李 斌 ，劉 暢 ，陳企楚 ，林晶怡 ，鄧小元

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210003)

低碳經(jīng)濟(jì)核心是新能源技術(shù)與節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用，電動(dòng)汽車能夠較好地解決機(jī)動(dòng)車排放污染與能源短缺問題，是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。作為電動(dòng)汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要前提和基礎(chǔ)，電動(dòng)汽車充換電設(shè)施建設(shè)引起了各方廣泛關(guān)注。新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其純電動(dòng)汽車的快速增長，必然會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的充電方式多樣化和方便性提出更高的要求[1]。無線充電技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，目前商業(yè)化運(yùn)作主要應(yīng)用于手機(jī)、電腦、隨身聽等小功率設(shè)備的充電上，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域目前還是一個(gè)全新的概念[2]。隨著無線充電技術(shù)的成熟，電動(dòng)汽車將是無線充電設(shè)備最具潛力的市場。從無線充電技術(shù)的分類入手，分析了無線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用工作原理，并介紹了國內(nèi)外電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的應(yīng)用研究情況，同時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了深入思考，提出了一些建議，以利于該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

1 無線充電技術(shù)

無線充電技術(shù)引源于無線電力輸送技術(shù)。無線電力傳輸也稱無線能量傳輸或無線功率傳輸，主要通過電磁感應(yīng)、電磁共振、射頻、微波、激光等方式實(shí)現(xiàn)非接觸式的電力傳輸。根據(jù)在空間實(shí)現(xiàn)無線電力傳輸供電距離的不同，可以把無線電力傳輸形式分為短程、中程和遠(yuǎn)程傳輸三大類[3]。

（1）短程傳輸。通過電磁感應(yīng)電力傳輸（ICPT）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，一般適用于小型便攜式電子設(shè)備供電。ICPT主要以磁場為媒介，利用變壓器耦合，通過初級(jí)和次級(jí)線圈感應(yīng)產(chǎn)生電流，電磁場可以穿透一切非金屬的物體，電能可以隔著很多非金屬材料進(jìn)行傳輸，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端，實(shí)現(xiàn)無電氣連接的電能傳輸。電磁感應(yīng)傳輸功率大，能達(dá)幾百千瓦，但電磁感應(yīng)原理的應(yīng)用受制于過短的供電端和受電端距離，傳輸距離上限是10 cm左右。

（2）中程傳輸。通過電磁耦合共振電力傳輸（ERPT）技術(shù)或射頻電力傳輸（RFPT）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，中程傳輸可為手機(jī)、MP3等儀器提供無線電力傳輸。ERPT技術(shù)主要是利用接收天線固有頻率與發(fā)射場電磁頻率相一致時(shí)引起電磁共振，發(fā)生強(qiáng)電磁耦合的工作原理，通過非輻射磁場實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。電磁共振型與電磁感應(yīng)型相比，采用的磁場要弱得多，傳輸功率可達(dá)幾千瓦，能實(shí)現(xiàn)更長距離的傳輸，傳輸距離可達(dá)3～4 m。RFPT主要通過功率放大器發(fā)射射頻信號(hào)，通過檢波、高頻整流后得到直流電，供負(fù)載使用。RFPT距離較遠(yuǎn)，能達(dá)10 m，但傳輸功率很小，為幾毫瓦至百毫瓦。

（3）遠(yuǎn)程傳輸。通過微波電力傳輸（MPT）技術(shù)或激光電力傳輸（LPT）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程傳輸對(duì)于太空科技領(lǐng)域如人造衛(wèi)星、航天器之間的能量傳輸以及新能源開發(fā)利用等有重要的戰(zhàn)略意義。MPT是將電能轉(zhuǎn)化為微波，讓微波經(jīng)自由空間傳送到目標(biāo)位置，再經(jīng)整流，轉(zhuǎn)化成直流電能，提供給負(fù)載。微波電能傳輸適合應(yīng)用于大范圍、長距離且不易受環(huán)境影響的電能傳輸，如空間太陽能電站等。LPT是利用激光可以攜帶大量的能量，用較小的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的電能傳輸。激光方向性強(qiáng)、能量集中，不存在干擾通信衛(wèi)星的風(fēng)險(xiǎn)，但障礙物會(huì)影響激光與接收裝置之間的能量交換，射束能量在傳輸途中會(huì)部分喪失。

