电动汽车无线充电技术系统性研究

摘 要：本文致力于探讨电动汽车无线充电的基本原理、当前电动汽车无线充电技术应用面临的挑战并提出可能的解决措施，同时分析未来无线充电技术在电动汽车行业等方面的未来挑战与发展趋势。无线充电技术主要包括电磁感应式、磁耦合式和微波式三种类型。本文详细介绍了这三种技术的原理，并阐述了电磁感应式技术作为电动汽车无线充电的主要应用。接着，本文探讨了电动汽车无线充电技术在充电效率和距离方面存在的问题及相关解决方案。最后，针对电动汽车无线充电技术的未来挑战与发展趋势进行了深入分析，展望了其未来的发展方向，以推动电动汽车无线充电技术的可持续发展。

关键词：无线充电技术 电动汽车 解决措施

1 绪论

随着科技的进步和人类生活水平的提升，随之而来的是能源的大量消耗，随着环境的恶化和能源的巨大消耗，这也已经成为当下全球共同关注的焦点，全球科学家也已然达成一致将减少汽车尾气排放定为他们的共同目标，加快对电动汽车的研制。电动汽车以其环保、低噪音等优点已成为全球汽车市场的重要组成部分，随着电动汽车市场的扩大，传统的电动汽车充电方式具有充电速度慢、续航行程短、充电高峰一座难求等情况[1]。随着科学技术的不断进步与创新，无线充电技术也在快速发展，在智能手机、手表、家具等电子产品中有了广泛的应用，同时在电动汽车充电中也得到了快速的发展。

本文旨在探讨电动汽车无线充电技术的基本原理，分析当前该技术在应用存在的一些问题并提出可能的解决措施。最后，本文还将展望无线充电技术在电动汽车行业的未来挑战与发展趋势。

2 无线充电技术基本原理

无线充电技术与传统充电方式不同，是一种不需要借助线路与电桩，通过电磁技术对设备进行隔空充电的新型充电方式。无线充电技术是以无线电能传输为基础，将电能转化为光能、电磁能等能源，从而实现电能传输。目前无线充电技术已经广泛应用于电动汽车、智能家电、航空航天、医疗设备等多个领域[2]。从原理上，目前无线充电技术主要分为电磁感应式、电磁共振式和无线电波三类。

2.1 电磁感应式无线充电技术基本原理

电磁感应式无线充电理论所用到的设备系统包括初级线圈和次级线圈，通过两个线圈之间的电磁耦合来实现电源与负载之间的无线电能连接以及能量的输送过程。其中发射端和接收端是无线电能传输过程中的主要部分。该技术的基本理论实质上就是法拉第电磁感应定律：发射线圈与高频交变电流源相连，通过利用高频交变信号与初级线圈相互作用产生一个变化的磁场。接收端的线圈置于发射线圈的产生的变化磁场中会将电磁信号转变为电信号，即在接收端形成感应电动势和感应电流，完成了磁与电之间的转换[3]。电磁感应式无线充电技术的特点是结构简单、成本较低，但是由于在磁信号与电信号的效果会随距离的增加而减弱，同时由于能量在输送过程中是发散的，所以该技术仅适用于传输距离较短的过程。同时由于工作时需要借助初级线圈和次级线圈来传输能量，所以对线圈位置的摆放要求也相对较高。（图1）

2.2 电磁共振式无线充电技术基本原理

电磁共振式技术（图2）是利用磁场的谐振效应进行能量传输的。该技术与电磁感应技术类似同样需要两个线圈，并通过两个线圈之间的相互影响将磁场的能量转化为电能。同时，两个线圈在正常工作过程中有一个特殊的要求，就是两个线圈的谐振频率，它们的参数需要完全相同。发射端通过振荡器产生一个高频的振荡电流与发射线圈相互作用产生一个变化的磁场，于是接收线圈与发射线圈相互作用产生强耦合，将磁场能量转化为电能，从而产生感应电动势与感应电流供电动汽车使用。这种方式相较于电磁感应式它对线圈的位置摆放要求较低，同时它具有低辐射的特点，所以它适用于中距离的传输，使用位置也比较灵活。

