淺析無線充電技術在電動汽車應用中的優勢與短板

鄭世欣

（1.甘肅電器科學研究院，甘肅天水741018；

2.甘肅省高低壓電氣研發檢測技術重點實驗室，甘肅天水741018）

1 引言

能源與環境是當前全球最為關注的問題之一，能源的緊缺與替代、環境的污染與保護共同促進了環保新車的大力發展。電動汽車是首先發展起來的一種環保新能源汽車，由于蓄電池電動汽車技術已經基本成熟，很多廠商已經在規模生產，各地也在進行充電站的建設。但蓄電池電動汽車的充電問題一直令人頭疼，根據現有的應用成果，一般的蓄電池充滿一半需要充電半小時，完全充滿則要8小時以上，充滿電的汽車一般只能行駛100余公里。這顯然讓蓄電池電動汽車無法與內燃機汽車相提并論。在新能源汽車發展的進程中，充電難、充電慢是制約市場發展的絆腳石之一，因此，充電技術的解決，將極大推動蓄電池電動汽車的發展。最近幾年，能夠克服上述問題的無線充電模式逐漸進入公眾的視野，無線充電技術的應用可稱為電動汽車的新革命。

2 無線充電技術的工作原理與運行模式

本質上無線充電就是應用了大眾所熟知的電磁感應原理，即電流流過線圈會產生磁場，與磁場靠近的線圈會產生感應電流。變壓器是利用電磁感應原理的典型設備。只不過變壓器的初級線圈和次級線圈是纏繞在同一個鐵氧體上的，從而能更好的拴住磁場。如果把鐵氧體去掉，讓初級線圈和次級線圈直接在空氣中進行電磁感應，變壓器就可以“搖身一變”，成為無線充電設備的原型了。但是，由于磁場在空氣中耗散比較嚴重，電能傳輸效率會大打折扣，導致無線充電的成本過高。特斯拉的磁場共振技術有效解決了這個問題，使無線傳輸距離從幾厘米增加到數米。這個距離可以滿足汽車等大型用電器了。這使得省掉用電器的連接線變得指日可待。

無線充電可以分為三種充電方式：電磁感應式、磁場共振式、無線電波式。

電磁感應式，初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應在次級線圈鐘產生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端。使用時要求兩個設備的距離必須很近，供電距離控制在0mm－10cm范圍內，而且充電只能對準線圈一對一進行。電磁感應式無線充電的能量轉換率高，傳輸功率范圍較大，能從幾瓦到幾千瓦。

磁場共振式，原理與聲波共振類似，只要兩個介質具有相同的共振頻率，就能夠傳遞能量。這種方式的充電距離在電磁感應式與無線電波式之間，優點是傳輸功率較大，能夠達到幾千瓦，可以同時對多個設備進行充電，不要求兩個設備之間線圈對應；缺點就是損耗很高，距離越遠傳輸功率越大，損耗也就越大，并且必須對使用的頻段進行保護。

電動汽車采用電磁感應式或磁場共振式其構型基本一致，將充電電纜和反射線圈埋設在停車位組成供電機構，當車輛駛入停車位，安裝在車輛底部的接收線圈與發射線圈重合，車輛與充電服務器建立通訊開始充電，發射線圈產生交變磁場，接收線圈產生電流通過逆變器將電能傳遞到電池。此過程如圖1、圖2所示。

這種非接觸式充電，無需傳統的電纜，充電時，僅需將車輛停放在充電板上方即可，因此方便省力。

圖1 內部工作原理

圖2 外部充電樣式

無線電波是另一種較為成熟的無線充電方式，其原理與早期使用的礦石收音機相類似，即利用微型高效接收電路捕捉從障礙物反射回來的無線電波，然后將之轉化為穩定的直流電壓。但該方式的功率低。不超過100mW；距離短，不超過10m；效率低；充電時間長。

3 無線充電技術在電動汽車應用中的強大優勢

從建設成本角度考慮，無線充電系統相比于充換電站系統具有明顯優勢。其一，建設充換電站需要大量占用土地，而無線充電系統可以在現有停車位上原地加裝，或埋于地下，或安置在車位旁的綠化帶里，基本不占用額外的土地資源；其二，無線充電系統造價更低，建設周期也大為縮短。利用現有技術，安裝一套無線充電裝置的費用大概在3萬元左右，普通消費大眾完全可以承受；安裝周期約30天，遠遠低于充換電站的建設周期。

