双碳减排背景下对于新能源汽车技术发展与普及度研究

魏明宇　黄大可　范湘　肖倩影　赵玉玮

摘 要：现在石油和化石能源的短缺和污染问题越来越严重，由于其能耗低，无污染的特点，电动汽车发展迅速，电动汽车是一种由车载电池供电的新型环保汽车，是解决不可再生化石能源消耗大、环境污染和降低运营成本的重要解决方案。电动汽车的充电方式有两种：有线充电和无线充电。有线充能技术存在着操作复杂、插拔不安全、环境适应性差等缺陷，对于电动汽车行业的发展造成了障碍；而无线充能技术具有操作便捷、无接触耗散、无高压危险、自动化程度高等优势，是当前市场的主流趋势。

关键词：电动汽车 无线充电 普及度 发展趋势

1 引言

纯电动车无线充电具备占地面积小单位可充电车辆多操作方便静态即停即充、动态即开即充、损坏率低机械连接少等优势，甚至能够解决当前电动汽车的续航焦虑。为什么多年来，无线充电技术，仍然还未大量普及？手机无线充电装置的基本原理是电磁感应原理，电动汽车无线充电技术所运用的也是电磁感应原理。电动汽车无线充电技术普及度难点在哪？

2 电动汽车无线充电技术的基本原理

无线充电是一种无线能量传输的技术，通常使用电磁感应原理。电磁感应是指因磁通量变化产生感应电动势的现象。闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流。电磁感应一般进行低功率无线充电，使用谐振进行高功率无线充电。供电设备（充电器）将能量传输给设备，设备利用接收到的能量为电池充电，并同时操作自身。[2]

无线充电技术利用无线电能传输技术，让电子产品和汽车等设备无需连接电源线就能充电。目前，无线充电技术主要有四种方式：电磁感应式、磁共振式、无线电波式和电场耦合式。随着科技的进步和市场的需求，无线充电技术有着广阔的发展前景，但也面临着一些技术难题。无线充电的实现方式分为

（1）电磁感应式无线电能传输系统基于磁场耦合原理，通过可分离的变压器结构，在初级和次级线圈之间建立交变磁场，从而在次级线圈中感应出电流。由于磁场可以穿透非金属材料，因此该系统可以在无电气接触的情况下，在一定距离内实现电能的传输。

（2）磁场共振式无线充电技术是基于磁场共振原理实现能量传输的一种方法，其原理是在发射端形成一个变化的磁场，然后通过与接收端的线圈产生共振，将磁场能量转换为电流能量。该技术适用于低功率无线充电应用，其关键是使接收天线与发射场的电磁频率达到一致。

（3）无线电波式无线充电该方法使用微波作为自由空间中传输能量的载体，并且具备定向性和穿透电离层的优势。它由微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕获从墙壁反弹回来的无线电波能量，并在负载发生变化时保持稳定的直流电压水平。

（4）电场耦合式无线充电技术利用两组不对称偶极子沿垂直方向产生感应电场并相互耦合，从而实现电力传输的方式称为电场耦合式。

3 电动汽车无线充电方式种类

3.1 慢充充电

交流充能技术其原理是利用交流充能接口，将交流电网中的交流电直接传输到储能装置中，并通过内置的逆变器将其转换为直流电，并进行充放循环。该技术需要较长时间才能实现较高比例的补能，一般在6到8个小时内可以达到100%。

3.2 快充充电

高功率直流充能技术其特点是利用直流充能接口，将交流电网中的交流电经过逆变器转换为直流电，并通过快速充能接口向储能装置进行高效率的充放循环。该技术可以在短时间内实现较高比例的补能，一般在30分钟内可以达到80%。

3.3 换能模式

新能源汽车换能模式其特点是在专用的换能站内对新能源汽车实施快速的动力系统更换，而非传统的充能方式。该模式通过集中型充能站对大批量的动力系统进行存储、充放循环和配送，并在换能站内实现动力系统与新能源汽车之间的快速匹配和替换，实现了充放循环、物流调度和换能服务的一体化运营。

3.4 无线充电

无线充能技术其原理是利用高频交流磁场产生的感应效应，将埋设在地下的导轨中的电能无线传输到在地面上行驶并装有接收器的车辆中，并为其储能装置进行充放循环。该技术可以降低电动汽车对于动力系统容量的依赖，提高其续航性能，并且增强了补能服务的安全性和便捷性。

