環(huán)境污染和降低運(yùn)營(yíng)成本的重要解決方案。電動(dòng)汽車(chē)的充電方式有兩種：有線充電和無(wú)線充電。有線充能技術(shù)存在著操作復(fù)雜、插拔不安全、環(huán)境適應(yīng)性差等缺陷，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展造成了障礙；而無(wú)線充能技術(shù)具有操作便捷、無(wú)接觸耗散、無(wú)高壓危險(xiǎn)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前市場(chǎng)的主流趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē) 無(wú)線充電 普及度 發(fā)展趨勢(shì)

1 引言

純電動(dòng)車(chē)無(wú)線充電具備占地面積小單位可充電車(chē)輛多操作方便靜態(tài)即停即充、動(dòng)態(tài)即開(kāi)即充、損壞率低機(jī)械連接少等優(yōu)勢(shì)，甚至能夠解決當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航焦慮。為什么多年來(lái)，無(wú)線充電技術(shù)，仍然還未大量普及？手機(jī)無(wú)線充電裝置的基本原理是電磁感應(yīng)原理，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)所運(yùn)用的也是電磁感應(yīng)原理。電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)普及度難點(diǎn)在哪？

2 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的基本原理

無(wú)線充電是一種無(wú)線能量傳輸?shù)募夹g(shù)，通常使用電磁感應(yīng)原理。電磁感應(yīng)是指因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)里做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流。電磁感應(yīng)一般進(jìn)行低功率無(wú)線充電，使用諧振進(jìn)行高功率無(wú)線充電。供電設(shè)備（充電器）將能量傳輸給設(shè)備，設(shè)備利用接收到的能量為電池充電，并同時(shí)操作自身。[2]

無(wú)線充電技術(shù)利用無(wú)線電能傳輸技術(shù)，讓電子產(chǎn)品和汽車(chē)等設(shè)備無(wú)需連接電源線就能充電。目前，無(wú)線充電技術(shù)主要有四種方式：電磁感應(yīng)式、磁共振式、無(wú)線電波式和電場(chǎng)耦合式。隨著科技的進(jìn)步和市場(chǎng)的需求，無(wú)線充電技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，但也面臨著一些技術(shù)難題。無(wú)線充電的實(shí)現(xiàn)方式分為

（1）電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)基于磁場(chǎng)耦合原理，通過(guò)可分離的變壓器結(jié)構(gòu)，在初級(jí)和次級(jí)線圈之間建立交變磁場(chǎng)，從而在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電流。由于磁場(chǎng)可以穿透非金屬材料，因此該系統(tǒng)可以在無(wú)電氣接觸的情況下，在一定距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。

（2）磁場(chǎng)共振式無(wú)線充電技術(shù)是基于磁場(chǎng)共振原理實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)囊环N方法，其原理是在發(fā)射端形成一個(gè)變化的磁場(chǎng)，然后通過(guò)與接收端的線圈產(chǎn)生共振，將磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電流能量。該技術(shù)適用于低功率無(wú)線充電應(yīng)用，其關(guān)鍵是使接收天線與發(fā)射場(chǎng)的電磁頻率達(dá)到一致。

（3）無(wú)線電波式無(wú)線充電該方法使用微波作為自由空間中傳輸能量的載體，并且具備定向性和穿透電離層的優(yōu)勢(shì)。它由微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，可以捕獲從墻壁反彈回來(lái)的無(wú)線電波能量，并在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓水平。

（4）電場(chǎng)耦合式無(wú)線充電技術(shù)利用兩組不對(duì)稱(chēng)偶極子沿垂直方向產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)并相互耦合，從而實(shí)現(xiàn)電力傳輸?shù)姆绞椒Q(chēng)為電場(chǎng)耦合式。

3 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電方式種類(lèi)

3.1 慢充充電

交流充能技術(shù)其原理是利用交流充能接口，將交流電網(wǎng)中的交流電直接傳輸?shù)絻?chǔ)能裝置中，并通過(guò)內(nèi)置的逆變器將其轉(zhuǎn)換為直流電，并進(jìn)行充放循環(huán)。該技術(shù)需要較長(zhǎng)時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)較高比例的補(bǔ)能，一般在6到8個(gè)小時(shí)內(nèi)可以達(dá)到100%。

