基于无线充电技术的电动汽车方案分析

摘 要：随着科技的发展，中国电动汽车的数量不断上升。电动汽车的充电问题成为关注点，通过使用无线充电技术对电动汽车供能是一种全新的方式。本文通过系统性分析当前学术界相关的无线充电技术为电动汽车供能的文献，讨论了基础无线充电技术的原理，磁谐振耦合充电技术的原理，探讨了不同种类的无线充电技术，包括谐振耦合充电技术，微波输能技术，电磁感应充电技术，对汽车供能的优缺利弊点，创新性地设想出对汽车无线充电的未来应用和展望。本研究最后得出无线充电技术增加了对电动汽车的充电便捷程度，同时具有庞大的发展前景。

关键词：无线充电技术 电动汽车 优缺点 应用和展望

1 引言

2015年12月12日，21届联合国气候变化大会上，经过各国的努力，《巴黎协定》通过，全球变暖进入了世界人民的视野[1]。在此大背景下，电力作为清洁能源，是对抗二氧化碳过多排放而导致全球变暖的尚方宝剑。电动汽车企业如雨后春笋破土而出，中国比亚迪，美国特斯拉，德国大众等。技术实力是各国占领市场制高点的关键。王鑫，赵炜华，卫军朝对磁耦合谐振式WPT系统的耦合线圈抗偏性能进行研究。得出结论，在耦合系数和传输效率偏移的情况下，同时圆形线圈在小于20cm的偏移条件，采用等减间距， 并且在耦合线圈上增设E型铁氧体磁芯，线圈Y轴偏移20cm等操作，使得传输效率达到了85%以上[2]。杨帅，王秀平，曲春雨的论文中提到，调整电动汽车的无线充电发射频率，改变匹配阻抗，大大提高了无线充电的效率，同时探究了线圈的水平偏移距离和互感线圈间耦合系数的规律[3]。以上研究者的研究都为电动汽车的无线充电设备制造提供了建议和参考。通过分析电力的基础，电力的熟练运用离不开供能，储能，放能的过程，着力于把思维在传统的电线式电动汽车的供电得到突破，让汽车的隔空充电成为现实，实现汽车摆托充电插口的设计。本文研究在当今电动汽车大爆发的时代，无线充电技术来源，无线充电技术对于电动汽车的供能，阐明无线充电技术的原理。本文研究通过讨论当今无线充电技术的不足缺陷，给出优化方案。说明无线充电技术在现实中的应用前景。

2 无线技术充电概述

2.1 无线充电技术的原理

2.1.1 无线充电技术基础原理

无线充电技术虽然比一般的电线连接式充电技术难度大和档次高，但是经过分析，总体上可以用互感来概括此原理。首先，对于整个无线充电装置，可以简化为小型线圈式变压器，即使用两个距离接近的线圈，将两个线圈纵向排列。然后任意选择一个线圈通入交流电，随即把所选择的线圈作为送电线圈，电路闭合后，送电线圈内部产生了电磁场。因为交流电和直流电的电流性质不同，所以交流电的电流方向时刻在改变，使得送电线圈的磁场方向改变，导致受电线圈的磁通量大小和方向改变。根据楞次定律，受电线圈便会产生感应电流，即产生了电动势。通电的线圈中会产生电感，以下为电感的计算公式。

通过这种互感的方式，以此提供为受电线圈提供电能，这是无线充电最为基础的原理和逻辑。图1为互感的线圈图。

2.1.2 谐振耦合充电技术的原理

从无线充电技术的总体上分析，可以分支出磁共振式，电场耦合式，无线电波式等不同的无线充电方式。磁谐振耦合充电技术是现阶段非常前沿先进的无线充电的方式，其主要原理是一个接收电能和发射电能的过程。其中，发射线圈拥有巨大的作用，首先，无线充电设备需要外来电能的输入，外来电能的来源多样，包括水力发电，火力发电，风力发电等方式产生电能并进行储存，此过程为储能。随后电能输入无线充电设备使其受到供能，此为后续放能的必要条件。在放能过程中，首先利用振荡器从而产生高频电流，然后需要利用功率放大电路和阻抗匹配电路将电流转化为电磁场，最后在发射线圈周围形成非辐射磁场[4]。在完整分析此原理过程中，还需对接收线圈做出阐释。电动汽车的内部具有接收线圈，接收线圈具有其自身的固有频率。研究表明，接收线圈的固有频率等于电磁波频率时，接收电路产生的震荡电流的值是最强的[4]。以下列出电磁谐振的频率公式。

