基于無線充電技術的電動汽車方案分析

摘 要：隨著科技的發展，中國電動汽車的數量不斷上升。電動汽車的充電問題成為關注點，通過使用無線充電技術對電動汽車供能是一種全新的方式。本文通過系統性分析當前學術界相關的無線充電技術為電動汽車供能的文獻，討論了基礎無線充電技術的原理，磁諧振耦合充電技術的原理，探討了不同種類的無線充電技術，包括諧振耦合充電技術，微波輸能技術，電磁感應充電技術，對汽車供能的優缺利弊點，創新性地設想出對汽車無線充電的未來應用和展望。本研究最后得出無線充電技術增加了對電動汽車的充電便捷程度，同時具有龐大的發展前景。

關鍵詞：無線充電技術 電動汽車 優缺點 應用和展望

1 引言

2015年12月12日，21屆聯合國氣候變化大會上，經過各國的努力，《巴黎協定》通過，全球變暖進入了世界人民的視野[1]。在此大背景下，電力作為清潔能源，是對抗二氧化碳過多排放而導致全球變暖的尚方寶劍。電動汽車企業如雨后春筍破土而出，中國比亞迪，美國特斯拉，德國大眾等。技術實力是各國占領市場制高點的關鍵。王鑫，趙煒華，衛軍朝對磁耦合諧振式WPT系統的耦合線圈抗偏性能進行研究。得出結論，在耦合系數和傳輸效率偏移的情況下，同時圓形線圈在小于20cm的偏移條件，采用等減間距， 并且在耦合線圈上增設E型鐵氧體磁芯，線圈Y軸偏移20cm等操作，使得傳輸效率達到了85%以上[2]。楊帥，王秀平，曲春雨的論文中提到，調整電動汽車的無線充電發射頻率，改變匹配阻抗，大大提高了無線充電的效率，同時探究了線圈的水平偏移距離和互感線圈間耦合系數的規律[3]。以上研究者的研究都為電動汽車的無線充電設備制造提供了建議和參考。通過分析電力的基礎，電力的熟練運用離不開供能，儲能，放能的過程，著力于把思維在傳統的電線式電動汽車的供電得到突破，讓汽車的隔空充電成為現實，實現汽車擺托充電插口的設計。本文研究在當今電動汽車大爆發的時代，無線充電技術來源，無線充電技術對于電動汽車的供能，闡明無線充電技術的原理。本文研究通過討論當今無線充電技術的不足缺陷，給出優化方案。說明無線充電技術在現實中的應用前景。

2 無線技術充電概述

2.1 無線充電技術的原理

2.1.1 無線充電技術基礎原理

無線充電技術雖然比一般的電線連接式充電技術難度大和檔次高，但是經過分析，總體上可以用互感來概括此原理。首先，對于整個無線充電裝置，可以簡化為小型線圈式變壓器，即使用兩個距離接近的線圈，將兩個線圈縱向排列。然后任意選擇一個線圈通入交流電，隨即把所選擇的線圈作為送電線圈，電路閉合后，送電線圈內部產生了電磁場。因為交流電和直流電的電流性質不同，所以交流電的電流方向時刻在改變，使得送電線圈的磁場方向改變，導致受電線圈的磁通量大小和方向改變。根據楞次定律，受電線圈便會產生感應電流，即產生了電動勢。通電的線圈中會產生電感，以下為電感的計算公式。

通過這種互感的方式，以此提供為受電線圈提供電能，這是無線充電最為基礎的原理和邏輯。圖1為互感的線圈圖。

2.1.2 諧振耦合充電技術的原理

從無線充電技術的總體上分析，可以分支出磁共振式，電場耦合式，無線電波式等不同的無線充電方式。磁諧振耦合充電技術是現階段非常前沿先進的無線充電的方式，其主要原理是一個接收電能和發射電能的過程。其中，發射線圈擁有巨大的作用，首先，無線充電設備需要外來電能的輸入，外來電能的來源多樣，包括水力發電，火力發電，風力發電等方式產生電能并進行儲存，此過程為儲能。隨后電能輸入無線充電設備使其受到供能，此為后續放能的必要條件。在放能過程中，首先利用振蕩器從而產生高頻電流，然后需要利用功率放大電路和阻抗匹配電路將電流轉化為電磁場，最后在發射線圈周圍形成非輻射磁場[4]。在完整分析此原理過程中，還需對接收線圈做出闡釋。電動汽車的內部具有接收線圈，接收線圈具有其自身的固有頻率。研究表明，接收線圈的固有頻率等于電磁波頻率時，接收電路產生的震蕩電流的值是最強的[4]。以下列出電磁諧振的頻率公式。