3.5 分析比较

目前国内最主流的充电效率是慢充7Kw，快充15Kw-360Kw。慢充没有考虑电力传输损耗，而无线电充电比有线充电更“浪费”。快充充电，从功率高低的方面来说，有线快充在高频率频段更占优势。

换电模式以蔚来为代表，直接更换电池组，只需3-5分钟就能完成补电；而无线充电时间与充电功率有关，即使是满功率充电，例如70Kwh功率电池，充满22Kw的电量需要3个小时。但是汽车有静态无线充电和动态无线充电，在动态无线充电的低频段功率无线快充下，会出现即使在充电，电量仍在下降的现象。电力输入不及电量输出。

相比于充电模式，换电模式有以下几个优势：

換能速度快：一般情况下，单次换能只需1-5分钟就可以完成，而充能则需要半小时甚至一个小时以上这样可以有效缓解用户的里程焦虑，并提高司机的收益。

购车成本低：采用“车辆与动力系统分离”的模式，用户只需购买车辆本身，并按照使用情况租赁或购买动力系统。这样可以降低用户前期购车成本，并享受政策补贴。

保障安全性：由于所有的动力系统都由专业的运营商统一管理和监控，在恒温条件下进行充放循环，并定期检测维护。这样可以避免过度放/充、温度过高等影响安全性和寿命的因素。

提升利用率：由于所有的动力系统都可以在不同的车辆上通用并实现共享，在空闲时间内也可以进行调配和利用。这样可以提高资源效率并降低运营成本。

4 电动汽车无线充电难以普及的关键问题

（1）汽油车通常只需要几分钟就可以在加油站加满一箱燃料，但最快的无线充电技术为一辆耗尽电量的车辆充满电所需的时间比加满油的时间要长得多。充电时间长是限制电动汽车广泛使用的主要因素之一。因此，为了进一步拓展无线充电技术在电动汽车领域的应用前景，有必要不断加大对快充的研究。同时，应延长车辆的电池寿命，以显着缩短充电间隔并提高车辆的效率。超级电容器是解决这个问题的有效方法之一，可用于无线充电。

无线充电技术与传统的有线充电技术相比，无线充电技术增加了两个线圈，利用耦合效应实现能量传输，由于整个充电过程是无接触完成的，因此难以避免能量损失。此外，随着线圈的加入，线圈本身的内阻会造成一定的功耗，这增加了无线充电系统模型的复杂性。鉴于此，以下内容应成为未来一段时间内的研究重点。[1]

成本问题：就经济性而言，电动汽车无线充电难点在于充电设备。汽车的路径与有轨动车，地铁，电车不同，是发散性和随机性的。因此，就充电设备的获取而言，在固定线路下布置设备更容易；对于具有不可预测轨迹的电动汽车，静态无线充电和动态无线充电的获得性又有不同。以静态充电来说，即车辆静止状态下的无线充电，是固定路线，只不过这类固定为静止不动。和手机类似，配上无线充电插座即可。仍然以宝马530e为例。其早先发布的wall box充电桩单价需1000美元，而无线充电设备价格则会更加高昂。动态充电，即车辆行驶状态下的无线充电。动态无线充电以效率最高的磁场共振式方法进行无线充电。此时公路成为充电设备，电动汽车作为用电器，而磁场作为传输介质。难点在于公路等基础设施建设。

5 电动汽车无线充电技术解决方向

5.1 新型的路面无线充电设施

可充电道路是一种新型的充电基础设施，可以为行驶中的电动汽车提供持续的电力，缓解电动汽车的续航问题，减少用户对电池的依赖。目前的e-Road是由非接触式驱动的，即通过无线充电技术为电动汽车供能，适用于不同地点，如停车场、车库和道路。其中，最成熟的感应充电路面技术是以动态感应充电技术为代表。与其他类型的充电路面相比，基于IPT系统的感应充电路面具有操作安全、使用方便、维护成本低、用户体验好等潜在优势，因为充电装置埋在路面结构的浅层部分，不占用路面上方的空间，也没有暴露的物理接口[3]。

5.1 充电器件选择

充电设备的选择是电动汽车无线充电系统设计中的一个关键环节，也是影响电池充电的重要因素。充电桩的选择应根据电动车的实际情况，在保证安全的前提下，尽可能降低成本，还要考虑到电动车的可扩展性和可维护性。目前，市场上的充电设备主要有以下几种：

