鄭世欣

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；

2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點實驗室，甘肅天水741018）

1 引言

能源與環(huán)境是當(dāng)前全球最為關(guān)注的問題之一，能源的緊缺與替代、環(huán)境的污染與保護共同促進了環(huán)保新車的大力發(fā)展。電動汽車是首先發(fā)展起來的一種環(huán)保新能源汽車，由于蓄電池電動汽車技術(shù)已經(jīng)基本成熟，很多廠商已經(jīng)在規(guī)模生產(chǎn)，各地也在進行充電站的建設(shè)。但蓄電池電動汽車的充電問題一直令人頭疼，根據(jù)現(xiàn)有的應(yīng)用成果，一般的蓄電池充滿一半需要充電半小時，完全充滿則要8小時以上，充滿電的汽車一般只能行駛100余公里。這顯然讓蓄電池電動汽車無法與內(nèi)燃機汽車相提并論。在新能源汽車發(fā)展的進程中，充電難、充電慢是制約市場發(fā)展的絆腳石之一，因此，充電技術(shù)的解決，將極大推動蓄電池電動汽車的發(fā)展。最近幾年，能夠克服上述問題的無線充電模式逐漸進入公眾的視野，無線充電技術(shù)的應(yīng)用可稱為電動汽車的新革命。

2 無線充電技術(shù)的工作原理與運行模式

本質(zhì)上無線充電就是應(yīng)用了大眾所熟知的電磁感應(yīng)原理，即電流流過線圈會產(chǎn)生磁場，與磁場靠近的線圈會產(chǎn)生感應(yīng)電流。變壓器是利用電磁感應(yīng)原理的典型設(shè)備。只不過變壓器的初級線圈和次級線圈是纏繞在同一個鐵氧體上的，從而能更好的拴住磁場。如果把鐵氧體去掉，讓初級線圈和次級線圈直接在空氣中進行電磁感應(yīng)，變壓器就可以“搖身一變”，成為無線充電設(shè)備的原型了。但是，由于磁場在空氣中耗散比較嚴(yán)重，電能傳輸效率會大打折扣，導(dǎo)致無線充電的成本過高。特斯拉的磁場共振技術(shù)有效解決了這個問題，使無線傳輸距離從幾厘米增加到數(shù)米。這個距離可以滿足汽車等大型用電器了。這使得省掉用電器的連接線變得指日可待。

無線充電可以分為三種充電方式：電磁感應(yīng)式、磁場共振式、無線電波式。

電磁感應(yīng)式，初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級線圈鐘產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。使用時要求兩個設(shè)備的距離必須很近，供電距離控制在0mm－10cm范圍內(nèi)，而且充電只能對準(zhǔn)線圈一對一進行。電磁感應(yīng)式無線充電的能量轉(zhuǎn)換率高，傳輸功率范圍較大，能從幾瓦到幾千瓦。

磁場共振式，原理與聲波共振類似，只要兩個介質(zhì)具有相同的共振頻率，就能夠傳遞能量。這種方式的充電距離在電磁感應(yīng)式與無線電波式之間，優(yōu)點是傳輸功率較大，能夠達到幾千瓦，可以同時對多個設(shè)備進行充電，不要求兩個設(shè)備之間線圈對應(yīng)；缺點就是損耗很高，距離越遠傳輸功率越大，損耗也就越大，并且必須對使用的頻段進行保護。

電動汽車采用電磁感應(yīng)式或磁場共振式其構(gòu)型基本一致，將充電電纜和反射線圈埋設(shè)在停車位組成供電機構(gòu)，當(dāng)車輛駛?cè)胪＼囄?，安裝在車輛底部的接收線圈與發(fā)射線圈重合，車輛與充電服務(wù)器建立通訊開始充電，發(fā)射線圈產(chǎn)生交變磁場，接收線圈產(chǎn)生電流通過逆變器將電能傳遞到電池。此過程如圖1、圖2所示。