3.2 快充充電

高功率直流充能技術(shù)其特點(diǎn)是利用直流充能接口，將交流電網(wǎng)中的交流電經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為直流電，并通過(guò)快速充能接口向儲(chǔ)能裝置進(jìn)行高效率的充放循環(huán)。該技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高比例的補(bǔ)能，一般在30分鐘內(nèi)可以達(dá)到80%。

3.3 換能模式

新能源汽車(chē)換能模式其特點(diǎn)是在專(zhuān)用的換能站內(nèi)對(duì)新能源汽車(chē)實(shí)施快速的動(dòng)力系統(tǒng)更換，而非傳統(tǒng)的充能方式。該模式通過(guò)集中型充能站對(duì)大批量的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)、充放循環(huán)和配送，并在換能站內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)與新能源汽車(chē)之間的快速匹配和替換，實(shí)現(xiàn)了充放循環(huán)、物流調(diào)度和換能服務(wù)的一體化運(yùn)營(yíng)。

3.4 無(wú)線充電

無(wú)線充能技術(shù)其原理是利用高頻交流磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)效應(yīng)，將埋設(shè)在地下的導(dǎo)軌中的電能無(wú)線傳輸?shù)皆诘孛嫔闲旭偛⒀b有接收器的車(chē)輛中，并為其儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充放循環(huán)。該技術(shù)可以降低電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)容量的依賴(lài)，提高其續(xù)航性能，并且增強(qiáng)了補(bǔ)能服務(wù)的安全性和便捷性。

3.5 分析比較

目前國(guó)內(nèi)最主流的充電效率是慢充7Kw，快充15Kw-360Kw。慢充沒(méi)有考慮電力傳輸損耗，而無(wú)線電充電比有線充電更“浪費(fèi)”?？斐涑潆姡瑥墓β矢叩偷姆矫鎭?lái)說(shuō)，有線快充在高頻率頻段更占優(yōu)勢(shì)。

換電模式以蔚來(lái)為代表，直接更換電池組，只需3-5分鐘就能完成補(bǔ)電；而無(wú)線充電時(shí)間與充電功率有關(guān)，即使是滿功率充電，例如70Kwh功率電池，充滿22Kw的電量需要3個(gè)小時(shí)。但是汽車(chē)有靜態(tài)無(wú)線充電和動(dòng)態(tài)無(wú)線充電，在動(dòng)態(tài)無(wú)線充電的低頻段功率無(wú)線快充下，會(huì)出現(xiàn)即使在充電，電量仍在下降的現(xiàn)象。電力輸入不及電量輸出。

相比于充電模式，換電模式有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

換能速度快：一般情況下，單次換能只需1-5分鐘就可以完成，而充能則需要半小時(shí)甚至一個(gè)小時(shí)以上這樣可以有效緩解用戶(hù)的里程焦慮，并提高司機(jī)的收益。

購(gòu)車(chē)成本低：采用“車(chē)輛與動(dòng)力系統(tǒng)分離”的模式，用戶(hù)只需購(gòu)買(mǎi)車(chē)輛本身，并按照使用情況租賃或購(gòu)買(mǎi)動(dòng)力系統(tǒng)。這樣可以降低用戶(hù)前期購(gòu)車(chē)成本，并享受政策補(bǔ)貼。

保障安全性：由于所有的動(dòng)力系統(tǒng)都由專(zhuān)業(yè)的運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一管理和監(jiān)控，在恒溫條件下進(jìn)行充放循環(huán)，并定期檢測(cè)維護(hù)。這樣可以避免過(guò)度放/充、溫度過(guò)高等影響安全性和壽命的因素。

提升利用率：由于所有的動(dòng)力系統(tǒng)都可以在不同的車(chē)輛上通用并實(shí)現(xiàn)共享，在空閑時(shí)間內(nèi)也可以進(jìn)行調(diào)配和利用。這樣可以提高資源效率并降低運(yùn)營(yíng)成本。

4 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電難以普及的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）汽油車(chē)通常只需要幾分鐘就可以在加油站加滿一箱燃料，但最快的無(wú)線充電技術(shù)為一輛耗盡電量的車(chē)輛充滿電所需的時(shí)間比加滿油的時(shí)間要長(zhǎng)得多。充電時(shí)間長(zhǎng)是限制電動(dòng)汽車(chē)廣泛使用的主要因素之一。因此，為了進(jìn)一步拓展無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，有必要不斷加大對(duì)快充的研究。同時(shí)，應(yīng)延長(zhǎng)車(chē)輛的電池壽命，以顯著縮短充電間隔并提高車(chē)輛的效率。超級(jí)電容器是解決這個(gè)問(wèn)題的有效方法之一，可用于無(wú)線充電。

