电动汽车短距离无线充电技术的研究李婷

电动汽车短距离无线充电技术的研究李婷

李婷

（新疆信息产业有限责任公司830000）

摘要：电动汽车可以很好地解决传统汽车造成的尾气污染及能源消耗问题，符合当前的社会需求，迎来了发展的机遇。但是目前电动汽车的充电技术发展不能跟上行业发展的脚步，因此开发高效的电动车充电技术是电动汽车行业的首要任务，电动汽车短距离无线充电技术便是近年来新兴的充电技术，拥有广阔的发展前景。

关键词：电动汽车；短距离无线充电；电耦合；电感应

引言：

目前日益增多的私家车大大方便了人们的出行，但与此同时其造成的环境污染问题也不容忽视，加之目前愈演愈烈的全球能源危机，传统汽车的发展前景日益黯淡。目前各大汽车厂商也已经开始大力发展电动汽车的研制工作，电动汽车也将在未来的汽车市场扮演重要角色。但是目前电动汽车的充电问题却始终得不到解决，本文也将针对这一问题对电动汽车短距离无线充电技术进行探讨。

一、电动汽车无线充电原理

目前电动汽车已经逐渐走入人们的生活，电动汽车在行驶过程中较之于传统汽车更加平稳，而且故障率低安全性更好，但是由于目前电动汽车充电装置没有普及，同时充电效率低下，导致电动汽车的普及难以实现。

目前电动汽车的充电方式主要有三种，分别是更换电池、有线充电以及无线充电。其中更换电池这一方法不仅成本极高，操作不便，而且备用电池会占据较多的车内空间，如今已经基本被后两种充电模式所取代。而有线充电技术虽然可以快速完成电动汽车的充电，但是有线充电对于配套充电设施要求较高，而且难以满足大数量电动汽车的充电任务。本文将重点讨论的则是电动汽车的无线充电技术，也是最符合电动车发展需求的充电技术，不仅可以有效避免有线充电时设备磨损及电火花等问题，还可以在恶劣条件下完成充电工作，拥有光明的发展前景。目前无线充电主要通过三种方式进行，分别是谐振式、感应式及微波传输式。不过微波这一传送介质传导效率极低，不能满足电动汽车的充电功率需求，同时微波辐射也会对人体造成伤害，因此目前微波传输式的无线充电技术不适合用于电动汽车的无线充电。目前广泛使用的电动汽车无线充电方式主要是电感应式无线充电技术以及谐振式无线充电技术。这两种技术都可以较好地完成电动汽车的无线充电工作，接下来本文将逐一进行分析。

目前，感应式无线充电技术已经在部分汽车公司得到了应用，例如美国通用公司的EV1就是采用了这一充电技术。感应式充电技术的原理其实与变压器的原理相同，都是通过电磁感应效应完成电场—磁场—电场的转换，从而完成对于电动汽车的充电[1]。这一过程经由地底埋设的发射线圈以及安装于电动汽车底盘的接收线圈实现。在感应式无线充电过程中，电网中的交流电先来到地底的发射装置，接着经由发射装置中的整流电路变为高频的交流电，而高频交流电流经发射线圈时便会形成电磁场。此时电动汽车底盘的接收线圈感应到电磁场会形成感应电流，感应电流是高频交流电，之后经过汽车充电系统的整流变为符合电池充电要求的电流并开始充电，结构图见图1。不过目前感应式无线充电技术的工作频率较低，但是也可以传输也可以达到kw级，从而完成电动汽车的近距离无线充电工作。

图1.电感应式无线充电结构

谐振式无线充电技术的原理则是通过两个自振频率的线圈实现两个线圈间的无线电磁场穿能。自从2007年提出这一构想后，谐振式无线充电技术在近年来取得了极大的发展，但是由于谐振式无线充电技术只适用于近场，因此难以胜任远距离无线充电工作[2]。谐振式无线充电技术的工作原理是埋设于地下的发射线圈接收来自于电网的交流电流，之后经过整流装置的整流增高交流电频率至线圈的谐振频率，此时电磁场能量最高，电能转化效率也最高。而位于电动汽车车底盘的接收线圈的谐振频率应与发射线圈相同，这样当电场强度最高时接受线圈也会因为电耦合效应产生感应电流，从而完成电动汽车的充电工作，谐振式无线充电技术的结构图见图2。谐振式无线充电技术较之于电感应无线充电技术具有传输距离远，传输效率高且不受磁场影响等优点，但是因其较高的工作频率对于电子元件要求也较高同时对人体损害较大。

