無線充電技術在電動自行車領域的應用探討

方宏強，劉國巍，王 飛，劉思遠，閆 崇

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232000)

1 引言

隨著“碳達峰，碳中和”理念的提出，以風能、太陽能為代表的清潔能源開始受到廣泛關注。除了可再生能源代替化石能源外，以電能為代表的二次能源代替化石能源也開始成為人們關注的熱點。當前，電動自行車開始成為民眾短途出行的首要選擇，而電動自行車類似于其他電能出行工具一樣都有著續航里程短的缺點。如果想要提高電動自行車的普及率，關鍵技術則在于完善電動自行車的充電設備。目前電動車充電主要以有線充電樁為主，隨著電動自行車的普及，勢必要增加有線充電樁的數量。而在城市建設大規模的有線充電樁成本巨大。完善電動自行車充電設施除了增設有線充電樁外還可以對電動自行車的充電方式進行創新。無線充電與傳統的有線充電方式相比較有著安全，便捷等優點[6～10]。文獻[6]～[10]中分析了能源以及無線充電發展技術的前景，筆者認為電動自行車領域的無線充電技術將會是未來發展的熱點之一。

2 無線充電技術原理

無線充電技術源于無線電能傳輸技術。無線電能傳輸技術是19世紀后期由著名科學家特斯拉提出的，其原理是利用電磁耦合理論實現電能的非接觸式傳輸。根據能量傳輸方式主要可將其分為四類，分別是電場耦合、電磁感應、磁共振以及無線電波傳能方式[11，12]。

2.1 電場耦合傳能方式

電場耦合式無線充電，是通過兩者之間一種垂直的方式進行非對稱的偶極子來產生電流的傳輸。這種充電方式轉換率極高，兩者的位置也可以不用固定，但其最大的缺點是設備體積大，功率也無法做的很大[13，14]。

2.2 電磁感應傳能方式

電磁感應無線充電其主要利用的就是電磁感應原理。將電能轉換為磁場再通過磁通的變化使得用電設備獲得電能。這種傳輸結構在成本上比較低，體積也較小。但是其最大的缺點就是傳輸距離小，容易造成能量的損耗[15，16]。電磁感應技術是目前無線充電領域應用最為廣泛的充電方式。

2.3 磁共振傳能方式

磁共振傳能方式也是無線充電發展過程中十分重要的一種方式。其原理是電能的發射端與接收端處于同一諧振頻率，適用于遠距離的電能傳輸。而且在理論上可以實現一對多充電。但是其傳輸的損耗也是十分巨大的，而且充電效率也有待提高[17，18]。

2.4 無線電波傳能方式

無線電波傳能方式是將微波變為電能傳播的介質來實現電能的傳輸。無線電波的電能傳輸功率小，通常只能達到100 MW，傳輸距離遠的優點[19]，但因為其傳輸效率十分低，因此目前在市場上的應用還不是很多。

3 無線充電技術與有線充電技術的對比

3.1 安全性

在傳統的充電方式中，采用的一般是有線充電方式。在日常生活中因為有線充電而引起的起火事件時常發生。在潮濕的雨雪天氣無線充電方式較有線充電方式避免了因充電器受潮引起的安全隱患。可以使得充電過程更加安全可靠[20]。對于文獻中提出的安全問題筆者認為這是無線充電技術較傳統充電方式最大的優勢。

3.2 便捷性

有線充電需要找到外接的插座通過電源充電器才能給用電的電動車進行充電。而無線充電則可以隨時隨地充電，增加電動車的續航里程[21]。

4 無線充電技術在電動自行車領域應用需要解決的問題

無線充電技術應用在電動車領域的應用前景很大。但是同時也面臨著許多需要解決的問題。首先，目前國內電動自行車的充電標準主有48 V 12 Ah和60 V 20 Ah兩大類，因此，首要就是統一充電協議標準，然后是增加無線充電站的數量，方便在電動車需要充電時可以快速便捷的尋找到充電站，這樣才會為無線充電技術的普及奠定基礎[22]。同時，注意減少充電時不必要的損耗。

5 結論與展望

雖然無線充電技術在電動自行車領域應用的前景十分廣泛但是目前所需解決的問題也較多。目前采用較多的無線傳能方式為電磁感應的傳能方式進行電能的無線傳輸。但是電磁感應式的傳能方式面臨著發射端和接收端線圈匹配的問題，無論是兩個線圈的相間距離還是線圈的匹配位置都會影響無線傳能的效率，使得無線充電技術無法進行大規模的使用。如何更好地去解決這個問題，希望能利用優化算法的方式去優化控制方式。在線圈因為匹配距離和產生偏差的狀態下通過對頻率的追蹤經過算法的快速計算使得整個系統工作在當前狀態最合適的頻率之下使得系統能夠處于諧振狀態。從而去減少系統因不處于諧振狀態下造成的能量浪費[23～25]。如果通過頻率追蹤使得傳輸效率提高那么無線充電技術將會有飛速的發展。