這種非接觸式充電，無需傳統(tǒng)的電纜，充電時，僅需將車輛停放在充電板上方即可，因此方便省力。

圖1 內(nèi)部工作原理

圖2 外部充電樣式

無線電波是另一種較為成熟的無線充電方式，其原理與早期使用的礦石收音機相類似，即利用微型高效接收電路捕捉從障礙物反射回來的無線電波，然后將之轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓。但該方式的功率低。不超過100mW；距離短，不超過10m；效率低；充電時間長。

3 無線充電技術(shù)在電動汽車應(yīng)用中的強大優(yōu)勢

從建設(shè)成本角度考慮，無線充電系統(tǒng)相比于充換電站系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。其一，建設(shè)充換電站需要大量占用土地，而無線充電系統(tǒng)可以在現(xiàn)有停車位上原地加裝，或埋于地下，或安置在車位旁的綠化帶里，基本不占用額外的土地資源；其二，無線充電系統(tǒng)造價更低，建設(shè)周期也大為縮短。利用現(xiàn)有技術(shù)，安裝一套無線充電裝置的費用大概在3萬元左右，普通消費大眾完全可以承受；安裝周期約30天，遠遠低于充換電站的建設(shè)周期。

無線充電系統(tǒng)在運營成本上也有較大幅度的降低。對于普通燃油汽車，百公里耗油成本在60元以上，石油公司可以從這筆油費中抽出一部分作為加油站的運營與管理費用；但是電動汽車百公里耗電成本只有10元－15元，扣除發(fā)電成本，再從這筆電費中擠出充換電站的運維費用幾乎是不可能的。所以哪怕有線充電系統(tǒng)建設(shè)成本降為零，它的運行也是不可持續(xù)的。而無線充電系統(tǒng)可以實現(xiàn)停車自動充電，無需配備額外的工作人員進行操作指導(dǎo)，運維成本大幅降低。

從用戶體驗角度來說，無線充電系統(tǒng)更加便捷、安全、清潔。無線充電技術(shù)沒有了充電過程中的金屬介質(zhì)，這是電動汽車充電革命性的變化。借助智能操作系統(tǒng)，無線充電系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程遙控充電甚至自動充電，為使用者帶來更加便捷的用戶體驗。另外，無線充電過程中沒有觸點、沒有機械運動、沒有損失，在安全性與可靠性方面都有質(zhì)的提高。有線充電樁一般配置高壓線路，具有一定危險性。2014年，在臺風(fēng)高峰期，深圳市全市電動汽車都不得不停馳，原因在于狂風(fēng)暴雨會導(dǎo)致有線充電過程存在嚴(yán)重安全隱患。而無線充電系統(tǒng)對環(huán)境的耐受力非常強，雨水以及粉塵等對充電過程不會造成任何干擾。

此外，無線充電技術(shù)的推廣有助于電動汽車的輕量化，降低電動汽車生產(chǎn)成本。近10年來，電池密度并沒有顯著提升，為了保證電動汽車的續(xù)航里程，需要安裝龐大的電池裝置，不僅擠占了汽車內(nèi)部空間，也在一定程度上增加了電動汽車生產(chǎn)成本。如果無線充電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用，續(xù)航能力將不再是一個制約電動汽車發(fā)展的問題，降低電池容量與體積將成為可能。

4 無線充電技術(shù)在電動汽車應(yīng)用中的不足

無線充電的優(yōu)點很明顯，但無線充電所產(chǎn)生的大功率電磁輻射，是阻礙無線充電大規(guī)模使用的一大因素。說到電磁感應(yīng)，不得不提工頻干擾。通常輸送電力用的是交流電，變化的電流會產(chǎn)生變化的磁場，電力傳輸線就在不斷的對外發(fā)出電磁波。電磁輻射問題一直是居住在電力線附近小區(qū)居民關(guān)心的問題，這種人為產(chǎn)生的電磁輻射如今已經(jīng)困撓整個地球了。