当两个物体的谐振的频率不相同时，他们的能量传输效率小于两个物体处于谐振状态[4]。这是磁谐振耦合充电技术的基本原理。图2为谐振线圈的原理图。

2.2 电动汽车无线充电的先进性

电动汽车的无线充电技术的发展根据总体上的分析，无线充电技术和电线连接式的充电技术差异性较大，首先，虽然现今众多停车库都为电动汽车配备充电设备，但是无法大范围覆盖式普及。通过进一步的分析得出，不同车型的充电器型号，是阻碍普及化，规模化的原因之一。而对于电动汽车的无线充电技术，该技术可以使用的ICPT系统拥有广义电磁兼容性能，电磁传播过程中对人体的安全性符合国家的标准[5]。其次，对于电动汽车的无线充电避免了电线接口的连接，也就避免了电线的插口之间的漏电的安全隐患，以及短路的安全隐患。尤其对于南方地区到了梅雨时节，因为空气中的水汽含量高导致一旦水汽遇冷液化成小水珠，所以电线式的高功率充电危险性高。再次，使用充电桩式的电线连续充电会使得充电流程较为繁琐，导致降低了汽车充电的充电效率。反观无线充电技术的应用，不仅免去了插入接口电线的繁琐，还允许汽车进库即充，充满即去，从而大大提高充电效率。同时，其发展前景广阔，可发展为可移动化，设备轻型化，自动化等更加低成本和易普及化发展的充电装置，所以其前景广阔。最后，无线充电比普通的充电桩的安装场所更加广泛，而普通充电桩几乎只能装载于停车场区域

2.3 不同充电技术对电动汽车的无线充电技术的利弊点

电动汽车的无线充电技术发展至今，分支出了不同种的无线充电方式，这些无线充电技术各自拥有不同的优点与缺陷。以下列出多种的无线充电方式，表1中对于不同的无线充电技术做出了总体的概括。

2.3.1 微波电力无线充电

微波电力无线充电技术主要由微波发射模块和微波接收模块两大模块组成[4]。微波无线充电技术具有诸多优点，其中包括对电动汽车实现长距离无线输电以及覆盖范围广泛的无线充电特性[5]。然而，该技术也存在一系列缺点。首先，其成本极高；其次，微波辐射对人体健康产生不良影响。王俊璇、朱文赫和吕士杰的相关研究指出，长期接触微波辐射会对人体生殖功能造成损害[6]。最后，微波无线充电技术的充电功率较低。

使用微波电力无线充电技术会对人的身体健康产生影响，建议在对电动汽车用此方式无线充电过程中，需要安装微波屏蔽装置，目的是将微波辐射控制在固定的区域内，并且应贴上微波辐射的警告标识。因为以上的方案会增大微波无线充电的整体装置的占用体积，成本也会相应提高，所以建议此无线充电方式安装于公共场所的大型停车厂。此外，后期的充电装置，防护装置的维护，对于微波辐射的检测都是需要着重考虑的。

2.3.2 电磁感应耦合式无线充电

电磁感应无线充电技术受信号控制电路控制，首先其需要经过整流滤波，高频逆变电路，原边绕组三个流程，其次通过电磁感应将电能感应到副边绕组，经过一系列调节，最终实现为车载电池充电。电磁感应无线充电技术的优点突出，其中包括其原理简单及传输的效率高，功率大，并且成本较低[7]。然而其也有一系列的缺点。首先，该技术的充电距离短小，有效充电距离只有10cm左右[7]。其次，使用该技术充电易导致参与充电的金属发热[7]。

电磁感应耦合式无线充电是一种较为优秀的无线充电技术，它适合安装于多种场所，例如公共停车场，私家停车场。一方面，由于电磁感应耦合式无线充电的有效充电距离非常短，所以在实际应用中，充电距离的调控十分重要，即对于电动汽车的精准泊车的要求较高。另一方面，对于电磁感应耦合式无线充电的会导致相关金属发热的问题，建议安装风扇冷却进行降温，安装温度监测装置和高温报警装置进行有效防控，从而防止充电的设备温度过高而导致的故障或者安全性问题。

2.3.3 磁谐振无线充电

磁谐振无线充电技术主要由ERPT用线圈及电容组成的谐振电路构成，该技术包含电源输入电路，发射与接收谐振回路，电动汽车充电电路[7]。磁谐振无线充电的优点较多，一方面，对电动汽车无线充电的有效充电距离较远，充电距离大，另一方面，该技术可以发展为一台装置对多台电动汽车的无线充电[7]。相反，磁谐振无线充电技术的缺点较少，包括使用该技术会对其他的电力设备产生影响和充电过程中的电能损耗较大[7]。

对于磁谐振无线充电，从缺点角度分析，其成本过高，不适合作为商业用途建设和使用。从优点角度分析，因为该技术不仅充电的功率高，而且有效的充电距离远，所以对于电动汽车的动态充电有一定的发展前景，即在电动汽车行驶时进行充电。从该技术的未来发展进行讨论，建议可以从多角度，如线圈的设计，磁谐振的频率，装置电阻的大小等进行实验，从而力求提高其充电的效率，减少损耗的电能，这不仅是对于磁谐振无线充电的发展目标，也是对所有的无线充电技术的总体目标。