2.3 微波式无线充电技术基本原理

微波式无线充电技术主要由三个模块组成分别是微波源、微波发射模块和微波接收模块。微波式的电能传输的工作原理具体结构如图3所示。

微波式无线充电技术的原理主要是基于微波的远场传输的原理实现电信号与微波信号之间的转换。微波式无线充电技术的优点是传输距离较远可达到几米甚至上千米，同时微波式充电技术能够对充电装置附近的产品均进行充电，它的使用位置相对于电磁感应式更加灵活便捷。微波式无线充电技术在传输电能时需要进行能量形式的转换，且由于微波传输具有全方位性和较长的传输距离，因此会导致较高的能量损耗。同时，这项技术的成本也较高，传输过程中产生的辐射可能对人体健康造成一定影响。

3 电动汽车无线充电技术应用存在的问题及解决措施

3.1 效率问题与解决方案

3.1.1 效率问题产生的原因

目前电动汽车作为一种新型出行方式能够在一定程度上解决能源短缺和汽车排放的问题，但是它在充电设备上存在明显的不足。充电时间长、充电效率低等问题都是制约电动汽车发展的原因。相对于有线充电，由于无线充电技术是通过电磁场和电磁波来进行能量的传输的，所以在传输过程中存在一定的能量损耗，这会导致能量传输效率降低。针对无线充电技术能量在传输过程中能量的损耗主要有以下几个方面。首先是空气介质对能量的损耗。在无线充电过程中，磁场能量与电能的转化需借助空气介质，而空气对电磁波具有一定的阻尼和衰减，这会导致在传输过程能量传输效率降低。其次是电磁波的辐射损耗。电磁波在传输过程中也会受到一定的影响导致能量损耗，使能量传输效率降低[4]。

针对以采用电磁感应为基本原理的电动汽车，通常导致充电效率低下的原因是不同品牌的车无线充电接受线圈分布位置存在差异性，因此通常情况下，一种型号的电动汽车，需要使用匹配对应车型的无线充电设备。否则就可能会出现充电效率低下甚至不能充电。有数据显示宝马e iPerformance电动汽车在无线充电过程中，如果采用匹配的充电设备，则其最高充电效率能达到85%左右，大概3.5个小时可以充满，但当接收线圈与发射线圈之间存在一定的偏移时，此时的充电效率将会降低至60%左右，并且充电时间也会多出一倍。针对这种情况造成充电效率下降的主要原因是接收线圈与发射线圈的相对位移量的增加[4]。其次，对于绝大多数电动汽车来说，充电速度慢是导致充电效率低的一个重要原因，这也可能对电动汽车的续航能力产生一定影响。

3.1.2 解决效率问题的方案

根据效率问题产生的相关原因，其本质原因就是在充电过程中产生的，以下有几种可以改善效率问题的解决措施。首先针对空气介质对能量传输时的损耗。在无线充电过程中，磁场能量与电能的转化需借助空气介质，而空气对电磁波具有一定的阻尼和衰减，针对这种情况可以通过调节电动汽车无线充电装置的能量传输频率与功率，以此来削弱空气介质在能量传输过程中对气的损耗。其次，也可以采用高效的电磁波传输技术，以减少辐射损耗。针对充电效率低的问题，也可以尝试采用无线充电公路，即将动态充电技术的线圈埋在地下，实现电动汽车边行驶边充电的设想，这不仅方便快捷，节约充电桩的建设成本和占地面积，同时也可以提升电动汽车的续航能力，摆脱传统电动汽车续航能力差的标签。