锂离子电池。（1）锂离子电池的特点是体积小、重量轻、寿命长、无记忆效应，不容易过度放电，但由于其能量密度低，在苛刻的环境中使用，对其改进也很困难。

（2）镍镉铅锌蓄电池。它具有功率密度高、容量大、重量轻、耐腐蚀性好、价格低等优点，但蓄电能力低，放电电压低，温度范围窄，对电池的损害大，需要定期更换。在电动汽车的实际应用中，充电设备的选择直接关系到电动汽车的动力性、安全性和经济性。

因此，在给电动车充电时，必须考虑以下方面：（1）充电站的容量和规模。为了保证在不同负载下能够满足电动汽车的需求；同时，还应根据电网的负荷情况确定是否需要增加充电站的容量。（2）充电的速度和效率。由于目前的技术水平，国内的电动汽车大多采用恒流圈的充电方式，所以对其功率的控制要求很高。如果提高电池的输出电压，将导致能量的浪费和电能的损失；相反，如果不降低恒流线圈的额定电流，它将无法达到预期的峰值，从而造成不必要的能源消耗。

5.3 充电线圈的优化

对线圈的形状、尺寸以及流过其中的电流等因素进行参数设计和特性研究，可以有助于调节系统的输出功率和传输效率，这与线圈的互感系数有关。目前常规的线圈构造包括立体螺旋线圈、平面圆形线圈和平面方型线圈。由于汽车的垂直安装空间有限，因此平面线圈更为合适，这需要在选择电动汽车用互感线圈时加以考虑。在实际应用过程中，电动汽车的可充电电池通常具有较低的输入电阻和较大的充电电流。

无线充电线圈的补偿网络，是指在无线充电系统中，为了实现更高效的电能传输，需要在发射端和接收端分别设计补偿网络，以补偿无线传输过程中的能量损耗和噪声干扰。 发射端的补偿网络主要起到匹配和过滤的作用，能够将信号源的输出阻抗与无线充电线圈的输入阻抗匹配，并过滤掉高频噪声和干扰信号。接收端的补偿网络则主要起到逆变和放大的作用，能够将接收到的无线信号转换为直流电能并放大输出。补偿网络的设计需要考虑多种因素，如无线充电系统的工作频率、线圈的参数、传输距离等，以實现最佳的电能传输效率和系统性能。

6 电动汽车无线充电技术的未来展望

2020到2035年无线充电技术产业发展迅速，在2035年后，智能化汽车产业逐渐成熟，无线充电的市场进一步扩大。电动汽车无线充电技术在未来有很大的发展前景，电动汽车无线充电技术对实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和意义重大，缓解环境污染，能源危机。达到了碳中和的目标。“双碳”奋斗目标的提出，将使我国绿色发展之路迈上一个新台阶，并成为今后几十年社会经济发展主基调之一。电动汽车无线充电技术发展应考虑“一对多”同时为多辆车充电，提高传输效率功率。无线充电技术在电子产品领域已有广泛应用，而随着能源结构转型，汽车行业也将成为该技术的重要市场之一，为其发展带来新的契机和挑战。电网系统的完善、电能技术的进步和人们对无线充电需求的增加，都将推动无线充电技术的前景。当然，这也需要先进科学的技术作为保障。

7 结语

无线充电技术之所以不普及，是因为现阶段效率太低，经济性差，导致普及率低，但是未来的发展潜力非常大。电动汽车无线充电技术有着有线充电无法比拟的便捷性，安全性。现有无线充电技术相对有线充电方面，充电效率有不小的差距，其高昂的基础建设更让让人望而却步。对其无线充电线圈的研究，补偿网络的优化，电动汽车无线充电系统的发展，电动汽车无线充电普及并不遥远。积极响应国家政策2030年前碳达峰、2060年前碳中和，缓解环境污染，能源危机此外，基于目前的能源匮乏，用大功率无线充电技术对电动汽车进行产业化还为时过早，但作为未来灵活的充电方式，有必要提前探索。随着技术的不断进步，结合我国智能电网的建设，其在电动汽车智能充换电服务网络中的应用将极大地推动电动汽车无线充电的大规模普及。

项目基金：国家级大学生创新创业训练项目基金

项目编号：202210066037。

参考文献：

[1]段佳钢，李玉琴，马立聪.电动汽车无线充电技术可行性研究[J].时代汽车，2022（01）：113-114.

[2]熊江勇.电动汽车无线充电技术基础研究[J].汽车与配件，2022（21）：69-70.

[3]马涛，裴耀文，陈丰，李岳，刘可欣.感应充电路面技术研究现状与展望[J].中国公路学报，2022，35（07）：36-54.DOI：10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.07.003.