李 杰 ， 张江林 ， 贺兴家 ， 胡洋珩 ， 徐智勇

（成都信息工程大学自动化学院，四川 成都 610225）

随着科技的进步以及人们对于能源和环保问题的重视，新能源汽车越来越受到人们的关注。因为国家政策的大力扶持，如今汽车产业的发展趋势就是新能源汽车[1]。目前新能源汽车的充电方式主要为有线充电，通过充电桩来进行电能的传输，但是在实际使用中却会出现很多问题。其中一个主要问题是一个充电桩不能同时为多辆车供电，节假日经常能在高速公路的服务区看到很多新能源汽车在排队等着充电。另一个问题是有安全隐患，利用充电桩进行充电的时候容易产生漏电的情况，这是一个不可忽视的安全隐患。与有线充电比较，无线充电技术的优点在于稳定性与安全性。课题组将介绍几种基本的无线充电方式，包括磁耦合共振式、电磁感应式与无线电波式，通过比较这三种无线充电方式，可知磁耦合共振式不管是在传输距离还是在传输功率上，都具有很好的研究前景[2-5]。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

对于电能的无线传输国外研究比较早，因此关于新能源汽车无线充电的研究也要比国内领先。国外知名车企比如宝马、奥迪、丰田等都已经在新能源汽车上实验无线充电技术[2]。国外研究新能源汽车无线充电技术的高校和机构主要有日本东京大学、美国犹他大学、新西兰奥克兰大学及美国橡树岭国家实验室等。在2007年的时候，美国麻省理工学院的Marin教授带领团队与Delphi公司合作，共同研发了电动汽车无线充电设施。东亚国家中，日本运行了无线充电混动巴士，韩国也运行了感应充电式观光车。2021年12月7日，全球第四大汽车制造商Stellantis在官网上表示，实验新能源汽车无线充电的公路“Arena del Futuro”正式开通，且测试结果令人满意。

1.2 国内研究现状

国内研究新能源汽车无线充电的高校主要有清华大学、东南大学以及重庆大学等，主要聚焦于优化磁耦合设计、电磁兼容与屏蔽和系统建模与控制等方面。2013年东南大学黄学良教授及其团队研发了全国首辆无线电能传输的新能源汽车。同年，重庆大学孙跃教授及其团队也提出了一种新能源汽车能量互充系统。此外，清华大学赵争鸣教授及其团队也对新能源汽车无线充电系统进行了深入研究。国内也有很多研究新能源汽车无线充电技术的公司，比如北京有感科技有限责任公司、中兴新能源汽车、厦门新页科技有限公司等。2014年中兴新能源汽车实现了最大输出功率60 kW且有着90%效率的无线充电系统。2021年下半年万安科技在网络平台上表示，公司新能源汽车无线充电技术将要进入小规模量产阶段。2022年上汽集团与多方合资的新势力品牌智己汽车上市的智己L7配备了11 kW无线充电功能。

2 无线充电技术

2.1 电磁感应式

最常见的无线充电技术，主要通过电磁感应原理进行电能的无线传输，与变压器工作原理一致。当初级线圈接上某个频率的交流电源时，由于电磁感应原理，次级线圈会产生感应电压，这样便把能量从发送端传送到接收端，实现了电能的无线传输。此类无线充电技术存在着局限性：由于两线圈之间气缝的限制，传输距离比较短，最远只能实现厘米级，而且空气间隙同样对电能传输效率有影响。因为上述原因，这种无线充电方式多数应用在手机、平板以及电动牙刷等微型电子产品上。电磁感应式电能无线传输系统框图如图1所示。

图1 电磁感应式无线充电系统框图

2.2 磁耦合共振式

2007年6月，麻省理工学院的Marin教授与他的团队进行了一个公开演示。他们把一个有着60 cm直径的线圈通电，此时与另一个线圈相连的60 W灯泡被点亮，相距6英尺（约1.83 m）。这个原理就是磁耦合共振，Marin教授称之为WiTricity技术。磁共振的前提条件是发射线圈与接收线圈有着一样的谐振频率，当发射线圈的谐振频率和系统频率一样时，发射线圈里将会流过最大的电流，就能产生最强的磁场，如果接收线圈也有一样的谐振频率，发射线圈与接收线圈便可通过耦合磁场实现共振[6-7]。这个技术的基本过程为电源传输电能到电路中，进行高频逆变之后将所需频率的交流电传送到另一个用于发射的线圈，发射线圈和接收线圈有着一样的谐振频率便会产生共振，信号到达接收线圈之后再经整流滤波，最后电池就可以收集输送过来的电能，从而完成电能的无线传输。

