无线充电技术在电动自行车领域的应用探讨

方宏强，刘国巍，王 飞，刘思远，闫 崇

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232000)

1 引言

随着“碳达峰，碳中和”理念的提出，以风能、太阳能为代表的清洁能源开始受到广泛关注。除了可再生能源代替化石能源外，以电能为代表的二次能源代替化石能源也开始成为人们关注的热点。当前，电动自行车开始成为民众短途出行的首要选择，而电动自行车类似于其他电能出行工具一样都有着续航里程短的缺点。如果想要提高电动自行车的普及率，关键技术则在于完善电动自行车的充电设备。目前电动车充电主要以有线充电桩为主，随着电动自行车的普及，势必要增加有线充电桩的数量。而在城市建设大规模的有线充电桩成本巨大。完善电动自行车充电设施除了增设有线充电桩外还可以对电动自行车的充电方式进行创新。无线充电与传统的有线充电方式相比较有着安全，便捷等优点[6～10]。文献[6]～[10]中分析了能源以及无线充电发展技术的前景，笔者认为电动自行车领域的无线充电技术将会是未来发展的热点之一。

2 无线充电技术原理

无线充电技术源于无线电能传输技术。无线电能传输技术是19世纪后期由著名科学家特斯拉提出的，其原理是利用电磁耦合理论实现电能的非接触式传输。根据能量传输方式主要可将其分为四类，分别是电场耦合、电磁感应、磁共振以及无线电波传能方式[11，12]。

2.1 电场耦合传能方式

电场耦合式无线充电，是通过两者之间一种垂直的方式进行非对称的偶极子来产生电流的传输。这种充电方式转换率极高，两者的位置也可以不用固定，但其最大的缺点是设备体积大，功率也无法做的很大[13，14]。

2.2 电磁感应传能方式

电磁感应无线充电其主要利用的就是电磁感应原理。将电能转换为磁场再通过磁通的变化使得用电设备获得电能。这种传输结构在成本上比较低，体积也较小。但是其最大的缺点就是传输距离小，容易造成能量的损耗[15，16]。电磁感应技术是目前无线充电领域应用最为广泛的充电方式。

2.3 磁共振传能方式

磁共振传能方式也是无线充电发展过程中十分重要的一种方式。其原理是电能的发射端与接收端处于同一谐振频率，适用于远距离的电能传输。而且在理论上可以实现一对多充电。但是其传输的损耗也是十分巨大的，而且充电效率也有待提高[17，18]。

2.4 无线电波传能方式

无线电波传能方式是将微波变为电能传播的介质来实现电能的传输。无线电波的电能传输功率小，通常只能达到100 MW，传输距离远的优点[19]，但因为其传输效率十分低，因此目前在市场上的应用还不是很多。

3 无线充电技术与有线充电技术的对比

3.1 安全性

在传统的充电方式中，采用的一般是有线充电方式。在日常生活中因为有线充电而引起的起火事件时常发生。在潮湿的雨雪天气无线充电方式较有线充电方式避免了因充电器受潮引起的安全隐患。可以使得充电过程更加安全可靠[20]。对于文献中提出的安全问题笔者认为这是无线充电技术较传统充电方式最大的优势。

3.2 便捷性

有线充电需要找到外接的插座通过电源充电器才能给用电的电动车进行充电。而无线充电则可以随时随地充电，增加电动车的续航里程[21]。

4 无线充电技术在电动自行车领域应用需要解决的问题

无线充电技术应用在电动车领域的应用前景很大。但是同时也面临着许多需要解决的问题。首先，目前国内电动自行车的充电标准主有48 V 12 Ah和60 V 20 Ah两大类，因此，首要就是统一充电协议标准，然后是增加无线充电站的数量，方便在电动车需要充电时可以快速便捷的寻找到充电站，这样才会为无线充电技术的普及奠定基础[22]。同时，注意减少充电时不必要的损耗。

5 结论与展望

虽然无线充电技术在电动自行车领域应用的前景十分广泛但是目前所需解决的问题也较多。目前采用较多的无线传能方式为电磁感应的传能方式进行电能的无线传输。但是电磁感应式的传能方式面临着发射端和接收端线圈匹配的问题，无论是两个线圈的相间距离还是线圈的匹配位置都会影响无线传能的效率，使得无线充电技术无法进行大规模的使用。如何更好地去解决这个问题，希望能利用优化算法的方式去优化控制方式。在线圈因为匹配距离和产生偏差的状态下通过对频率的追踪经过算法的快速计算使得整个系统工作在当前状态最合适的频率之下使得系统能够处于谐振状态。从而去减少系统因不处于谐振状态下造成的能量浪费[23～25]。如果通过频率追踪使得传输效率提高那么无线充电技术将会有飞速的发展。