新能源汽車充電技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

韓彬

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學院）

近年來，在環(huán)境污染和能量危機的形勢下，隨著汽車工業(yè)科技的進步和國家的大力扶持，新能源汽車成為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，當前新能源汽車主要以插電式混合動力和純電動汽車為主，這2種汽車都需要充電，現(xiàn)在電動汽車的充電方式全部是接觸式充電（無論是充電模式還是換電模式），充電設(shè)施主要包含分散式充電樁和集中式充換電站[1]。“快充需排隊，慢充停車貴”已成為新能源汽車消費者公認的事實。文章提出以無線充電技術(shù)代替原有充電方式，解決了充電資源不足的問題。

1 新能源汽車充電技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 充電樁和充電站數(shù)量不足

與新能源汽車的爆發(fā)相比，充電基礎(chǔ)設(shè)施遠遠落后。僅2016年上半年中國新能源汽車銷量為17萬輛，而截至2016年底，國內(nèi)已建成公共充電樁10萬個，車樁比大約為9∶1。按照新能源汽車與充電樁1∶1的標準配置來看，充電設(shè)施缺口巨大。比如，普通充電多為交流充電，電壓220 V，一次需要10 h左右充滿，假如電站有10個充電位置，則一天最多充30輛汽車，則10萬輛汽車需要大量的充電站，占用大量的城市用地，如圖1和圖2所示。

圖1 電動汽車充電站

圖2 電動汽車充電樁

1.2 接口標準難統(tǒng)一

國際上主要有國際電工委員會、美國、歐洲、日本及中國5套標準體系。目前國內(nèi)新能源充電接口主要以國標和美標為主，且兩者完全不兼容。此外，采用國標的企業(yè)充電接口標準也不盡相同，在參數(shù)上會有一定的差別。如果沒有統(tǒng)一的標準，每款車都需要配一個自己的充電樁，要換車就需要把充電樁一同換掉，這樣充電樁無法通用，既制約了新能源汽車的普及，也提高了使用成本。

1.3 同時充電的汽車數(shù)量有限

在快速充電中，多為直流充電，一次充電需要10～20 min，10 min把35 kW的電池充電完畢大約需要250 kW的充電功率，是一個辦公大樓用電負荷的5倍，這不可能是家庭充電！假如一個充電站開4個充電機，功率就能達成“兆瓦”級，是個難題！如圖3所示。

圖3 現(xiàn)有充電規(guī)劃模式

1.4 有線充電樁易受到侵害

充電樁的功能類似于加油站的加油機，在電動汽車使用中扮演著重要角色。為了縮短用戶充電時間，充電樁普遍采用高電壓、大電流的工作方式，這對安全提出了極高的要求，在實際使用中有很多的充電樁都是安裝在露天環(huán)境的，露天環(huán)境就難免遭受風吹雨淋日曬，加上充電樁產(chǎn)品質(zhì)量和標準的參差不齊，無形中都增加了安全隱患。

綜上所述，這些問題的存在，已成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的一大阻礙[2]。

2 新能源汽車無線充電技術(shù)工作原理

無線供電，是一種新型的電能傳輸技術(shù)，無需物理連接，通過非物理接觸的電能傳輸方式來驅(qū)動用電器，在消費電子、電動汽車等眾多領(lǐng)域都可以使用該技術(shù)。電能補充無需使用電源線和插座，更加方便安全[3]。

2.1 電磁感應(yīng)式

初級線圈連通一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。為充電線圈提供交流電并產(chǎn)生磁場時，磁力線穿過與之分離一定距離的接收線圈。交流電產(chǎn)生交變磁場，使接收線圈產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢并可以對外輸出電流，如圖4所示。

圖4 電磁感應(yīng)式無線充電原理

電磁感應(yīng)式非接觸充電系統(tǒng)也存在它的局限性：1）送電距離比較短，如果兩個線圈的橫向偏差較大，傳輸效率就會明顯下降。目前來看，只能實現(xiàn)傳輸距離為10 cm左右，而汽車底盤的離地間隙要大于10 cm；2）耦合的輻射問題，電磁波的耦合會不會存在大的磁場泄漏。電磁感應(yīng)在線圈之間傳輸電力，如同磁鐵一樣，在外圈有一定的泄漏，人如何避免受影響是一個很大的問題；3）線圈之間也有可能有雜物進入，例如某些動物（貓、狗）進入里面，一旦產(chǎn)生電渦流，就如同電磁爐一樣，存在一定的安全隱患。

2.2 磁場共振式

磁共振式也稱為近場諧振式，由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當2個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，其原理與聲音的共振原理相同，排列在磁場中的相同振動頻率的線圈，可從一個向另一個供電，如圖5所示。

圖5 磁場共振式無線充電原理

現(xiàn)在的技術(shù)能力大約是直徑0.5 m的線圈，能在1 m左右的距離提供60 W的電力。磁場共振式充電的技術(shù)難點是小型、高效率化，小型、高效率被認為是將來最有希望廣泛用于電動汽車無線充電的一種方式。

2.3 無線電波式

無線電波也叫電磁波，人們非常熟悉。現(xiàn)在的廣播、電視等現(xiàn)代通信技術(shù)都采用無線電波技術(shù)作為基礎(chǔ)，它同時能傳輸電能，特別是微波，通過硅整流二極管天線將微波轉(zhuǎn)換成電能，轉(zhuǎn)化效率能達到95%。類似于早期使用的礦石收音機，主要由微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，接收電路可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負載作出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。

3 新能源汽車無線充電實例

3.1 日本無線充電式混合動力巴士

電磁感應(yīng)式供電線圈埋入充電臺的混凝土中，車開上充電臺后，當車載線圈對準供電線圈后（重合），車內(nèi)的儀表板上一個指示燈會亮，司機按一下充電按鈕，就開始充電。如圖6所示。

圖6 日本無線充電式混合動力巴士

3.2 韓國感應(yīng)充電觀光車

韓國首爾一座游樂園內(nèi)試運行一種新型電車。這種電車在鋪有電感應(yīng)條的路面上行駛時可“無線”充電，不像傳統(tǒng)電車需通過路軌或頭頂電線獲得電力。如圖7所示。

圖7 韓國感應(yīng)充電觀光車

3.3 日產(chǎn)魔方電動車

采用了可在供電線圈和受電線圈之間提供電力的電磁感應(yīng)方式，即將一個受電線圈裝置安裝在汽車的底盤上，將另一個供電線圈裝置安裝在地面，當電動汽車駛到供電線圈裝置上，受電線圈即可接收到供電線圈的電流，從而對電池進行充電。目前，這套裝置的額定輸出功率為10 kW，電動汽車一般可在7～8 h內(nèi)完成充電。如圖8所示。

圖8 日產(chǎn)魔方電動車

4 結(jié)論

無線電能傳輸技術(shù)作為一項新興技術(shù)，目前在手機、電腦、隨身聽等小功率設(shè)備上已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，應(yīng)用于電動汽車充電大功率設(shè)備也成為各大科研機構(gòu)的關(guān)注焦點。電動汽車無線充電技術(shù)相比于傳統(tǒng)接觸式傳導充電技術(shù)，在適應(yīng)性、安全性、可靠性、靈活性等方面具有一定優(yōu)勢，方便應(yīng)用于車庫、停車場、充電站等場所。大幅提高土地使用效率，解決在都市核心地帶大量建設(shè)充電設(shè)施的老大難問題，構(gòu)建電動汽車充電公共服務(wù)設(shè)施建設(shè)和運營的新模式，加速我國新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略，無線充電技術(shù)的普及對新能源汽車行業(yè)有跨時代意義。