大功率的電磁輻射是人類所懼怕的。長時間遭受電力線的磁場輻射會有害健康已是科學(xué)界的共識，大功率磁場對身體的損傷就更為嚴(yán)重。無線充電為了提高充電速度，就必須提高電壓和頻率，產(chǎn)生大功率磁場是不可避免的。手機無線充電這種小功率磁場不必擔(dān)心，因為它作用距離也就那么幾厘米。而對于電動汽車無線充電這類充電場景，潛在的危險還是會讓人有所擔(dān)憂。另一方面，無線充電時會對周圍的電氣設(shè)施有影響，產(chǎn)生諸如火災(zāi)之類的危險或隱患。所以相關(guān)協(xié)會對無線充電技術(shù)提出了比較嚴(yán)格的安全指標(biāo)和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

無線充電行業(yè)以前有三大標(biāo)準(zhǔn)組織分別是：WPC、PMA和A4WP。2014年初PMA和A4WP兩家開始合作，因此當(dāng)前只剩下兩大標(biāo)準(zhǔn)組織WPC和A4WP。

Qi是全球首個推動無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的組織無線充電聯(lián)盟WPC推出的“無線充電”標(biāo)準(zhǔn)。WPC成員中有約200家科技公司，該標(biāo)準(zhǔn)允許無線充電設(shè)備的最大輸出功率不超過5W，一般多為手機廠商所用。目前共有12款汽車提供符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線充電設(shè)備，而共計80種不同型號的智能手機均可適配。

無線充電聯(lián)盟A4WP推出Rezence標(biāo)準(zhǔn)。它允許多個設(shè)備同時充電，而且在設(shè)備的位置與角度上較具彈性，其充電能力與時間也較符合消費者期待，最高傳輸功率不超過50W。

表1 無線充電標(biāo)準(zhǔn)

從上表中可以看到，無論采用哪個充電標(biāo)準(zhǔn)，無線充電都存在輻射風(fēng)險。在電磁輻射被真正“馴服”之前，對無線充電傳輸效率的評估變的尤為重要。

當(dāng)前有兩種方法可以滿足要求，一是直接對無線充電產(chǎn)生的電磁輻射進行測量，根據(jù)測量結(jié)果來評估其對環(huán)境危害的程度。二是對無線充電的傳輸效率進行測量，認為丟失的能量減去產(chǎn)生的熱能就是散發(fā)到周圍環(huán)境中的輻射能。對于第一種方法比較簡單直接，只需拿著測量儀表在無線充電裝置周圍移動，聽到響聲或看到報警提示就知道電磁輻射超標(biāo)了。第二種方法則專注于電能的傳輸效率，能更好地了解無線充電裝置的性能。

現(xiàn)在公認的對電磁波進行屏蔽的最有效措施是給產(chǎn)生電磁波的物體加個金屬罩子。

5 無線充電技術(shù)在國際上不斷規(guī)范化

為了加強行業(yè)規(guī)范與指導(dǎo)，國際自動機工程師學(xué)會（SAEInternational）日前發(fā)布了混插式以及全電動汽車無線充電技術(shù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這是電動汽車無線充電方面的第一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有開創(chuàng)性意義。國際汽車工程師學(xué)會是一個技術(shù)性學(xué)會，它在全球范圍內(nèi)擁有超過143000名會員，會員均是航空航天、汽車和商用車輛行業(yè)的工程師和相關(guān)技術(shù)專家。而新出臺的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)簡稱為“SAETIRJ2954”，意在為輕型插電式以及全電動汽車無線充電技術(shù)制定規(guī)范，并在全行業(yè)里推行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以加強行業(yè)管理與指導(dǎo)。這項新SAE標(biāo)準(zhǔn)旨在制定乘用車方面無線充電的協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)制定了低速充電方面的無線能量傳輸（WirelessPowerTransfer，WPT）協(xié)議，并通過附錄的方式為其他問題，比如高速充電模式等留足了補充空間。