無(wú)線充電技術(shù)與傳統(tǒng)的有線充電技術(shù)相比，無(wú)線充電技術(shù)增加了兩個(gè)線圈，利用耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量傳輸，由于整個(gè)充電過(guò)程是無(wú)接觸完成的，因此難以避免能量損失。此外，隨著線圈的加入，線圈本身的內(nèi)阻會(huì)造成一定的功耗，這增加了無(wú)線充電系統(tǒng)模型的復(fù)雜性。鑒于此，以下內(nèi)容應(yīng)成為未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的研究重點(diǎn)。[1]

成本問(wèn)題：就經(jīng)濟(jì)性而言，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電難點(diǎn)在于充電設(shè)備。汽車(chē)的路徑與有軌動(dòng)車(chē)，地鐵，電車(chē)不同，是發(fā)散性和隨機(jī)性的。因此，就充電設(shè)備的獲取而言，在固定線路下布置設(shè)備更容易；對(duì)于具有不可預(yù)測(cè)軌跡的電動(dòng)汽車(chē)，靜態(tài)無(wú)線充電和動(dòng)態(tài)無(wú)線充電的獲得性又有不同。以靜態(tài)充電來(lái)說(shuō)，即車(chē)輛靜止?fàn)顟B(tài)下的無(wú)線充電，是固定路線，只不過(guò)這類(lèi)固定為靜止不動(dòng)。和手機(jī)類(lèi)似，配上無(wú)線充電插座即可。仍然以寶馬530e為例。其早先發(fā)布的wall box充電樁單價(jià)需1000美元，而無(wú)線充電設(shè)備價(jià)格則會(huì)更加高昂。動(dòng)態(tài)充電，即車(chē)輛行駛狀態(tài)下的無(wú)線充電。動(dòng)態(tài)無(wú)線充電以效率最高的磁場(chǎng)共振式方法進(jìn)行無(wú)線充電。此時(shí)公路成為充電設(shè)備，電動(dòng)汽車(chē)作為用電器，而磁場(chǎng)作為傳輸介質(zhì)。難點(diǎn)在于公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

5 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)解決方向

5.1 新型的路面無(wú)線充電設(shè)施

可充電道路是一種新型的充電基礎(chǔ)設(shè)施，可以為行駛中的電動(dòng)汽車(chē)提供持續(xù)的電力，緩解電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航問(wèn)題，減少用戶(hù)對(duì)電池的依賴(lài)。目前的e-Road是由非接觸式驅(qū)動(dòng)的，即通過(guò)無(wú)線充電技術(shù)為電動(dòng)汽車(chē)供能，適用于不同地點(diǎn)，如停車(chē)場(chǎng)、車(chē)庫(kù)和道路。其中，最成熟的感應(yīng)充電路面技術(shù)是以動(dòng)態(tài)感應(yīng)充電技術(shù)為代表。與其他類(lèi)型的充電路面相比，基于IPT系統(tǒng)的感應(yīng)充電路面具有操作安全、使用方便、維護(hù)成本低、用戶(hù)體驗(yàn)好等潛在優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槌潆娧b置埋在路面結(jié)構(gòu)的淺層部分，不占用路面上方的空間，也沒(méi)有暴露的物理接口[3]。

5.1 充電器件選擇

充電設(shè)備的選擇是電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是影響電池充電的重要因素。充電樁的選擇應(yīng)根據(jù)電動(dòng)車(chē)的實(shí)際情況，在保證安全的前提下，盡可能降低成本，還要考慮到電動(dòng)車(chē)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。目前，市場(chǎng)上的充電設(shè)備主要有以下幾種：

鋰離子電池。（1）鋰離子電池的特點(diǎn)是體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)，不容易過(guò)度放電，但由于其能量密度低，在苛刻的環(huán)境中使用，對(duì)其改進(jìn)也很困難。

（2）鎳鎘鉛鋅蓄電池。它具有功率密度高、容量大、重量輕、耐腐蝕性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，但蓄電能力低，放電電壓低，溫度范圍窄，對(duì)電池的損害大，需要定期更換。在電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際應(yīng)用中，充電設(shè)備的選擇直接關(guān)系到電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