磁耦合共振技术能够进行较远距离的电能传输，可以进行几厘米到几米的无线充电。除了有较远的传输距离之外，磁耦合共振方式还能够同时为多个设备供应电能，并且磁耦合共振方式最高能够达到90%以上的传输效率。磁耦合共振式无线充电系统框图如图2所示。

图2 磁耦合共振式无线充电系统框图

2.3 无线电波式

无线电波又叫电磁波，利用无线电波进行电能传输，是另一种比较可靠的无线充电方式。此方式最重要的一部分是天线，由天线来进行能量的转换与传输，通过发射装置之后，电能变换成电磁波，调整角度之后的接收装置收到无线电波，再把电磁波转化为电能。

早期的矿石收音机和这个原理相似，都是先将电能转化为电磁波，再接收电磁波并转化成电能。虽然这种方式的传输距离较远，但是功率和效率都比较低，而且传输过程中产生的电磁波还会对人有一定的影响，因此，这种无线充电方式在新能源汽车领域的应用一直没有被深入研究。无线电波式充电系统框图如图3所示。

图3 无线电波式充电系统框图

2.4 无线充电技术的比较

对上述三种无线充电技术进行对比，如表1所示。由表1可知，对于新能源汽车的无线充电，不管是在传输距离还是在传输功率上，磁耦合共振式无线充电技术都是最有可能在未来应用在新能源汽车上的。

表1 三种无线充电技术比较

3 无线充电现存问题

3.1 充电标准不统一

目前采用的标准主要有5种，分别是PMA标准、A4WP标准、Qi标准、Wi-Po技术与iNPOFi技术。限制无线充电发展的一个重要原因就是充电标准不统一，统一充电标准对于无线充电发展来说是一个必不可少的过程。

3.2 成本较高

电动汽车的无线充电需要较高难度的技术，在还没有普及和量产之前，所需的成本要高于有线充电。一套完全售后的家庭无线充电系统成本大约为2 500～3 000美元，然而，只需要300～500美元就可以购买7 kW的有线充电桩。因此，较高的成本依然阻碍着无线充电技术的普及和量产，技术的进步在未来应该能使其成本逐渐降低。

3.3 安全隐患

电能转化为电磁波之后会产生高频辐射，而且充电的时候如果有小动物或者金属异物介入，也会引起故障，存在一定的安全隐患。目前，高通的无线充电系统遇到上述情况会进行紧急处理，当有活体靠近充电板或有金属物体在充电板上时，系统会检测出来，进行报警处理，并且立即停止充电。

4 无线充电技术未来发展趋势

2020—2025年无线充电产业将会得到迅速发展，预计2025年之后，智能化汽车产业逐渐成熟，无线充电的市场将会进一步扩大。无线充电技术的未来发展应该考虑同时为多辆电动汽车充电，提高传输功率和效率，提高充电稳定性和安全性[8-9]。科技的进步将使无线充电的应用场景更加多元化，不但能够在汽车领域使用，还可以在PC、手机等更多电子产品中利用，未来可能会是一个无线时代。

5 总结

对于电动汽车，与有线充电技术相比，无线充电技术更为方便与安全。比较三种常用的无线充电技术（电磁感应式、磁耦合共振式及无线电波式），可知磁耦合共振式是在未来最有研究价值的无线充电方式[10]。目前，无线充电技术在手机、电动牙刷等小功率电子设备上已经商业化，在电动汽车领域的商业化还需要继续深入研究和发展。主要问题集中在成本、充电功率和效率、传输距离上面，这些都是目前研究的热点和重点。汽车产业是国民经济的一个重要组成部分，在社会发展与国民经济中有着举足轻重的地位。新能源汽车行业是一个逐渐崛起的产业，发展新能源汽车能够有效促进节能减排。制定统一的无线充电国际标准，促进国际研究团队的合作，都能对该技术的发展起到积极促进作用。

对于新能源汽车行业来说，无线充电技术有着跨时代的意义，不仅能够节约建设充电桩与充电站的成本，还能够把充电电源与变压器埋藏在地面下，让电动汽车的充电变得更快捷安全。相信在未来，无线充电技术能够在新能源汽车上成熟利用，并对社会的发展起到积极作用。