胡瑞明 武鉑睿

【摘要】隨著經濟的快速發(fā)展，節(jié)能、低碳和環(huán)保經濟成了社會發(fā)展的需要，電動汽車受到了廣泛的關注，而無線充電技術是未來電動汽車供電技術的發(fā)展趨勢。本文介紹了 三種常用的無線充電技術：電磁感應、微波、磁耦合共振，并分析了三種無線充電的工作原理、存在的問題及實用化前景。

【關鍵詞】電動汽車;無線充電;電磁感應;微波;磁耦合共振

一、引言

自電動汽車產生以來，為了讓車主感覺更加方便、安全，高新技術和便捷服務已經被廣泛應用，很多知名的汽車制造商和能源企業(yè)建造了跟傳統(tǒng)加油站類似的充電樁和換電站。在日本、美國、德國，包括中國在內等地區(qū)都開始配置充電設備的充電樁和換電設備的換電站。無論是充電樁還是換電站都屬于接觸式充電范疇，它們都需要充電插頭和電線來進行電能的傳遞。但無線充電則不需要這些連接裝置，它是利用交變電磁場和無線電波來傳遞電能，因此不需人來插拔插頭，同時節(jié)省電線材料，無觸電危險，在惡劣天氣環(huán)境下使用性強，很便于在停車場和車庫大面積推廣。因此，電動汽車無線充電受到很多汽車制造商的青睞，相關技術的研究和應用在世界發(fā)達國家已經開始開展。

二、無線充電技術

無線充電技術應用在電動汽車上主要有三種：電磁感應法、微波法、磁耦合共振法。其中電磁感應法利用線圈間產生的電磁感應現(xiàn)象進行電能傳輸;微波法利用天線發(fā)射和接收微波進行電能傳輸;磁耦合共振法利用共振電路之間的共振現(xiàn)象進行電能傳輸，下面分別進行分析介紹。

（一）電磁感應法

此原理與電力系統(tǒng)中常用的電力變壓器原理類同。在變壓器的一次線圈通入交變電流，二次線圈會由于電磁感應原理感應出電動勢，如果二次線圈電路閉合，即可有感應電流出現(xiàn)，電流方向的確定遵從楞次定律，其大小可由麥克斯韋電磁理論解出。相對于無線輸電而言，變壓器的一次線圈相當于電能發(fā)射線圈，二次線圈相當于電能接收線圈，這樣就可以把電能從發(fā)射線圈無線傳輸?shù)浇邮站€圈。工作原理如圖1所示。

該電能傳輸系統(tǒng)是將發(fā)射電能的一次線圈埋藏在地下，接收電能的二次線圈安裝于車底部，兩線圈之間空隙的大小會影響充電系統(tǒng)的效率。

（二）微波法

要想實現(xiàn)電能長距離的無線傳輸，則可使用微波的傳輸方式。由于微波的波長比較短，其波長范圍在0.1mm～1m，故其定向性好，彌散小，可用于實現(xiàn)電能的遠程傳輸，電能以微波為載體，可以實現(xiàn)電能在自由空間中進行傳播。

與電磁感應方法不同，微波方法利用電磁輻射原理進行無線電能傳輸。首先通過能量轉換裝置將電能轉換成微波，然后利用發(fā)射天線將微波經自由空間傳給接收天線，最后將接收到的微波通過能量轉換裝置轉換為電能。其傳輸距離可達幾公里，屬于遠程電能傳輸。微波輸電原理如圖2所示。

圖2 微波輸電原理

雖然國內外研究取得了一些成果，但利用微波法為電動汽車進行非接觸式充電還存在以下重大缺陷：

1）傳輸效率低。目前表明，實驗室內最高達到的電能傳輸效率尚未達到80%，實際產品的傳輸效率均不到40%。

2）存在電磁干擾。微波法輸電利用1～10GHz頻段范圍的頻率，該頻段對通信、雷達和射電天文的干擾非常顯著。

3）充電功率低。據(jù)報道的充電功率均不到1KW，很多實驗系統(tǒng)只能傳輸幾瓦的功率。

（三）磁耦合共振法

此無線充電方式需要發(fā)射和接收兩個共振系統(tǒng)，可分別由感應線圈制成。通過調整發(fā)射頻率使發(fā)射端以某一頻率振動，其產生的不是彌漫于各處的普通電磁波，而是一種非輻射磁場，即把電能轉換成磁場，在兩個線圈間形成一種能量通道。接收端的固有頻率與發(fā)射端頻率相同，因而發(fā)生了共振。隨著每一次共振，接收端感應器中會有更多的電壓產生。經過產生多次共振，感應器表面就會集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射磁場中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉換，實現(xiàn)了電能的無線傳輸。未被接收的能量被發(fā)射端重新吸收。這種非輻射電磁場的范圍比較有限，不適用于長距離，要求發(fā)射端與接收端在感應線圈半徑的8倍的距離之內。

