電動汽車無線充電技術分析

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摘要：如今電動汽車在市場上占比不斷提升，國家各項政策也使得電動汽車產業高速發展。電動汽車的續航能力問題也隨之出現。本文介紹了三種主要的無線充電技術，分析了國內外車企和制造商的無線充電技術發展現狀，概述了動態無線充電技術在電動車上的最新成果。最后分析了無線充電技術在電動汽車方面的未來發展趨勢。

1引言

2022年4月，國務院發布了《關于進一步釋放消費潛力促進消費持續恢復的意見》[1]。其中的大力發展綠色消費提到提倡綠色出行，推動公共服務汽車電動化，同時支持新能源汽車快速發展。而當今電動汽車給人們帶來的“路程困擾”是減緩其發展的一大因素。造成此問題的主要原因還是在于當前技術階段所能制造的電池的能量密度提升緩慢，從而使電動汽車可行駛路程不高，換電技術也因價格比較昂貴而得不到普及，給消費者帶來了很大的麻煩。在以現有科技無法對電池能量密度進行改進的情況下，想要解決“里程困擾”的最好方法還是進行間接充電模式，以此來達到解決電動汽車里程較短，而無線充電技術就是時代與科技高速發展下的選擇。對于汽車電池來說，充電方法一般可以劃分為直接接觸充電的形式和無線充電的形式[2]。無線充電或無線供電技術是一種以無線電波或者電磁場為載體在自由的空間中對動力電池進行充電的技術。相較于之前廣泛使用的直接接觸技術的充電，無線充電技術不僅僅可以減少甚至省去在電源電線等直接連接裝置的費用，也可以巧妙的避免使用過程中需反復拔插電線而出現的磨損或觸電的情況，將自由、便捷和安全等多個特性運用到電能傳輸之中。無線充電技術具備傳輸能量時的高適應性，高可靠性和高安全性等特點，并且不會被外在環境的變化所影響，能夠滿足如今城市高速發展當中人們對于汽車充電時的需求。

2無線充電技術的介紹

無線充電技術依照工作原理可以將其劃分為[3]：（1）利用電磁感應原理而制成的具備短距離大功率傳輸能力的感應式無線充電設備；（2）在非輻射交變磁場的耦合研究基礎之上而研發出的中距離無線充電技術；（3）將電能轉化為以頻率約為300MHZ到300GHZ之內的電磁波為載體，并以微波的形式發送給用電設備的接受天線，再經后期處理（微波整流）來達到遠距離無線充電的目的[4]。

2.1電磁感應式無線充電技術基本原理

電磁感應式無線充電技術的開發基礎為電磁感應原理[5]，其運作方式為當分別在車內和車外的一、二次的變壓器在距離較近的情況下是，可以實現非接觸情況下傳輸電能的能力。其特點是該技術為目前比較成熟的無線充電方式，并且有很大的適應度。

2.2磁耦合式無線充電技術基本原理

磁耦合式無線充電技術是目前各大廠商普遍選擇的無線充電技術[6]。其原理為發電廠的電能以電功率的形式在車內外的一、二次感應線圈之間，以磁場耦合的方式來進行輸送。該技術最大的特點為可以以更高的頻率進行能量輸送。

2.3微波式無線充電技術基本原理

微波式無線充電技術與其他方式的無線充電技術相比，有更遠的傳輸距離[8]。其原理利用的類似衛星的接受原理，將電能轉化為微波，由發射端的天線發射，再由汽車內的接收端天線接受。但以目前的發展水平，微波式無線充電技術存在較高工作頻率區間和對設備要求嚴格的特性并且系統的電能轉換效率也僅為38%，所以微波技術的傳輸距離較長的特性在電動汽車這種傳輸較短的場合并不適用。