SAETIRJ2954 規(guī)定 85kHz（千赫茲，81.39kHz－90kHz）是輕型汽車充電系統(tǒng)常用的頻段（frequencyband）。目前，新協(xié)議中規(guī)定了四個等級的插電以及全電動汽車無線能量傳輸水平，但今后協(xié)議修訂可增加更多等級。明確無線充電頻段之后，一家汽車制造商生產(chǎn)的無線充電器就能夠兼容其他不同生產(chǎn)商、充電站的無線充電設(shè)備。目前，臺架測試（benchtesting）正在進行，同時，實時車載電網(wǎng)測試等也在進行之中。據(jù)介紹，無線充電標(biāo)準(zhǔn)計劃將于2018年完成。

6 無線充電技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用發(fā)展中應(yīng)注意的問題

（1）國家要出臺相應(yīng)的政策，鼓勵、扶持并規(guī)范無線充電汽車的發(fā)展和充電設(shè)施的建設(shè)。一個行業(yè)或企業(yè)，尤其是利國利民的行業(yè)或企業(yè)的發(fā)展，離不開國家的扶持。無線充電是一個剛剛起步的領(lǐng)域，其有效的發(fā)展可以很大程度上解決電動汽車發(fā)展的一個瓶頸，但由于對其進行研發(fā)的投資巨大，這就更需要國家進行鼓勵和扶持，以加快其研發(fā)進程，使其盡早得以應(yīng)用。

日前，國家標(biāo)準(zhǔn)委2016年首批立項國家標(biāo)準(zhǔn)330項，新立項的標(biāo)準(zhǔn)更加注重創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化。獲得立項的國家標(biāo)準(zhǔn)突出了科技創(chuàng)新，將能源互聯(lián)網(wǎng)、機器人測試、電動汽車充電等72個前沿技術(shù)成果列為重大標(biāo)準(zhǔn)研制項目并給予重點支持，其中電動汽車無線充電相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂項目共有4項，分別為《電動汽車車載充電機和無線充電設(shè)備之間的通信協(xié)議》、《電動汽車無線充電電磁暴露限值與測試方法》、《電動汽車無線充電系統(tǒng)特殊要求》、《電動汽車無線充電系統(tǒng)電磁兼容性要求和試驗方法》，力爭盡快形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新動力。

截止到6月份，已經(jīng)有多個市出臺了有關(guān)2016年以后新能源汽車充電基礎(chǔ)實施規(guī)劃的政策，覆蓋了湖南、河北、山西、安徽、江蘇、福建、甘肅及云南等省，北京、上海、廣州、重慶、沈陽、運城、瀘州、哈爾濱、西安、濰坊、衡水、鄭州、石家莊、惠州、無錫及杭州等城市。

（2）無論最終采用何種方式充電、采用何種蓄電池，國家及各地方有關(guān)部門都要對其頻率、安全、環(huán)保、節(jié)能等方面進行研究，避免浪費、避免對人體健康產(chǎn)生不良影響、避免對環(huán)境造成新的污染，同時要宣傳到位，避免人們對電磁輻射的恐懼心理。

（3）在實際中，由于發(fā)射端置于地下，要注意對其的保護。

（4）在雨水較多的地區(qū)，除對地下設(shè)施的防水外，車輛接收端的防水處理也是一個需要考慮的問題。

7 結(jié)束語

無線充電技術(shù)在諸如手機等小型電器上的應(yīng)用已經(jīng)有一段時間，當(dāng)前的技術(shù)研發(fā)也主要集中于小型電器領(lǐng)域，在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初始階段。原因在于無線充電技術(shù)商用化的技術(shù)壁壘非常高，主要需要解決充電功率、充電效率和充電距離三方面問題。近日，美國能源署網(wǎng)站上公布了一項新型無線充電技術(shù)，可實現(xiàn)20kW的充電功率，是目前充電樁的3倍左右，有望替代傳統(tǒng)充電樁成為電動汽車的基礎(chǔ)充電設(shè)施。隨著該技術(shù)的不斷完善，必將推動蓄電池汽車的發(fā)展，減少對石油的依賴，保護環(huán)境，造福人類。