2 無線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用

無線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，是通過埋設(shè)于地表的一次線圈與固定于車輛底盤的二次線圈的電磁耦合來傳輸電能，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，具有安全環(huán)保、全自動(dòng)、免維護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前常用的3種無線充電技術(shù)中，因?yàn)镮CPT和ERPT在中等距離的傳輸效率較高，更適合于電動(dòng)汽車充電[4]。特別是東南大學(xué)采用的電磁耦合共振式ERPT技術(shù),已能將無線傳輸?shù)木嚯x增加到50 cm左右，也是國內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)0.5 m以上千瓦級(jí)無線電能傳輸?shù)难芯砍晒鸞5]。

2.1 無線充電技術(shù)工作原理

2.1.1 ICPT工作原理

ICPT是以耦合的電磁場為媒介實(shí)現(xiàn)電能傳遞，對(duì)于電動(dòng)汽車用ICPT，是將變壓器原、副邊繞組分置于車外地面上和車內(nèi)底盤上，通過高頻磁場的耦合傳輸電能。該系統(tǒng)主要由電源側(cè)發(fā)射端、無接觸變壓器和電動(dòng)汽車側(cè)接收端組成。其原理如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車ICPT系統(tǒng)原理

電源側(cè)發(fā)射端電源從電網(wǎng)獲取電能后經(jīng)過整流濾波獲得直流電，進(jìn)入逆變器中進(jìn)行高頻逆變，產(chǎn)生的高頻交變電流在信號(hào)控制電路的控制下經(jīng)過一次側(cè)補(bǔ)償電路后注入原邊繞組，在臨近空間產(chǎn)生高頻交變磁通；位于汽車底盤的副邊繞組在靠近原邊繞組空間通過感應(yīng)耦合高頻交變磁通獲取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)在信號(hào)控制電路的控制下經(jīng)過整流濾波以及功率調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)為車載電池提供電能。此系統(tǒng)本質(zhì)上相當(dāng)于變壓器的疏松耦合系統(tǒng)，其一次側(cè)、二次側(cè)之間通過電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能傳輸，因氣隙導(dǎo)致的耦合系數(shù)的降低可以由提高一次側(cè)輸入電源的頻率加以補(bǔ)償。

2.1.2 ERPT工作原理

ERPT是采用2個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，利用線圈及兩端的平板電容器，共同組成諧振電路，實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。該系統(tǒng)也主要由電源側(cè)發(fā)射端、發(fā)射/接收線圈和電動(dòng)汽車側(cè)接收端組成。其原理如圖2所示。

電源側(cè)發(fā)射端電源從電網(wǎng)獲取電能后利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流，經(jīng)過功率放大電路和阻抗匹配電路后，在發(fā)射線圈周圍形成非輻射磁場，從而將電能轉(zhuǎn)換為磁場；當(dāng)位于電動(dòng)汽車側(cè)的接收線圈的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時(shí)，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，完成磁場到電能的轉(zhuǎn)換；同時(shí)電流經(jīng)過整流濾波進(jìn)入限流/充電調(diào)節(jié)電路后就可為車載電池提供電能。

圖2 電動(dòng)汽車ERPT系統(tǒng)原理

ERPT系統(tǒng)中發(fā)射線圈和接收線圈都是自振系統(tǒng)，根據(jù)共振特性由發(fā)射端激發(fā)接收端的共振，以很小的消耗代價(jià)來傳輸能量。能量傳輸在共振系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行，對(duì)共振系統(tǒng)外的物體不會(huì)產(chǎn)生影響，其磁場強(qiáng)度和地球磁場強(qiáng)度相似，有效傳輸距離為幾十厘米到幾米。在能量傳輸過程中，電磁波的頻率越高其向空間輻射的能量越大，傳輸?shù)男示驮礁摺?/p>

2.2 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)應(yīng)用情況

當(dāng)今，許多國家都在研制電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)，其中美國、英國、日本等是最早開始電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)研究的國家。

日本長野無線公司于2009年8月宣布開發(fā)出了基于磁共振的充電系統(tǒng)，可以在600 mm的傳輸距離內(nèi)確保90%的傳送效率；但目前的傳送功率還比較?。s1 kW），擬定從叉車等使用范圍進(jìn)入市場，伴隨著技術(shù)成熟程度和傳送功率的提高，有望很快進(jìn)入電動(dòng)汽車充電領(lǐng)域。