當兩個物體的諧振的頻率不相同時，他們的能量傳輸效率小于兩個物體處于諧振狀態[4]。這是磁諧振耦合充電技術的基本原理。圖2為諧振線圈的原理圖。

2.2 電動汽車無線充電的先進性

電動汽車的無線充電技術的發展根據總體上的分析，無線充電技術和電線連接式的充電技術差異性較大，首先，雖然現今眾多停車庫都為電動汽車配備充電設備，但是無法大范圍覆蓋式普及。通過進一步的分析得出，不同車型的充電器型號，是阻礙普及化，規模化的原因之一。而對于電動汽車的無線充電技術，該技術可以使用的ICPT系統擁有廣義電磁兼容性能，電磁傳播過程中對人體的安全性符合國家的標準[5]。其次，對于電動汽車的無線充電避免了電線接口的連接，也就避免了電線的插口之間的漏電的安全隱患，以及短路的安全隱患。尤其對于南方地區到了梅雨時節，因為空氣中的水汽含量高導致一旦水汽遇冷液化成小水珠，所以電線式的高功率充電危險性高。再次，使用充電樁式的電線連續充電會使得充電流程較為繁瑣，導致降低了汽車充電的充電效率。反觀無線充電技術的應用，不僅免去了插入接口電線的繁瑣，還允許汽車進庫即充，充滿即去，從而大大提高充電效率。同時，其發展前景廣闊，可發展為可移動化，設備輕型化，自動化等更加低成本和易普及化發展的充電裝置，所以其前景廣闊。最后，無線充電比普通的充電樁的安裝場所更加廣泛，而普通充電樁幾乎只能裝載于停車場區域

2.3 不同充電技術對電動汽車的無線充電技術的利弊點

電動汽車的無線充電技術發展至今，分支出了不同種的無線充電方式，這些無線充電技術各自擁有不同的優點與缺陷。以下列出多種的無線充電方式，表1中對于不同的無線充電技術做出了總體的概括。

2.3.1 微波電力無線充電

微波電力無線充電技術主要由微波發射模塊和微波接收模塊兩大模塊組成[4]。微波無線充電技術具有諸多優點，其中包括對電動汽車實現長距離無線輸電以及覆蓋范圍廣泛的無線充電特性[5]。然而，該技術也存在一系列缺點。首先，其成本極高；其次，微波輻射對人體健康產生不良影響。王俊璇、朱文赫和呂士杰的相關研究指出，長期接觸微波輻射會對人體生殖功能造成損害[6]。最后，微波無線充電技術的充電功率較低。

使用微波電力無線充電技術會對人的身體健康產生影響，建議在對電動汽車用此方式無線充電過程中，需要安裝微波屏蔽裝置，目的是將微波輻射控制在固定的區域內，并且應貼上微波輻射的警告標識。因為以上的方案會增大微波無線充電的整體裝置的占用體積，成本也會相應提高，所以建議此無線充電方式安裝于公共場所的大型停車廠。此外，后期的充電裝置，防護裝置的維護，對于微波輻射的檢測都是需要著重考慮的。

2.3.2 電磁感應耦合式無線充電

電磁感應無線充電技術受信號控制電路控制，首先其需要經過整流濾波，高頻逆變電路，原邊繞組三個流程，其次通過電磁感應將電能感應到副邊繞組，經過一系列調節，最終實現為車載電池充電。電磁感應無線充電技術的優點突出，其中包括其原理簡單及傳輸的效率高，功率大，并且成本較低[7]。然而其也有一系列的缺點。首先，該技術的充電距離短小，有效充電距離只有10cm左右[7]。其次，使用該技術充電易導致參與充電的金屬發熱[7]。

電磁感應耦合式無線充電是一種較為優秀的無線充電技術，它適合安裝于多種場所，例如公共停車場，私家停車場。一方面，由于電磁感應耦合式無線充電的有效充電距離非常短，所以在實際應用中，充電距離的調控十分重要，即對于電動汽車的精準泊車的要求較高。另一方面，對于電磁感應耦合式無線充電的會導致相關金屬發熱的問題，建議安裝風扇冷卻進行降溫，安裝溫度監測裝置和高溫報警裝置進行有效防控，從而防止充電的設備溫度過高而導致的故障或者安全性問題。

2.3.3 磁諧振無線充電

磁諧振無線充電技術主要由ERPT用線圈及電容組成的諧振電路構成，該技術包含電源輸入電路，發射與接收諧振回路，電動汽車充電電路[7]。磁諧振無線充電的優點較多，一方面，對電動汽車無線充電的有效充電距離較遠，充電距離大，另一方面，該技術可以發展為一臺裝置對多臺電動汽車的無線充電[7]。相反，磁諧振無線充電技術的缺點較少，包括使用該技術會對其他的電力設備產生影響和充電過程中的電能損耗較大[7]。

對于磁諧振無線充電，從缺點角度分析，其成本過高，不適合作為商業用途建設和使用。從優點角度分析，因為該技術不僅充電的功率高，而且有效的充電距離遠，所以對于電動汽車的動態充電有一定的發展前景，即在電動汽車行駛時進行充電。從該技術的未來發展進行討論，建議可以從多角度，如線圈的設計，磁諧振的頻率，裝置電阻的大小等進行實驗，從而力求提高其充電的效率，減少損耗的電能，這不僅是對于磁諧振無線充電的發展目標，也是對所有的無線充電技術的總體目標。