2.3.4 对于各项不同的充电技术的优化

通过以上的各种不同的充电技术，首先建议进行测量和评估不同的无线充电技术对人身体健康产生的影响，尝试降低或者隔绝某些无线充电技术对人体的辐射或脉冲的危害。其次，建议增加每种对电动汽车无线充电的效率，减少无线充电过程中电能的浪费。再次，由于任何的电气设备在正常工作时都会产生一定的热，从而导致设备升温对设备的正常运转产生影响和减少了设备充电过程中的安全性。针对此问题，建议在大功率无线充电设备中安装风冷或者水冷装置以保证设备在合适的温度下正常运行。

3 跨海大桥的无线充电的建设

电动汽车的无线充电应用前景广阔，对电动汽车的无线充电技术的可以突破只能安装于特定的空间的限制的方面，利用其优势独立设计出一种全新的对于电动汽车的无线充电的应用方案。首先，该设计在跨海大桥的两侧安装供能装置，由于海上的风力大，所以优先选用风力发电机，其不仅发电量大，而且能源清洁，总体上对环境的污染小。该设计对于风力发电的机械装置类型选用推荐使用垂直轴发电机，其支撑叶片的设计科学性高，安全性较高，绿色环保，同时其发电的效率也高，总体上造成经济的效益较高[8]。该设计在无线充电的技术的种类的选择上，推荐使用磁谐振耦合无线充电技术，在此基础上，本设计使用利兹线平面螺旋线圈，利兹线绕制的平面螺旋线圈优势较多，包括具有过电流能力强，在高频环境中传输效率高的特点[9]。如图3所示为垂直风力发电机结构。

该设计选定了垂直轴风力发电机，在一定程度上解决了电力供能问题，随后，在跨海大桥底部安装无线充电设备，当电动汽车在桥上行驶的过程中，就可以实现在电动汽车行驶的过程中进行充电，由于电能的供给利用了自然环境的风能，对环境的污染几乎为零，所以本设计拥有清洁高效的优势。然而，本设计方案有许多没有解决的因素和缺陷的方面。首先，海上的风浪大，环境和陆地上不同，垂直轴风力发电机的材料的金属疲劳强度值得我们进一步思考。其次，所有装置在桥上安装完成后，跨海大桥的受重增加，允许一次通过汽车的数量需要和跨海大桥的自身安全情况综合考虑。再次，海上风急浪大，设备的自然损耗后的维修和安装问题值得进一步考虑。最后，有些无线充电技术会对人的健康产生影响，关于防护问题仍需进一步考虑。

4 结论

对电动汽车的无线充电技术在各方面比电线式插入充电有明显优势。本文讨论了谐振耦合充电技术的原理，不同对于电动汽车的无线充电的技术方式的不同的利弊。经过分析，在充电距离上，微波电力无线充电技术和磁谐振无线充电技术都支持较长距离和较大范围的无线充电，而电磁感应耦合式无线充电技术有效无线充电的距离短；在充电功率上，电磁感应耦合式无线充电和磁谐振无线充电的充电功率较大，而微波电力无线充电的充电功率较小；在成本上，电磁感应耦合式无线充电技术的成本较低。此外，本文还有一些专业问题没有涉及，包括对于如何设计微波辐射的防护设备问题，具体无线充电装置的设计，以及在跨海大桥的无线充电设计中，其中的实际应用过程中的问题，无线充电设备的放置数量和密度，整个设计的成本问题等。以上各种不足或问题需要进一步研究。

参考文献：

[1]林水静.全球多数国家需加速脱碳进程[N].中国能源报，2023-10-09（005）.

[2]王鑫，赵炜华，卫军朝.磁耦合谐振式电动汽车无线充电技术耦合线圈抗偏性设计[J].测试技术学报，2024，38（01）：85-92.

[3]杨帅，王秀平，曲春雨，等.电动汽车无线充电优化设计[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2023，19（02）：63-70.

[4]余金永，段佳钢.电动汽车无线充电技术的研究与应用[J].时代汽车，2022（01）：125-126.

[5]刘伟.电动汽车无线充电系统建模与电磁兼容性研究[D].长春：吉林大学，2020.

[6]王俊璇，朱文赫，吕士杰.微波辐射对生殖健康影响的研究进展[J].吉林医药学院学报，2020，41（02）：129-131.

[7]林立文，翟丽，宋超.电动汽车无线充电技术[J].汽车电器，2016（08）：1-5.

[8]林毅贞，伍玩秋，潘新宇.垂直轴风力发电机组的优点及其发展前景[J].中小企业管理与科技（中旬刊），2020（08）：169-171.

[9]陈汪洋.磁耦合谐振式无线充电的电路设计[J].集成电路应用，2023，40（07）：14-15.