针对以电磁感应为基本原理的电动汽车，它在充电过程中起主要作用的无线充电线圈分布位置的差异性，针对圈分布位置的差异性，可以通过设计一个无线充电线圈自动定位调节装置解决。由于电动汽车在制造过程中不同的车型所具有的接收线圈的位置不同，且一般情况下是固定不变的，所以可以针对充电装置进行改进，在充电地下安装可以自动识别汽车接受线圈位置的发射线圈，当电动汽车驶入规定充电区域后，发射线圈通过信号传输自主识别接收线圈的位置并通过算法自主移动到电动汽车接收线圈的下方，此时两个线圈的相对偏移量较小，可以实现最大的充电效率。最后，也可以针对快速充电技术进行，在未来对电动汽车设计出一款能够极速充电技术并运用到电动汽车的充电过程中，这也可以大幅提升电动汽车无线充电的效率。

其次，可以针对快速充电技术进行深入研发。在日常生活中，智能手机的充电速率不断提升，同时安全性和散热性也得到了显著改善。类似地，可以设计出适用于电动汽车的极速充电技术，并将其应用于电动汽车的充电过程中。

3.2 距离问题与解决方案

3.2.1 距离问题产生的原因

针对电动汽车无线充电过程中距离的问题，其中电源频率与传输距离均能影响无线电能传输系统工作成效。一方面无线充电技术是借助电磁波进行能量传递，但是空气介质对电磁波的传播存在一定的阻尼和衰减作用，因此当地面充电装置与电动汽车的充电设备距离较大时，此时会存在较大的能量损失。但是在不同的原理下传输距离并不是越小越好，根据当前研究，针对磁谐振偶合式无线电能传输的过程，随着距离的减小，效率不仅没有增大反而会逐渐递减，针对这种情况需要从无线充电电源频率的角度来考虑，大量实验证明，频率，距离以及功率需要相互平衡，解决距离的问题[5]。

3.2.2 距离问题产生的解决方案

针对无线充电过程中距离的问题，通过大量实践证明，在不同的充电原理下，应当采取不同的措施，同时在进行改进的过程中应该考虑电源的频率、距离以及功率三者之间的关系，可以根据电动汽车无线充电的具体原理采用合适的方法。总的来说可以采用以下几种措施。首先由于空气介质对电磁波的传播存在一定的阻尼和衰减作用，所以可以通过优化调整发射线圈与接收线圈间的距离与分布，减小两者之间的距离以及相对偏移量，尽可能地减少由于空气介质的影响造成电磁波在传输过程中的能量损失，使充电过程效率达到最大。其次是针对磁谐振耦合式无线电能传输的过程，此时普遍的传输距离较远，经过大量实验表明，若在此情况下减小距离不仅不会是充电效率增大反而会导致充电效率降低。大量研究表明高频率的电磁波在传输过程中的衰减较小，针对上述情况可以适当采用高频率的电磁波来解决距离限制的问题[6]。充电效率其实不仅与距离相关，同时还要协调充电频率与功率之间的相互关系，使他们达到平衡来解决无线充电过程中距离的问题[5]。

4 电动汽车无线充电的发展趋势

随着无线充电技术体系的不断发展与完善，电动汽车无线充电技术有着十分光明的前景与发展市场，无线充电技术逐渐成为各个电动汽车厂商研究的重要领域，这也逐渐成为电动汽车行业的重要发展方向。未来电动汽车无线充电不仅只在车停止时充电，同时也可以实现电动汽车在行驶过程中的动态充电，为用户提供便捷同时能够延长续航行驶距离。未来电动汽车无线充电技术的广泛应用不仅能够使充电方式更加便捷，避免了插线的麻烦，节省了占地面积，同时也具有高安全性。在未来随着现代化科技的发展，电动汽车与科技相结合将会赋能出无限选择。未来的电动汽车也会朝着便捷化、高安全性、联网化等趋势发展[7-8]。