2.3.4 對于各項不同的充電技術的優化

通過以上的各種不同的充電技術，首先建議進行測量和評估不同的無線充電技術對人身體健康產生的影響，嘗試降低或者隔絕某些無線充電技術對人體的輻射或脈沖的危害。其次，建議增加每種對電動汽車無線充電的效率，減少無線充電過程中電能的浪費。再次，由于任何的電氣設備在正常工作時都會產生一定的熱，從而導致設備升溫對設備的正常運轉產生影響和減少了設備充電過程中的安全性。針對此問題，建議在大功率無線充電設備中安裝風冷或者水冷裝置以保證設備在合適的溫度下正常運行。

3 跨海大橋的無線充電的建設

電動汽車的無線充電應用前景廣闊，對電動汽車的無線充電技術的可以突破只能安裝于特定的空間的限制的方面，利用其優勢獨立設計出一種全新的對于電動汽車的無線充電的應用方案。首先，該設計在跨海大橋的兩側安裝供能裝置，由于海上的風力大，所以優先選用風力發電機，其不僅發電量大，而且能源清潔，總體上對環境的污染小。該設計對于風力發電的機械裝置類型選用推薦使用垂直軸發電機，其支撐葉片的設計科學性高，安全性較高，綠色環保，同時其發電的效率也高，總體上造成經濟的效益較高[8]。該設計在無線充電的技術的種類的選擇上，推薦使用磁諧振耦合無線充電技術，在此基礎上，本設計使用利茲線平面螺旋線圈，利茲線繞制的平面螺旋線圈優勢較多，包括具有過電流能力強，在高頻環境中傳輸效率高的特點[9]。如圖3所示為垂直風力發電機結構。

該設計選定了垂直軸風力發電機，在一定程度上解決了電力供能問題，隨后，在跨海大橋底部安裝無線充電設備，當電動汽車在橋上行駛的過程中，就可以實現在電動汽車行駛的過程中進行充電，由于電能的供給利用了自然環境的風能，對環境的污染幾乎為零，所以本設計擁有清潔高效的優勢。然而，本設計方案有許多沒有解決的因素和缺陷的方面。首先，海上的風浪大，環境和陸地上不同，垂直軸風力發電機的材料的金屬疲勞強度值得我們進一步思考。其次，所有裝置在橋上安裝完成后，跨海大橋的受重增加，允許一次通過汽車的數量需要和跨海大橋的自身安全情況綜合考慮。再次，海上風急浪大，設備的自然損耗后的維修和安裝問題值得進一步考慮。最后，有些無線充電技術會對人的健康產生影響，關于防護問題仍需進一步考慮。

4 結論

對電動汽車的無線充電技術在各方面比電線式插入充電有明顯優勢。本文討論了諧振耦合充電技術的原理，不同對于電動汽車的無線充電的技術方式的不同的利弊。經過分析，在充電距離上，微波電力無線充電技術和磁諧振無線充電技術都支持較長距離和較大范圍的無線充電，而電磁感應耦合式無線充電技術有效無線充電的距離短；在充電功率上，電磁感應耦合式無線充電和磁諧振無線充電的充電功率較大，而微波電力無線充電的充電功率較小；在成本上，電磁感應耦合式無線充電技術的成本較低。此外，本文還有一些專業問題沒有涉及，包括對于如何設計微波輻射的防護設備問題，具體無線充電裝置的設計，以及在跨海大橋的無線充電設計中，其中的實際應用過程中的問題，無線充電設備的放置數量和密度，整個設計的成本問題等。以上各種不足或問題需要進一步研究。

參考文獻：

[1]林水靜.全球多數國家需加速脫碳進程[N].中國能源報，2023-10-09（005）.

[2]王鑫，趙煒華，衛軍朝.磁耦合諧振式電動汽車無線充電技術耦合線圈抗偏性設計[J].測試技術學報，2024，38（01）：85-92.

[3]楊帥，王秀平，曲春雨，等.電動汽車無線充電優化設計[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2023，19（02）：63-70.

[4]余金永，段佳鋼.電動汽車無線充電技術的研究與應用[J].時代汽車，2022（01）：125-126.

[5]劉偉.電動汽車無線充電系統建模與電磁兼容性研究[D].長春：吉林大學，2020.

[6]王俊璇，朱文赫，呂士杰.微波輻射對生殖健康影響的研究進展[J].吉林醫藥學院學報，2020，41（02）：129-131.

[7]林立文，翟麗，宋超.電動汽車無線充電技術[J].汽車電器，2016（08）：1-5.

[8]林毅貞，伍玩秋，潘新宇.垂直軸風力發電機組的優點及其發展前景[J].中小企業管理與科技（中旬刊），2020（08）：169-171.

[9]陳汪洋.磁耦合諧振式無線充電的電路設計[J].集成電路應用，2023，40（07）：14-15.