磁耦合共振法輸電原理如圖3所示。

圖3 磁耦合共振法輸電原理

在利用磁耦合共振法為電動汽車進行充電時同樣面臨一些問題：

1）缺乏共振頻率的行業(yè)標準。

2）共振頻率變化導致充電效率降低。隨著周圍環(huán)境的變化，電動汽車充電系統(tǒng)的共振頻率可能發(fā)生變化。如何根據(jù)周圍的環(huán)境的變化控制電源輸出的頻率，使發(fā)射和接收線圈始終保持共振狀態(tài)，以保證最大效率下工作，這值得深入研究。

3）充電功率較低。目前最大傳輸功率在幾千萬的量級，如何增大充電功率，是一個重要的研究方向。

三、實用化分析

電動汽車對電動汽車無線充電的實用性需要關注三個指標：輸出功率、傳送距離、充電效率。下面將電磁感應法、微波法、磁耦合共振法列于表1進行對比。

通過表1的對比可以看出，雖然微波法充電傳送距離最遠，但輸出功率及充電效率都是很低的，所以難以在電動汽車上配置無線充電裝置。

電磁感應法充電輸出功率最大，充電效率也較高，但其傳送距離較短，一般工業(yè)中的有效傳輸距離在2～3cm，而且需要機械裝置將汽車停在合適的位置與線圈對準，因此建設類似傳統(tǒng)加油站的充電站適合這種方法。

表1 三種無線充電方式對比

方式 電磁感應 微波 磁耦合共振

充電原理 為充電線圈提供交流電并產生磁場時，磁力線穿過與之分離一定距離的接收線圈，使接收線圈產生相應電動勢并可對外輸出電流 充電與接收兩部分，均采用微波傳送與接收技術 基本原理與電磁感應式相同。只是充電部分與接收部分使用同一共振周波，可將阻抗限制在最低值并使傳送距離增大

使用頻率范圍 22kHz 2.45GHz 13.56MHz

輸出功率 30kW 1kW 1kW

傳送距離 100mm 1000mm 400mm

充電效率 92% 38% 95%

日本研制企業(yè) 昭和飛行機工業(yè) 三菱重工業(yè) 長野日本無線

磁耦合共振法輸出功率比電磁感應法小，但是傳送距離卻比電磁感應法大，且不需要車載線圈與電源線圈完全對準，因此這種方法適合開發(fā)新型的充電模式，比如車庫和地面停車位。利用這種方法，可以在高速公路或者護欄上安裝電源線圈，電動汽車在行駛過程中就可以進行不間斷充電。

四、結語

電動汽車普及的同時，全世界開始越來越多的關注無線充電技術。本文分析了電動汽車的三種無線充電方法：電磁感應法、微波法、磁耦合共振法的工作原理，并對三種方法進行了對比分析?？梢缘弥?，隨著電動汽車的發(fā)展，無線充電市場的規(guī)模將井噴式增長。

參考文獻

[1]張寶群，李香龍.電動汽車非接觸式充電研究概況及實用化分析[J].電子測量技術，2012，35（3）：1-6.

[2]顧曄，佘建強，王華武.電動汽車供電技術的研究及發(fā)展[J].汽車科技，2011，6：4-8.

[3]朱駿.電動汽車的無線充電技術[J].汽車工程師，2011（12）：

50-52.

[4]張宇，石新春，李琦.無線輸電基本原理及應用研究[J].科技資訊，2012（18）：132-133.

[5]曾翔.無線電力傳輸技術研究[J].硅谷，2010.

[6]曾翔.基于磁耦合共振的無線輸電系統(tǒng)設計[J].四川理工學院學報，2010，23，5.

[7]王剛，周榮，喬維高.電動汽車充電技術研究[J].農業(yè)裝備與車輛工程，2008（6）.

[8]周靜，安慰東，李永振.提高感應電能傳輸效率的研究閉[J].電子測試，2010（001）：5-10.

作者簡介：胡瑞明（1986—），男，河南鶴壁人，助教，鶴壁汽車工程職業(yè)學院教師，研究方向：電氣工程及汽車電子。