4.1 便捷化

无线充电电动汽车与传统电动汽车最大的区别就是前者不需要有线电桩即可对汽车进行充电。在未来可能会出现静态、动态充电两种无线充电方式。电动车不仅可以在指定区域内进行充电，同时在道路行驶过程中也可以进行充电，这大大节约了充电成本和充电桩的占地面积。在未来电动汽车停入指定区域后，地下探测器会自动捕捉接收线圈的位置自主定位并对汽车进行充电，完全不用担心线圈找不到位置的问题。同时在道路上铺设动态线圈，尤其是在红绿灯和斑马线附近，当汽车在此处停留等待过程中可以随即充电，续航能力也进一步提升。

4.2 高安全性

无论是传统的汽车还是现在的电动汽车，安全性都是汽车在制造过程中的首要任务。针对未来的无线充电电动汽车，它将在原本的安全性能基础上具有其他方面的安全性优势。首先相对于传统的充电方式，无线充电实现了电源与负载之间无直接接触，这也就意味着在电气安全方面有更多的保障。同时未来的电动汽车也会越来越智能化，随着自动驾驶技术的不断发展，以及人工智能与驾驶人员的深度交互，未来的电动汽车将实现全方位的自动驾驶，通过雷达、摄像头、GPS等传感器，能够帮助驾驶员灵活应对浓雾、暴雨以及黑夜看不清路况的突发状况，可以为驾驶员提供个性化服务，应对突发情况，实现汽车更安全性、舒适等出行体验。

4.3 联网化

未来随着网络的高速发展，网络也会不仅止于5G，联网化意味着在未来电动汽车与智能联网技术深度联合，将会向着“科技＋生态”方向发展。通过电动汽车与网络互联，实现与其他车辆、交通设备、车与路况、智能家居等智能设备的相互连接，可以实现信息共享、交通管制、智能导航等功能，同时也实现“人车家”全生态理念，为驾驶者提供非常便利的驾驶体验。通过联网化可以向电动汽车提供更多的路况数据，可以提高交通的安全性和效率，降低交通事故发生率，提高用户体验推动汽车技术行业创新。

5 总结

新能源汽车的发展已经成为大势所趋，无线充电技术是其中的重要环节。无线充电汽车具有便利、快捷等优点。虽然全球致力于研发这一技术并取得了一定的成果，但是目前仍处于探索阶段。想要实现无线充电技术的成熟与大规模的应用，仍有大量工作要做。本文首先简述了当下电动汽车发展的背景，并对无线充电技术的三种原理进行简单介绍。其次，本文针对电动汽车无线充电技术当下可能存在的问题如充电效率、充电距离问题进行了讨论，并针对这些问题提出了可能的解决措施。随着技术的不断完善和网络技术的赋能，未来的电动汽车会向着更便捷、更安全、更物联网化的趋势发展，并且在未来无线充电电动汽车也将会实现更高的充电效率、更远的行驶距离。

参考文献：

[1]裴明阳，朱宏昱.电动汽车动态无线充电路段优化建模方法[J].华南理工大学学报（自然科学版），2023，51（10）：135-151.

[2]段恒娇.动态无线充电高速公路经济可行性分析[D].昆明：昆明理工大学，2024.

[3]杨娟.基于电磁感应式理论的无线充电设备设计[D].昆明：电子科技大学，2020.

[4]胡振宇，郭淑清，石旭日.电动汽车无线充电效率问题研究[J].内燃机与配件，2019（09）：201-202.

[5]邱志勇.无线电能传输技术的关键基础与技术瓶颈问题探究[J].电子世界，2017（16）：160.

[6]郑志聪.电动汽车无线充电技术研究[J].汽车测试报告，2023（14）：148-151.

[7]范天骋，张越，陆一凡.无线充电技术在电动汽车上的发展现状及趋势[J].时代汽车，2023（01）：109-111.

[8]胡超，李宏海，李振华，张金金，尹升.电动汽车无线充电应用及发展趋势[J].公路交通科技（应用技术版），2020，16（02）：330-336.