無線充電系統在運營成本上也有較大幅度的降低。對于普通燃油汽車，百公里耗油成本在60元以上，石油公司可以從這筆油費中抽出一部分作為加油站的運營與管理費用；但是電動汽車百公里耗電成本只有10元－15元，扣除發電成本，再從這筆電費中擠出充換電站的運維費用幾乎是不可能的。所以哪怕有線充電系統建設成本降為零，它的運行也是不可持續的。而無線充電系統可以實現停車自動充電，無需配備額外的工作人員進行操作指導，運維成本大幅降低。

從用戶體驗角度來說，無線充電系統更加便捷、安全、清潔。無線充電技術沒有了充電過程中的金屬介質，這是電動汽車充電革命性的變化。借助智能操作系統，無線充電系統可以實現遠程遙控充電甚至自動充電，為使用者帶來更加便捷的用戶體驗。另外，無線充電過程中沒有觸點、沒有機械運動、沒有損失，在安全性與可靠性方面都有質的提高。有線充電樁一般配置高壓線路，具有一定危險性。2014年，在臺風高峰期，深圳市全市電動汽車都不得不停馳，原因在于狂風暴雨會導致有線充電過程存在嚴重安全隱患。而無線充電系統對環境的耐受力非常強，雨水以及粉塵等對充電過程不會造成任何干擾。

此外，無線充電技術的推廣有助于電動汽車的輕量化，降低電動汽車生產成本。近10年來，電池密度并沒有顯著提升，為了保證電動汽車的續航里程，需要安裝龐大的電池裝置，不僅擠占了汽車內部空間，也在一定程度上增加了電動汽車生產成本。如果無線充電技術能夠實現大規模推廣應用，續航能力將不再是一個制約電動汽車發展的問題，降低電池容量與體積將成為可能。

4 無線充電技術在電動汽車應用中的不足

無線充電的優點很明顯，但無線充電所產生的大功率電磁輻射，是阻礙無線充電大規模使用的一大因素。說到電磁感應，不得不提工頻干擾。通常輸送電力用的是交流電，變化的電流會產生變化的磁場，電力傳輸線就在不斷的對外發出電磁波。電磁輻射問題一直是居住在電力線附近小區居民關心的問題，這種人為產生的電磁輻射如今已經困撓整個地球了。

大功率的電磁輻射是人類所懼怕的。長時間遭受電力線的磁場輻射會有害健康已是科學界的共識，大功率磁場對身體的損傷就更為嚴重。無線充電為了提高充電速度，就必須提高電壓和頻率，產生大功率磁場是不可避免的。手機無線充電這種小功率磁場不必擔心，因為它作用距離也就那么幾厘米。而對于電動汽車無線充電這類充電場景，潛在的危險還是會讓人有所擔憂。另一方面，無線充電時會對周圍的電氣設施有影響，產生諸如火災之類的危險或隱患。所以相關協會對無線充電技術提出了比較嚴格的安全指標和環境標準。

無線充電行業以前有三大標準組織分別是：WPC、PMA和A4WP。2014年初PMA和A4WP兩家開始合作，因此當前只剩下兩大標準組織WPC和A4WP。

Qi是全球首個推動無線充電技術標準化的組織無線充電聯盟WPC推出的“無線充電”標準。WPC成員中有約200家科技公司，該標準允許無線充電設備的最大輸出功率不超過5W，一般多為手機廠商所用。目前共有12款汽車提供符合Qi標準的無線充電設備，而共計80種不同型號的智能手機均可適配。

無線充電聯盟A4WP推出Rezence標準。它允許多個設備同時充電，而且在設備的位置與角度上較具彈性，其充電能力與時間也較符合消費者期待，最高傳輸功率不超過50W。

表1 無線充電標準

從上表中可以看到，無論采用哪個充電標準，無線充電都存在輻射風險。在電磁輻射被真正“馴服”之前，對無線充電傳輸效率的評估變的尤為重要。

當前有兩種方法可以滿足要求，一是直接對無線充電產生的電磁輻射進行測量，根據測量結果來評估其對環境危害的程度。二是對無線充電的傳輸效率進行測量，認為丟失的能量減去產生的熱能就是散發到周圍環境中的輻射能。對于第一種方法比較簡單直接，只需拿著測量儀表在無線充電裝置周圍移動，聽到響聲或看到報警提示就知道電磁輻射超標了。第二種方法則專注于電能的傳輸效率，能更好地了解無線充電裝置的性能。