3車企發展現狀

隨著電子零部件性能的快速提高[9]，尤其是充電功率不斷上升使得越來越的汽車制造商將無線充電納入到自己的產品之中，并且隨著集成化程度的提高，無線充電技術也在小型家用汽車當中開始運用。早在2018年，世界上第一款無線充電的量產車型就由寶馬公司所制造。旗下的530eiperformance車型也成了第一批無線充電車型，共取得了一千多臺的訂單。在車輛靠近無線充電設備時，系統會自動打開位于底部的攝像頭，方便駕駛員進行定位。該車型搭配的無線充電設備充電是可使效率達到85%并且功率達到3.2kw，可以將容量為9.4kwh的高壓電池組在3.5小時充滿，同時，該系統也裝備了如物體探測和生物保護等功能。圖1寶馬無線充電系統德國大眾集團為了研發全新的汽車無線充電技術，在2021年和美國田納西大學諾斯維克分校以及橡樹嶺國家實驗室開展了合作[10]。據了解，該新型技術的雛形為保時捷Taycan車型上的高功率無線充電技術。該合作的重點為將把原有的充電樁式有線充電改造成300KW的無線充電方式，測試表明該技術成功在10分鐘內完成Taycan電池充量的80%。2021年10月，一份來自豐田的電動皮卡的部門的專利受到廣泛關注，其專利的研究方向并非通常的充電設備對電動汽車進行無線充電，而是在兩輛行駛的汽車當中進行電能的傳輸，當一輛汽車電量不足時，另一輛汽車的車主只要同意鏈接，即可實現無線充電，該系統未來將會和無人駕駛相匹配，做到在行駛過程中不需要人為干涉即可找到最佳的傳輸路線，以便達到最高的充電效率。2022年3月，沃爾沃公司也加入了名為“哥德堡綠色城區”的無線充電汽車計劃[11]。其內容是在是在哥德堡市區內設置多個無線充電實驗區域來配合旗下搭載40W無線充電技術的純電XC40。據了解，該技術的充電效率已經接近市面上的50w直流有線充電樁，為11w交流有線充電樁的四倍。在國內，2020年4月23日上汽榮威發布了世界上第一款無線充電的純電車型，名為榮威MarvelX。同時，上汽榮威還表明要將目前已經掌握的無線充電技術運用到別的電動車型上，達到技術成熟運用的目的。智已汽車在2021年的上海汽車展上，向大家展示了旗下的第一款純電動智能車型——智已L7。他擁有雄厚的資金，同時在技術和市場上也有更加廣闊的前景.智已L7配備了一套功率為11KW的無線充電設備，同時還搭載了自動定位和自動駕駛功能，當用戶將汽車停在無線充電裝置的附近時，即便用戶下車，智已L7可以通過車輛自身的自動駕駛停入車位，并自行開始無線充電[12]。

4制造商發展現狀

中興截止目前，已有100多項關于無線充電的發明專利和60多項與無線充電技術及其配套技術的使用新型。其設備的功率已完全覆蓋從3KW到60KW的大功率設備的需求。同時中興新能源科技有限公司也共同推出了名為“智慧無線充電”的系統，該系統主要運用在城市行駛的公交電動汽車上。如今，使用無線充電技術來運營公交汽車線路已在全國如成都，貴陽等30多座城市相繼開通。中興新能源公司也不斷朝著小型電動家用電動汽車的無線充電方面發展，早在2015年，分離式和整體式的電動汽車無線充電的系統在小型家用汽車上的設計問題就被中興新能源公司攻克，并且與國內多家研發無線充電的廠家展開合作交流。高通制造商高通在電動汽車無線充電行業的發展也很迅速，2016年高通與一家名為BRUSA的企業開展合作。2017年，奔馳S550e便成為行業上第一款使用高通無線充電技術的車型，實現了車子一停就可以充電的模式。同時，高通也與日產Leaf、本田Accord和雷諾Fluence等多個車型在不斷的進行合作并完成了測試。WiTricity2019年，WiTricity決定將halo部門的網絡協議資產和一部分高端創新技術收入囊中。從市場來看，在協議達成之后，WiTricity將會擁有高通在無線充電方面的技術和超過一千五百項關于汽車無線充電的專利和對應的專利申請，如此一來，WiTricity可在大量高端技術的加持下更快地發展無線充電技術[6]。MomentumDynamics在2020年，具有標志性意義的公交車隊50MKW的無線充電設備首次被MomentumDynamics運用在了美國華盛頓州韋納奇的純電公交汽車上。該技術為防止大功率無線充電時出現功率損耗的現象，使用了并聯的方式來解決。MomentumDynamics系統中將每一塊無線充電模塊的功率限制在75KW以下，并且使初級電感中的電流始終位于125A以下。如果需要提高充電效率，只需把多個模塊組裝到一起即可滿足大功率充電的同時又減輕了功率損耗。

