電動汽車無線充電原理及應用分析

胡瑞明 武鉑睿

【摘要】隨著經濟的快速發展，節能、低碳和環保經濟成了社會發展的需要，電動汽車受到了廣泛的關注，而無線充電技術是未來電動汽車供電技術的發展趨勢。本文介紹了 三種常用的無線充電技術：電磁感應、微波、磁耦合共振，并分析了三種無線充電的工作原理、存在的問題及實用化前景。

【關鍵詞】電動汽車;無線充電;電磁感應;微波;磁耦合共振

一、引言

自電動汽車產生以來，為了讓車主感覺更加方便、安全，高新技術和便捷服務已經被廣泛應用，很多知名的汽車制造商和能源企業建造了跟傳統加油站類似的充電樁和換電站。在日本、美國、德國，包括中國在內等地區都開始配置充電設備的充電樁和換電設備的換電站。無論是充電樁還是換電站都屬于接觸式充電范疇，它們都需要充電插頭和電線來進行電能的傳遞。但無線充電則不需要這些連接裝置，它是利用交變電磁場和無線電波來傳遞電能，因此不需人來插拔插頭，同時節省電線材料，無觸電危險，在惡劣天氣環境下使用性強，很便于在停車場和車庫大面積推廣。因此，電動汽車無線充電受到很多汽車制造商的青睞，相關技術的研究和應用在世界發達國家已經開始開展。

二、無線充電技術

無線充電技術應用在電動汽車上主要有三種：電磁感應法、微波法、磁耦合共振法。其中電磁感應法利用線圈間產生的電磁感應現象進行電能傳輸;微波法利用天線發射和接收微波進行電能傳輸;磁耦合共振法利用共振電路之間的共振現象進行電能傳輸，下面分別進行分析介紹。

（一）電磁感應法

此原理與電力系統中常用的電力變壓器原理類同。在變壓器的一次線圈通入交變電流，二次線圈會由于電磁感應原理感應出電動勢，如果二次線圈電路閉合，即可有感應電流出現，電流方向的確定遵從楞次定律，其大小可由麥克斯韋電磁理論解出。相對于無線輸電而言，變壓器的一次線圈相當于電能發射線圈，二次線圈相當于電能接收線圈，這樣就可以把電能從發射線圈無線傳輸到接收線圈。工作原理如圖1所示。

該電能傳輸系統是將發射電能的一次線圈埋藏在地下，接收電能的二次線圈安裝于車底部，兩線圈之間空隙的大小會影響充電系統的效率。

（二）微波法

要想實現電能長距離的無線傳輸，則可使用微波的傳輸方式。由于微波的波長比較短，其波長范圍在0.1mm～1m，故其定向性好，彌散小，可用于實現電能的遠程傳輸，電能以微波為載體，可以實現電能在自由空間中進行傳播。

與電磁感應方法不同，微波方法利用電磁輻射原理進行無線電能傳輸。首先通過能量轉換裝置將電能轉換成微波，然后利用發射天線將微波經自由空間傳給接收天線，最后將接收到的微波通過能量轉換裝置轉換為電能。其傳輸距離可達幾公里，屬于遠程電能傳輸。微波輸電原理如圖2所示。

圖2 微波輸電原理

雖然國內外研究取得了一些成果，但利用微波法為電動汽車進行非接觸式充電還存在以下重大缺陷：

1）傳輸效率低。目前表明，實驗室內最高達到的電能傳輸效率尚未達到80%，實際產品的傳輸效率均不到40%。

2）存在電磁干擾。微波法輸電利用1～10GHz頻段范圍的頻率，該頻段對通信、雷達和射電天文的干擾非常顯著。

3）充電功率低。據報道的充電功率均不到1KW，很多實驗系統只能傳輸幾瓦的功率。

（三）磁耦合共振法

此無線充電方式需要發射和接收兩個共振系統，可分別由感應線圈制成。通過調整發射頻率使發射端以某一頻率振動，其產生的不是彌漫于各處的普通電磁波，而是一種非輻射磁場，即把電能轉換成磁場，在兩個線圈間形成一種能量通道。接收端的固有頻率與發射端頻率相同，因而發生了共振。隨著每一次共振，接收端感應器中會有更多的電壓產生。經過產生多次共振，感應器表面就會集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射磁場中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉換，實現了電能的無線傳輸。未被接收的能量被發射端重新吸收。這種非輻射電磁場的范圍比較有限，不適用于長距離，要求發射端與接收端在感應線圈半徑的8倍的距離之內。

磁耦合共振法輸電原理如圖3所示。

圖3 磁耦合共振法輸電原理

在利用磁耦合共振法為電動汽車進行充電時同樣面臨一些問題：

1）缺乏共振頻率的行業標準。

2）共振頻率變化導致充電效率降低。隨著周圍環境的變化，電動汽車充電系統的共振頻率可能發生變化。如何根據周圍的環境的變化控制電源輸出的頻率，使發射和接收線圈始終保持共振狀態，以保證最大效率下工作，這值得深入研究。

3）充電功率較低。目前最大傳輸功率在幾千萬的量級，如何增大充電功率，是一個重要的研究方向。

三、實用化分析

電動汽車對電動汽車無線充電的實用性需要關注三個指標：輸出功率、傳送距離、充電效率。下面將電磁感應法、微波法、磁耦合共振法列于表1進行對比。

通過表1的對比可以看出，雖然微波法充電傳送距離最遠，但輸出功率及充電效率都是很低的，所以難以在電動汽車上配置無線充電裝置。

電磁感應法充電輸出功率最大，充電效率也較高，但其傳送距離較短，一般工業中的有效傳輸距離在2～3cm，而且需要機械裝置將汽車停在合適的位置與線圈對準，因此建設類似傳統加油站的充電站適合這種方法。

表1 三種無線充電方式對比

方式 電磁感應 微波 磁耦合共振

充電原理 為充電線圈提供交流電并產生磁場時，磁力線穿過與之分離一定距離的接收線圈，使接收線圈產生相應電動勢并可對外輸出電流 充電與接收兩部分，均采用微波傳送與接收技術 基本原理與電磁感應式相同。只是充電部分與接收部分使用同一共振周波，可將阻抗限制在最低值并使傳送距離增大

使用頻率范圍 22kHz 2.45GHz 13.56MHz

輸出功率 30kW 1kW 1kW

傳送距離 100mm 1000mm 400mm

充電效率 92% 38% 95%

日本研制企業 昭和飛行機工業 三菱重工業 長野日本無線

磁耦合共振法輸出功率比電磁感應法小，但是傳送距離卻比電磁感應法大，且不需要車載線圈與電源線圈完全對準，因此這種方法適合開發新型的充電模式，比如車庫和地面停車位。利用這種方法，可以在高速公路或者護欄上安裝電源線圈，電動汽車在行駛過程中就可以進行不間斷充電。

四、結語

電動汽車普及的同時，全世界開始越來越多的關注無線充電技術。本文分析了電動汽車的三種無線充電方法：電磁感應法、微波法、磁耦合共振法的工作原理，并對三種方法進行了對比分析。可以得知，隨著電動汽車的發展，無線充電市場的規模將井噴式增長。

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作者簡介：胡瑞明（1986—），男，河南鶴壁人，助教，鶴壁汽車工程職業學院教師，研究方向：電氣工程及汽車電子。