无线充电技术及其在电动汽车方面的应用探讨

2019-01-05陆钧徐松

汽车与驾驶维修(维修版) 2018年12期

陆钧、徐松

（中海阳能源集团股份有限公司 102200)

0 引言

我国的电动汽车发展速度比较快，作为环保的新能源汽车，其中有着不同的类型，如动力电池电动汽车以及燃料电池电动汽车等。燃料电池电动汽车在未来会成为电动汽车发展的重要方向，但当前还处在研发阶段，在成本上是比较高的。电动汽车中无线充电技术属于高新技术，对电动汽车的整体发展也有着促进作用。

1 我国无线充电技术的发展现状以及传输技术类型

1.1 我国无线充电技术的发展现状

当前全球对一次性能源的大幅度利用，所造成的负面影响也是比较突出的，如气候变暖以及环境污染等，这些都影响着经济可持续健康发展。近些年电动汽车行业蓬勃发展，有诸多汽车厂商发出油电混合动力以及纯电动汽车的发展呼声，电动汽车的发展是未来汽车发展的重要方向，但是动力电池容量以及充电模式和效率等，成为电动汽车发展的制约因素[1]。电动汽车续航里程比较有限，而充电时间比较长，对于中长距离行驶有着诸多不便。从充电技术来看，无线充电技术的发展是比较快的，这一技术是以磁场为媒介，不通过输电电缆就能进行电能传输，有着安全、可操作强及智能化的鲜明特征。

我国在无线充电技术发展方面已经有了新的进展，清华大学等理工科学校以及相关的科研单位，把科研的力量投入到新行业中。重庆大学的无线充电研究组分析了变压器结构与电能传输效率间的关系，对传输中保持功率输出最大值问题进行了相应的探究。从对无线充电技术的研究发展现状看到，在这一方面已经有愈来愈大的力量加入[2]。我国在无线充电技术的研究发展，相对于日本以及欧美等发达国家来说是比较晚的，但可喜的是，已经有了研究案例，并且在案例的数量上也在不断增加。

1.2 无线充电技术类型

无线充电技术有着不同的类型，电磁感应式的无线充电技术就是比较突出的类型。电磁感应现象是导体处在变化的磁通量中产生电动势，把导体闭合成回路，电动势就会使得电子流动形成感应电流。耦合器是电能传输的重要装置，除传输电能主电路外也有控制电路。无线输电的方式，一次侧回路产生电磁波并向整体空间扩散，二次侧回路在这一频率谐振，从而把能量加以拾取。

磁场共振充电技术也是无线充电技术中的一个重要类型。磁耦合共振式无线充电是通过磁耦合共振原理实现的，感应场当中辐射源附近和内部间磁场能量反复传递。利用这一现象就可通过电磁共振技术制作系统发射装置，附近空间聚集了没有向外界辐射的大量交磁，系统当中电容就能够约束电场。磁耦合共振式电能传输系统拓扑结构是由多个部分组成的，其中的发射线圈以及处理电路等都是重要组成部分[3]。

电磁共振无线电能传输装置能高效传输电能，损失能量比较小，传输的功率大小以及距离等也比较优化。如图1所示为磁耦合共振电能传输系统。无线充电装置当中比较注重传输功率大小，在对共振式无线充电技术的研究中就要以基本两线圈模型为基础探究，线圈匝数减少半径增大，系统最大传输距离会增大。

图1 磁耦合共振电能传输系统

除此之外，无线充电技术类型中的电波式无线充电技术也是比较关键的类型。技术应用过程中，电能通过调整电路处理后采用发射天线送出，接收天线收到微波信号后通过整流滤波检测环节把电能供给负载。无线充电技术的类型不同应用的效果也是有所不同，电磁感应无线充电技术对传输距离有着较高要求；电磁共振无线充电技术损耗比较小，输出功率较高。