現在公認的對電磁波進行屏蔽的最有效措施是給產生電磁波的物體加個金屬罩子。

5 無線充電技術在國際上不斷規范化

為了加強行業規范與指導，國際自動機工程師學會（SAEInternational）日前發布了混插式以及全電動汽車無線充電技術的行業標準，這是電動汽車無線充電方面的第一個行業標準，具有開創性意義。國際汽車工程師學會是一個技術性學會，它在全球范圍內擁有超過143000名會員，會員均是航空航天、汽車和商用車輛行業的工程師和相關技術專家。而新出臺的行業標準簡稱為“SAETIRJ2954”，意在為輕型插電式以及全電動汽車無線充電技術制定規范，并在全行業里推行統一標準，以加強行業管理與指導。這項新SAE標準旨在制定乘用車方面無線充電的協議。標準制定了低速充電方面的無線能量傳輸（WirelessPowerTransfer，WPT）協議，并通過附錄的方式為其他問題，比如高速充電模式等留足了補充空間。

SAETIRJ2954 規定 85kHz（千赫茲，81.39kHz－90kHz）是輕型汽車充電系統常用的頻段（frequencyband）。目前，新協議中規定了四個等級的插電以及全電動汽車無線能量傳輸水平，但今后協議修訂可增加更多等級。明確無線充電頻段之后，一家汽車制造商生產的無線充電器就能夠兼容其他不同生產商、充電站的無線充電設備。目前，臺架測試（benchtesting）正在進行，同時，實時車載電網測試等也在進行之中。據介紹，無線充電標準計劃將于2018年完成。

6 無線充電技術在國內應用發展中應注意的問題

（1）國家要出臺相應的政策，鼓勵、扶持并規范無線充電汽車的發展和充電設施的建設。一個行業或企業，尤其是利國利民的行業或企業的發展，離不開國家的扶持。無線充電是一個剛剛起步的領域，其有效的發展可以很大程度上解決電動汽車發展的一個瓶頸，但由于對其進行研發的投資巨大，這就更需要國家進行鼓勵和扶持，以加快其研發進程，使其盡早得以應用。

日前，國家標準委2016年首批立項國家標準330項，新立項的標準更加注重創新成果轉化。獲得立項的國家標準突出了科技創新，將能源互聯網、機器人測試、電動汽車充電等72個前沿技術成果列為重大標準研制項目并給予重點支持，其中電動汽車無線充電相關技術標準制訂項目共有4項，分別為《電動汽車車載充電機和無線充電設備之間的通信協議》、《電動汽車無線充電電磁暴露限值與測試方法》、《電動汽車無線充電系統特殊要求》、《電動汽車無線充電系統電磁兼容性要求和試驗方法》，力爭盡快形成技術標準，為新興產業發展注入新動力。

截止到6月份，已經有多個市出臺了有關2016年以后新能源汽車充電基礎實施規劃的政策，覆蓋了湖南、河北、山西、安徽、江蘇、福建、甘肅及云南等省，北京、上海、廣州、重慶、沈陽、運城、瀘州、哈爾濱、西安、濰坊、衡水、鄭州、石家莊、惠州、無錫及杭州等城市。

（2）無論最終采用何種方式充電、采用何種蓄電池，國家及各地方有關部門都要對其頻率、安全、環保、節能等方面進行研究，避免浪費、避免對人體健康產生不良影響、避免對環境造成新的污染，同時要宣傳到位，避免人們對電磁輻射的恐懼心理。

（3）在實際中，由于發射端置于地下，要注意對其的保護。

（4）在雨水較多的地區，除對地下設施的防水外，車輛接收端的防水處理也是一個需要考慮的問題。

7 結束語

無線充電技術在諸如手機等小型電器上的應用已經有一段時間，當前的技術研發也主要集中于小型電器領域，在電動汽車領域的應用尚處于初始階段。原因在于無線充電技術商用化的技術壁壘非常高，主要需要解決充電功率、充電效率和充電距離三方面問題。近日，美國能源署網站上公布了一項新型無線充電技術，可實現20kW的充電功率，是目前充電樁的3倍左右，有望替代傳統充電樁成為電動汽車的基礎充電設施。隨著該技術的不斷完善，必將推動蓄電池汽車的發展，減少對石油的依賴，保護環境，造福人類。