英國HaloIPT公司于2010年11月開發(fā)出一種新型無線充電系統(tǒng)，該感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)利用感應(yīng)電荷的原理，將電源板埋藏于道路的瀝青之下，進(jìn)行無線充電；同時(shí)由于電源板不暴露在外，既可以得到有效保護(hù)，減少磨損，又不會(huì)受到惡劣天氣的影響。

日本IHI株式會(huì)社于2011年11月采用美國WiTricity公司磁共振無線供電技術(shù)，研發(fā)出電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)，并已實(shí)施現(xiàn)場使用。該系統(tǒng)包含了安裝在電動(dòng)汽車上的無線電能接收裝置及安裝在地面的無線供電裝置，適用于各種電動(dòng)汽車及充電電池。電動(dòng)汽車在充電點(diǎn)停車時(shí)，將自動(dòng)予以充電，而汽車與充電設(shè)備之間并無接觸。WiTricity公司表示，與電磁感應(yīng)和微波等無線電能傳輸系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有更高傳輸效率和更遠(yuǎn)輸電距離，系統(tǒng)在20 cm傳輸距離可實(shí)現(xiàn)無線充電輸出功率3.3 kW，充電效率達(dá)90%以上。

最近，美國斯坦福大學(xué)一個(gè)研究小組正在設(shè)計(jì)開發(fā)一種高效充電系統(tǒng)，可使電動(dòng)汽車在公路上一邊行駛一邊自動(dòng)充電。該充電系統(tǒng)的工作原理是將一系列接通電流的線圈埋入高速路面下，在汽車底部裝上感應(yīng)線圈，當(dāng)汽車通過該高速路時(shí)就會(huì)引起共振，產(chǎn)生的磁場將電力持續(xù)不斷地傳輸給電池，這種無線傳輸方案的充電效率可達(dá)97%。

3 電動(dòng)汽車能源供給方式及充電技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 傳統(tǒng)電動(dòng)汽車能源供給方式分類

目前，電動(dòng)汽車傳統(tǒng)能源供給方式主要有電池更換、交流慢充和直流快充3種方式[6]，均屬于有線接觸式充電。

（1）電池更換方式是用充滿電的電池組更換車輛上能量接近耗盡的電池組，一般在10 min以內(nèi)即可完成。該方式可有效解決續(xù)駛里程不足問題，同時(shí)通過對(duì)電池組的集中充電和專業(yè)維護(hù)以及梯次利用，延長電池壽命，提高電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于用戶而言，可以買車不買電池，降低了一次性購買成本。此外更換電池方式可充分利用低谷電價(jià)優(yōu)勢(shì)，降低充電成本。但由于電池組較重，更換電池的專業(yè)化要求較強(qiáng)，需配備專業(yè)人員借助專業(yè)機(jī)械來快速完成電池的更換、充電和維護(hù)，如何實(shí)現(xiàn)電池箱的標(biāo)準(zhǔn)化及電池快速更換的實(shí)用化是此模式普及的關(guān)鍵所在。

（2）交流慢充方式由交流充電樁提供電能，車載充電機(jī)完成交直流變換，充電功率一般不大，充電時(shí)間通常為5～8 h。該方式充電電流較小，可降低電池在充電過程中的發(fā)熱量，提高充電效率和延長電池的使用壽命，但其問題是充電時(shí)間過長。

（3）直流快充方式由非車載充電機(jī)完成交直流變換，充電功率較大，通常情況下常規(guī)充電時(shí)間在3～4 h左右；也可提供20 min～2 h之內(nèi)。以較大電流提供快速充電，一般充電電流為150～400 A。經(jīng)常性大電流快速充電會(huì)大大縮短電池使用壽命，對(duì)充電接頭的規(guī)格、充電設(shè)施的容量也提出了更高的要求。另外，快速充電引起的大電流變化將對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，引起公共電網(wǎng)電壓波動(dòng)，大功率充電機(jī)產(chǎn)生的大量諧波，也會(huì)影響公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