图2.谐振式无线充电结构

二、电动汽车无线充电技术改善措施

目前在电动汽车无线充电领域使用的电感应式无线充电技术以及谐振式无线充电技术都还处于初始阶段，还存在诸多不足，因此需要做出技术上的改良。

目前电动汽车的无线充电技术存在的主要问题电能转化率低，较之于有线充电技术100%的电能转化率，无线充电技术目前的电能转化率迟迟不能突破90%，这也导致相关厂商对于电动汽车的无线充电技术信心不足，导致电动汽车的无线充电得不到普及。目前，提升无线充电效率的方法主要有以下几种。

首先可以通过调节发射线圈电路以及接收线圈电路的阻抗来实现充电效率的提升。目前使用四线圈谐振系统可以有效的调节发射线圈以及接收线圈的阻抗，提高接收线圈功率，实现电能的高效转化。

在无线充电的电路系统之中，不仅仅只是工作电路，还有整流电路以及控制电路等拓扑电路的存在。而这些拓扑电路在充电过程中会反复出现开闭的操作，而这些开闭都会造成工作电流的变化，导致谐振频率改变，会影响充电效率[3]。为了解决这一问题可以使用新型的软开关技术取代传统开关，减少拓扑电路对于工作电路的影响，同时也应优化拓扑电路结构，减少其与工作电路间的相关性，提升充电效率。

另外可以通过提升无线充电的功率因数来提升无线充电的效率，目前通常通过PFC环节的引入来达到这一目标。

在无线充电过程中，发射线圈及接收线圈的电流频率不能始终保持恒定，电压的变化以及外界的磁场干扰都有可能导致充电系统的失谐，导致电能转化率大大降低，充电效率极具下降。为了解决这一问题，可以在无线充电系统的发射线圈及接收线圈电路中安装调节系统及传感器，将电流信息及时反馈至处理系统，之后处理系统再根据电流情况调节两端电流频率，确保两端频率一致，可以达到最大的充电效率。

提高电动汽车无线充电技术的充电效率还可以通过使用高Q值线圈来实现，同时采用良导体作为线圈材料降低线圈内部的功率损耗也能提升充电效率[4]。

由于电动汽车车型各不相同，因此接收线圈与底盘距离也不尽相同，这就需要设计人员根据两线圈间距合理设置线圈大小及形状，以提升无线充电的效率。而经研究表明，分布式电容排列较之于传统谐振线圈可以有效提高充电效率。

除了无线充电效率低下的问题外，目前电动汽车无线充电技术缺乏行业规范，无线充电设备不能通用，充电难问题普遍存在，制约了无线充电技术的发展。同时无线充电对于人体健康的影响也不容忽视，因此目前应尽快进行车内磁场屏蔽方面的研究，将无线充电对人体的影响降至最低。

三、结束语

目前电动汽车行业发展迅速，但是受限于充电设施的匮乏及充电技术的落后电动汽车难以成为主流。电动汽车近距离无线充电技术可以很好地满足电动汽车充电需求，但目前仍存在不足，需要尽快制定充电标准并提升其充电效率，以满足当前需求，带动电动汽车行业的发展。

参考文献：

[1]王振亚，王学梅，张波，等.电动汽车无线充电技术的研究进展[J].电源学报，2014，12（3）：27-32.

[2]高大威，王硕，杨福源.电动汽车无线充电技术的研究进展[J].汽车安全与节能学报，2015（4）：314-327.

[3]赵争鸣，刘方，陈凯楠.电动汽车无线充电技术研究综述[J].电工技术学报，2016，31（20）：30-40.

[4]张鑫，贾二炬，范兴明.电动汽车无线充电技术研究与应用探讨[J].电子技术应用，2017，43（1）：148-151.