2 电动汽车应用无线充电技术的可行性以及应用和发展趋势

2.1 电动汽车应用无线充电技术的可行性

当前我国在电动汽车领域的发展比较迅速，电动汽车维持运动的电能来自动力电池，电动汽车自身的能耗大，电能消耗的也相对较快。但是当前动力电池容量是比较有限的，对于中长距离的行驶优势不大，这就需要在动力电池的电能快要耗尽时，进行及时的充电才能继续行驶。当前常用的充电桩是把电网交流电进行逆变处理，从而传输到动力电池中，变流器直接引入会对电网形成相应冲击，也会对电网稳定性产生不利影响，充电速度也较慢，这是阻碍电动汽车发展的一个重要因素[4]。

而在无线充电技术的应用下，能够通过不同的无线充电技术，在不通过电缆的情况下来完成汽车充电。可以在任何装有无线充电装置的地方实现汽车充电，也能在电动汽车行驶的过程当中充电，这就有助于提高汽车续航里程和利用效率。通过无线充电技术的应用，能避免拆卸及安装动力电池对汽车造成的伤害，也避免了充电时人为接触所造成的危险事件。

2.2 电动汽车应用无线充电技术应用

电动汽车应用无线充电技术过程中，要和实际的需要相结合。我国的电动汽车研发速度较快，东北电力大学的研究人员已经搭建了电动汽车无线充电系统，系统电量存储能够达到5.5 kW。无线充电技术的应用虽然取得了一定成果，但依然还存在着不足，比如传输距离最少不能低于20 cm，电磁感应的无线充电技术应用传输的距离在15 cm之内等。所以对于传输距离又进行了深度的研究，提出通过脉宽调变控制来使得电动汽车传输距离控制在12～20 cm。甚至有研究人员通过线圈直接增加的方式，实现了无线充电技术的传输距离20 cm的目标[5]。

在进行磁芯线圈参数设置时，相关人员要在系统传输、成本和空间大小等层面加强重视，保障科学的设计。当前的大功率、高效能系统的设计还是无线充电技术的难题。西南大学的研究工作者提出一种磁芯新结构，这一结构能保障系统的运行稳定。而美国在研究时，通过使用方形圆角线圈方式来实现无线充电技术的千瓦级别无线传输的目的。

另外，电动汽车中采用的磁耦合共振式无线充电技术也是存在着一些不足之处，主要是频率失谐以及分裂质量问题。在解决这些问题方面，华南理工大学的相关研究工作者，觉得造成失谐的最大原因是受到外界电磁场以及系统传输距离和温度等方面的影响，从而使得等效电感应发生了变化。因此提出要对输入端电压电流进行多次检测数据记录，来了解误差电压，通过误差电压来控制调节压控振荡器，系统就能处在磁耦合共振状态。

国外在对此问题进行研究时，提出扰动分析方法，对初始工作的频率进行详细分析，通过补偿迭代找到一定工作频率，基础条件是要满足传输的频率。

电动汽车中运用无线充电技术也要从几个重要的方面进行充分考虑，在充电地点的选择方面更要加强重视力度。无线充电技术对被充电设备的距离以及充电状态均有要求，距离不能过大，两者没有相对运动，不然电能无法稳定进行有效传输。充电位置只能是汽车停留地点，也就是停车场以及路口等位置[6]。选择充电方式的时候要从不同的无线充电技术类型当中选择最佳的方式（图2）。电磁感应式的无线充电技术需要的距离小，无线电波充电效率低，最佳的就是电磁共振无线充电技术类型，在充电的距离以及效率等方面都能满足实际的需要。最后在动力电池的选择过程中也要加以重视，电动汽车在城市中能随时充电，要选择无污染以及没有记忆效能的动力电池充电。

图2 几种无线充电技术应用对比

2.3 电动汽车应用无线充电技术发展趋势

电动汽车应用无线充电技术是未来的发展趋势，在发展过程中就要从多方面进行支持。国家方面需要有相应政策来扶持无线充电汽车的发展，以及相应充电设施建设，行业与企业的发展也需要国家的大力支持。尤其是电动汽车无线充电技术发展还处在初期阶段，这就需要从多方面加强重视，解决发展当中的瓶颈问题。不管是采取哪种方式进行充电或采用哪种动力电池，都要从频率、安全和环保节能等方面加强重视（图3）。