李 杰 ， 張江林 ， 賀興家 ， 胡洋珩 ， 徐智勇

（成都信息工程大學自動化學院，四川 成都 610225）

隨著科技的進步以及人們對于能源和環(huán)保問題的重視，新能源汽車越來越受到人們的關注。因為國家政策的大力扶持，如今汽車產業(yè)的發(fā)展趨勢就是新能源汽車[1]。目前新能源汽車的充電方式主要為有線充電，通過充電樁來進行電能的傳輸，但是在實際使用中卻會出現(xiàn)很多問題。其中一個主要問題是一個充電樁不能同時為多輛車供電，節(jié)假日經常能在高速公路的服務區(qū)看到很多新能源汽車在排隊等著充電。另一個問題是有安全隱患，利用充電樁進行充電的時候容易產生漏電的情況，這是一個不可忽視的安全隱患。與有線充電比較，無線充電技術的優(yōu)點在于穩(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 國內外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

對于電能的無線傳輸國外研究比較早，因此關于新能源汽車無線充電的研究也要比國內領先。國外知名車企比如寶馬、奧迪、豐田等都已經在新能源汽車上實驗無線充電技術[2]。國外研究新能源汽車無線充電技術的高校和機構主要有日本東京大學、美國猶他大學、新西蘭奧克蘭大學及美國橡樹嶺國家實驗室等。在2007年的時候，美國麻省理工學院的Marin教授帶領團隊與Delphi公司合作，共同研發(fā)了電動汽車無線充電設施。東亞國家中，日本運行了無線充電混動巴士，韓國也運行了感應充電式觀光車。2021年12月7日，全球第四大汽車制造商Stellantis在官網上表示，實驗新能源汽車無線充電的公路“Arena del Futuro”正式開通，且測試結果令人滿意。

1.2 國內研究現(xiàn)狀

國內研究新能源汽車無線充電的高校主要有清華大學、東南大學以及重慶大學等，主要聚焦于優(yōu)化磁耦合設計、電磁兼容與屏蔽和系統(tǒng)建模與控制等方面。2013年東南大學黃學良教授及其團隊研發(fā)了全國首輛無線電能傳輸的新能源汽車。同年，重慶大學孫躍教授及其團隊也提出了一種新能源汽車能量互充系統(tǒng)。此外，清華大學趙爭鳴教授及其團隊也對新能源汽車無線充電系統(tǒng)進行了深入研究。國內也有很多研究新能源汽車無線充電技術的公司，比如北京有感科技有限責任公司、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絡平臺上表示，公司新能源汽車無線充電技術將要進入小規(guī)模量產階段。2022年上汽集團與多方合資的新勢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

2.1 電磁感應式

最常見的無線充電技術，主要通過電磁感應原理進行電能的無線傳輸，與變壓器工作原理一致。當初級線圈接上某個頻率的交流電源時，由于電磁感應原理，次級線圈會產生感應電壓，這樣便把能量從發(fā)送端傳送到接收端，實現(xiàn)了電能的無線傳輸。此類無線充電技術存在著局限性：由于兩線圈之間氣縫的限制，傳輸距離比較短，最遠只能實現(xiàn)厘米級，而且空氣間隙同樣對電能傳輸效率有影響。因為上述原因，這種無線充電方式多數應用在手機、平板以及電動牙刷等微型電子產品上。電磁感應式電能無線傳輸系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 電磁感應式無線充電系統(tǒng)框圖

2.2 磁耦合共振式

2007年6月，麻省理工學院的Marin教授與他的團隊進行了一個公開演示。他們把一個有著60 cm直徑的線圈通電，此時與另一個線圈相連的60 W燈泡被點亮，相距6英尺（約1.83 m）。這個原理就是磁耦合共振，Marin教授稱之為WiTricity技術。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，當發(fā)射線圈的諧振頻率和系統(tǒng)頻率一樣時，發(fā)射線圈里將會流過最大的電流，就能產生最強的磁場，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現(xiàn)共振[6-7]。這個技術的基本過程為電源傳輸電能到電路中，進行高頻逆變之后將所需頻率的交流電傳送到另一個用于發(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產生共振，信號到達接收線圈之后再經整流濾波，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。

磁耦合共振技術能夠進行較遠距離的電能傳輸，可以進行幾厘米到幾米的無線充電。除了有較遠的傳輸距離之外，磁耦合共振方式還能夠同時為多個設備供應電能，并且磁耦合共振方式最高能夠達到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，由天線來進行能量的轉換與傳輸，通過發(fā)射裝置之后，電能變換成電磁波，調整角度之后的接收裝置收到無線電波，再把電磁波轉化為電能。

早期的礦石收音機和這個原理相似，都是先將電能轉化為電磁波，再接收電磁波并轉化成電能。雖然這種方式的傳輸距離較遠，但是功率和效率都比較低，而且傳輸過程中產生的電磁波還會對人有一定的影響，因此，這種無線充電方式在新能源汽車領域的應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 無線充電技術的比較

對上述三種無線充電技術進行對比，如表1所示。由表1可知，對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都是最有可能在未來應用在新能源汽車上的。

表1 三種無線充電技術比較

3 無線充電現(xiàn)存問題

3.1 充電標準不統(tǒng)一

目前采用的標準主要有5種，分別是PMA標準、A4WP標準、Qi標準、Wi-Po技術與iNPOFi技術。限制無線充電發(fā)展的一個重要原因就是充電標準不統(tǒng)一，統(tǒng)一充電標準對于無線充電發(fā)展來說是一個必不可少的過程。

3.2 成本較高

電動汽車的無線充電需要較高難度的技術，在還沒有普及和量產之前，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的普及和量產，技術的進步在未來應該能使其成本逐漸降低。

3.3 安全隱患

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

4 無線充電技術未來發(fā)展趨勢

2020—2025年無線充電產業(yè)將會得到迅速發(fā)展，預計2025年之后，智能化汽車產業(yè)逐漸成熟，無線充電的市場將會進一步擴大。無線充電技術的未來發(fā)展應該考慮同時為多輛電動汽車充電，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步將使無線充電的應用場景更加多元化，不但能夠在汽車領域使用，還可以在PC、手機等更多電子產品中利用，未來可能會是一個無線時代。

5 總結

對于電動汽車，與有線充電技術相比，無線充電技術更為方便與安全。比較三種常用的無線充電技術（電磁感應式、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值的無線充電方式[10]。目前，無線充電技術在手機、電動牙刷等小功率電子設備上已經商業(yè)化，在電動汽車領域的商業(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和重點。汽車產業(yè)是國民經濟的一個重要組成部分，在社會發(fā)展與國民經濟中有著舉足輕重的地位。新能源汽車行業(yè)是一個逐漸崛起的產業(yè)，發(fā)展新能源汽車能夠有效促進節(jié)能減排。制定統(tǒng)一的無線充電國際標準，促進國際研究團隊的合作，都能對該技術的發(fā)展起到積極促進作用。

對于新能源汽車行業(yè)來說，無線充電技術有著跨時代的意義，不僅能夠節(jié)約建設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，讓電動汽車的充電變得更快捷安全。相信在未來，無線充電技術能夠在新能源汽車上成熟利用，并對社會的發(fā)展起到積極作用。