因此，在給電動(dòng)車(chē)充電時(shí)，必須考慮以下方面：（1）充電站的容量和規(guī)模。為了保證在不同負(fù)載下能夠滿足電動(dòng)汽車(chē)的需求；同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷情況確定是否需要增加充電站的容量。（2）充電的速度和效率。由于目前的技術(shù)水平，國(guó)內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē)大多采用恒流圈的充電方式，所以對(duì)其功率的控制要求很高。如果提高電池的輸出電壓，將導(dǎo)致能量的浪費(fèi)和電能的損失；相反，如果不降低恒流線圈的額定電流，它將無(wú)法達(dá)到預(yù)期的峰值，從而造成不必要的能源消耗。

5.3 充電線圈的優(yōu)化

對(duì)線圈的形狀、尺寸以及流過(guò)其中的電流等因素進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和特性研究，可以有助于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率，這與線圈的互感系數(shù)有關(guān)。目前常規(guī)的線圈構(gòu)造包括立體螺旋線圈、平面圓形線圈和平面方型線圈。由于汽車(chē)的垂直安裝空間有限，因此平面線圈更為合適，這需要在選擇電動(dòng)汽車(chē)用互感線圈時(shí)加以考慮。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，電動(dòng)汽車(chē)的可充電電池通常具有較低的輸入電阻和較大的充電電流。

無(wú)線充電線圈的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，是指在無(wú)線充電系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)更高效的電能傳輸，需要在發(fā)射端和接收端分別設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以補(bǔ)償無(wú)線傳輸過(guò)程中的能量損耗和噪聲干擾。 發(fā)射端的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)主要起到匹配和過(guò)濾的作用，能夠?qū)⑿盘?hào)源的輸出阻抗與無(wú)線充電線圈的輸入阻抗匹配，并過(guò)濾掉高頻噪聲和干擾信號(hào)。接收端的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)則主要起到逆變和放大的作用，能夠?qū)⒔邮盏降臒o(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電能并放大輸出。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需要考慮多種因素，如無(wú)線充電系統(tǒng)的工作頻率、線圈的參數(shù)、傳輸距離等，以實(shí)現(xiàn)最佳的電能傳輸效率和系統(tǒng)性能。

6 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的未來(lái)展望

2020到2035年無(wú)線充電技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在2035年后，智能化汽車(chē)產(chǎn)業(yè)逐漸成熟，無(wú)線充電的市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)大。電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)在未來(lái)有很大的發(fā)展前景，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和意義重大，緩解環(huán)境污染，能源危機(jī)。達(dá)到了碳中和的目標(biāo)。“雙碳”奮斗目標(biāo)的提出，將使我國(guó)綠色發(fā)展之路邁上一個(gè)新臺(tái)階，并成為今后幾十年社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展主基調(diào)之一。電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)發(fā)展應(yīng)考慮“一對(duì)多”同時(shí)為多輛車(chē)充電，提高傳輸效率功率。無(wú)線充電技術(shù)在電子產(chǎn)品領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，而隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，汽車(chē)行業(yè)也將成為該技術(shù)的重要市場(chǎng)之一，為其發(fā)展帶來(lái)新的契機(jī)和挑戰(zhàn)。電網(wǎng)系統(tǒng)的完善、電能技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)無(wú)線充電需求的增加，都將推動(dòng)無(wú)線充電技術(shù)的前景。當(dāng)然，這也需要先進(jìn)科學(xué)的技術(shù)作為保障。

7 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線充電技術(shù)之所以不普及，是因?yàn)楝F(xiàn)階段效率太低，經(jīng)濟(jì)性差，導(dǎo)致普及率低，但是未來(lái)的發(fā)展?jié)摿Ψ浅４?。電?dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)有著有線充電無(wú)法比擬的便捷性，安全性。現(xiàn)有無(wú)線充電技術(shù)相對(duì)有線充電方面，充電效率有不小的差距，其高昂的基礎(chǔ)建設(shè)更讓讓人望而卻步。對(duì)其無(wú)線充電線圈的研究，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電普及并不遙遠(yuǎn)。積極響應(yīng)國(guó)家政策2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和，緩解環(huán)境污染，能源危機(jī)此外，基于目前的能源匱乏，用大功率無(wú)線充電技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化還為時(shí)過(guò)早，但作為未來(lái)靈活的充電方式，有必要提前探索。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，結(jié)合我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)，其在電動(dòng)汽車(chē)智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將極大地推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的大規(guī)模普及。

項(xiàng)目基金：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目基金

項(xiàng)目編號(hào)：202210066037。

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