3.2 有線和無線充電技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

有線充電技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：能源轉(zhuǎn)換一次性獲得，電能損失小，節(jié)能環(huán)保；交直流轉(zhuǎn)換一次性，不存在中高頻電磁輻射；充電樁及充電機(jī)等充電設(shè)備技術(shù)門檻不太高，經(jīng)濟(jì)投入不大，維修方便；充電功率調(diào)節(jié)范圍較寬，適合多種不同電壓和電流等級(jí)的動(dòng)力電池儲(chǔ)能補(bǔ)給。其缺點(diǎn)是：充電設(shè)備的移動(dòng)搬運(yùn)和電源的引線過長，人工操作繁瑣；充電站及充電設(shè)備公共占地面積過大；人工操作過程中，極易出現(xiàn)設(shè)備的過度磨損等不安全性隱患。

無線充電技術(shù)具備如下優(yōu)點(diǎn)：使用方便、安全，無火花及觸電危險(xiǎn)，無積塵和接觸損耗，無機(jī)械磨損和相應(yīng)的維護(hù)問題，可適應(yīng)多種惡劣環(huán)境和天氣。其缺點(diǎn)是：設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本投入較高，維修費(fèi)用大；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大功率無線電磁轉(zhuǎn)換，能量損耗相對(duì)較高；無線充電設(shè)備的電磁輻射會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

4 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)應(yīng)用思考

在電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，有一些問題值得思考和注意。

（1）電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)中最常用的2種技術(shù)相比較而言，ERPT比ICPT更具有優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?。ICPT要求電動(dòng)汽車側(cè)接收端非?？拷l(fā)射端感應(yīng)線圈，由于磁場能量會(huì)隨距離的增加而迅速衰減，因而在傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)中，距離只能通過增強(qiáng)磁場強(qiáng)度來增加。而ERPT使用匹配的諧振天線，可使磁耦合在幾英尺的距離內(nèi)發(fā)生，而且不需要增強(qiáng)磁場強(qiáng)度；同時(shí)由于是形成非輻射磁場，從而大大降低了能源損耗。

（2）對(duì)電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的應(yīng)用安全性一定要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，尤其是人身安全、電池充電、電磁輻射對(duì)人類及環(huán)境的影響等問題。

（3）在實(shí)際應(yīng)用中，要重點(diǎn)考慮電動(dòng)汽車無線充電設(shè)施的安全保護(hù)及應(yīng)用設(shè)計(jì)問題。例如發(fā)射端裝置安裝在地下，要注意保護(hù)措施；同時(shí)無論是地面安裝的發(fā)射端裝置還是車輛接收端裝置都應(yīng)該考慮防水問題，以應(yīng)用于雨天及潮濕環(huán)境。

（4）無線充電技術(shù)雖然具有靈活方便的使用特點(diǎn)，但從電能轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低及能源損耗較大的角度看，還需要對(duì)電磁轉(zhuǎn)換能效提升等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，以推進(jìn)該技術(shù)的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

（5）在電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的安全性和可靠性問題上，可以考慮射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)的嵌入式應(yīng)用。無線充電系統(tǒng)可通過內(nèi)置的RFID芯片，實(shí)現(xiàn)電能發(fā)送端對(duì)電動(dòng)汽車充電電池箱的ID身份驗(yàn)證，以保證不會(huì)對(duì)未經(jīng)認(rèn)證的電動(dòng)汽車電池箱進(jìn)行充電，從而保證充電的安全性[7]。但也要認(rèn)識(shí)到RFID技術(shù)和無線充電系統(tǒng)的電磁場耦合技術(shù)，可能存在著干擾問題。

（6）對(duì)于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)應(yīng)統(tǒng)一制定和實(shí)施無線充電通信標(biāo)準(zhǔn)，逐步制定行標(biāo)、國標(biāo)，以保證電動(dòng)汽車無線充電設(shè)施與電動(dòng)汽車無線充電接口的通用互聯(lián)和一致性。

5 結(jié)束語

電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)具有方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)，但目前還處于研發(fā)和探索階段，在實(shí)用化方面還有大量的工作要做。此外根據(jù)當(dāng)前能源匱乏的實(shí)際情況，電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)大功率無線充電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作還為時(shí)過早，但作為未來靈活的充電方式，進(jìn)行前期探索很有必要。隨著該技術(shù)的不斷完善，同時(shí)結(jié)合中國智能電網(wǎng)的建設(shè)，其在電動(dòng)汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用必將大大推動(dòng)電動(dòng)汽車的大規(guī)模應(yīng)用。

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