5動態無線充電技術的最新成果

2019年，瑞士建成了世界上第一條動態無線充電公路。設計時將銅制的磁感應線圈埋在道路下方來防止司機駕駛時收到視覺影響。2020年，這條公路成功通過Electreon公司對載重40t的純電動卡車的動態無線充電的性能測驗。這也標志這這條公路成為世界上首條可以對純電卡車和公交汽車進行動態充電的非測試性道路。這次測試的主要內容是證明了45KW的無線充電裝置在30KM/h的最高速度下進行動態充電的可行性[13]。Electreon也宣布在未來會將無線充電時的功率和受電車輛的最高行駛速度不斷提高，達到以125KW的功率對普通高速公路的車速進行無線充電。2021年，全球第四大汽車制造商的Stellantis建成了名為“ArenadelFuturo”的電動汽車動態無線充電的測試公路。這條公路全長1050m，在道路內部設有充電功率為1MW的無線充電設備，但是進行無線充電時仍需要特殊的接受裝置。電測試公路2020年，重慶大學，江蘇方天電力技術有限公司以及廣西電網有限責任公司的電力科學院共同研發的無線充電裝置亮相[14]。該發明將無線充電裝置做成筆記本大小的形狀鋪設在道路上發射高頻率磁場，當感應到受電車輛時，每個單獨的供電裝置便會啟動。正因如此，該技術可以使電磁暴露降低到4μT以下。目前，該型無線充電設備已經可以實現有效充電距離為27cm并且能夠以充電達到94%的效率的條件下為120KM/h的最高行駛速度的車輛進行動態無線充電。

6無線充電在電動汽車方面的發展趨勢

隨著無線充電技術和配套產業的不斷發展[15]，無論是公共汽車還是小型的家庭用車都將會以高效率，通用性，智能化，集成化，聯網化為目標去不斷發展。

6.1高效率

如今，無線充電的方式有許多種，但要做到持續的高效率輸電來縮短充電時間，需要對設備的散熱性能和對電網的利用率進行分析和應對策略的研究。同時也需解決在動態無線充電的發展中單個輸電裝置的傳輸面積小，受電設備和輸電設備對接精度較高的問題。

6.2通用性

目前試驗的中的大功率無線充電道路都需配備特殊的無線充電系統，不同的無線充電系統的充電性能不完全相同，但是隨著無線充電路面技術的成熟[5]，實際應用當中便會出現不同的受電設備與不同的輸電設備無法相互匹配，因此無線充電發展的過程中需要注意不同系統之間的通用性。

6.3智能化

無線充電技術的智能化包括對受電設備和充電設備的智能優化[16]。如在充電時可以自動對電池進行診斷與故障排查和以及對電池電量的管理。同時無線充電電動汽車可以通過無線充電設備的定位裝置進行自動駕駛和自動充電。對于公共車位，充電完畢時可以自動移出車位，給下一輛準備充電的電動汽車使用。

6.4聯網化

通過車上的定位裝置可以做到對交通情況的大數據分析即可為駕駛員提供最佳路線。同時結合車聯網的電動汽車可以做到車與車，車與路面設施的網絡連接，為汽車提供實時的路況數據，為自動駕駛提供有力條件。

7結語

無線充電技術經過了數十年的發現，目前也不斷向著商業化進發。同時電動汽車的市場保有量不斷上升[17]。高效率，智能化的無線充電技術也逐漸成為發展的主流[7]，也成為了自動駕駛和自動停車的必不可少的技術。隨著車企和國家的不斷重視，相信不久便可以看到無線充電技術的全面應用。

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作者:范天騁 張越 陸一凡 單位:常熟理工學院