1、汽车论坛148汽车测试报告电动汽车无线充电技术研究郑志聪（福建农林大学金山学院 福建 福州 350002）摘要：在现代科技水平不断提高的背景下，无线充电技术成为人们关注的热点，其以操作便捷、充电智能和运行安全等优势备受关注。该文分析电动汽车无线充电技术的基本原理、国内外发展现状及其在电动汽车行业应用中存在的问题，并提出一些相应的解决措施，展望电动汽车无线充电技术未来研究方向，以更好地促进电动汽车无线充电技术的发展和应用。关键词：电动汽车；无线充电技术；电磁感应注：本文系福建省中青年教师教育科研项目“电动汽车无线充电系统的研究”（JAT191141）、“永磁同步电机系统模型预测控制的研究”（JA
2、T200991）研究成果。作者简介：郑志聪，福建农林大学金山学院讲师，研究方向为电机与电器。随着全球化进程的加速和能源消耗的增加，环境保护已经成为全球关注的焦点，减少汽车尾气排放对环境的影响已经成为各个国家的共同目标。电动汽车作为一种新型交通工具，具有零排放、低噪声、高效能等优点，成为解决能源危机和环境保护问题的重要途径。传统的电动汽车充电方式主要是有线充电，这种充电方式存在充电速度慢、充电过程需要人工操作且存在安全隐患等问题。而随着科技的不断进步和创新，无线充电技术的研究和应用得到了快速的发展。其不仅可以提高充电效率和便捷性，还可在一定程度上改善城市空气质量，促进生态环境的可持续发展。因此，
3、电动汽车无线充电技术的发展是大势所趋，未来将会有更多的创新和突破，从而为电动汽车的普及和发展提供更多的技术支持和保障。1 电动汽车无线充电技术基本原理电动汽车无线充电技术主要是利用电磁感应和谐振耦合等原理来实现充电。1.1电磁感应充电原理电磁感应充电是一种利用电磁场相互作用进行能量传输的无线充电技术，其原理如图 1 所示，将发射端设置在地面、接收端设置在汽车底盘。发射部分主要由整流滤波电路、高频逆变电路、信号控制电路、一次侧补偿电路及发射线圈构成；接收部分主要由接收线圈、整流电路、功率调节电路、信号控制电路及汽车电池构成。发射端从电网获得电能后经整流逆变，获得的高频交变电流信号在控制电路的调节
4、下通过补偿电路注入一次侧线圈，在邻近空间产生高频交变磁通信号；接收端的线圈靠近发射端通过感应耦合高频交变磁通获取感应电动势，同时在控制电路的控制下经过整流滤波及功率调节实现为车载电池充电1。1.2谐振耦合充电原理谐振耦合充电是一种利用磁场相互作用进行能量传输的无线充电技术，其原理如图 2 所示。发射部分主要由振荡器、功率放大电路、阻抗匹配电路、信号控制电路及发射线圈构成；接收部分主要由接收线圈、整流电路、调节电路、信号控制电路及汽车的电池构成。发射端电源从电网获取电能后利用振荡器产生高频振荡电流，经过功率放大电路和阻抗匹配电路后，在发射线圈周围形成非辐射磁场，从而将电能转换为磁场；当位于电动汽
5、车侧的接收线圈的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成从磁场到电能的转换，同时电流经过整流滤波进入调节电路后就可为车载电池充电。相较于电磁感应充电技术，谐振耦合充电技术具有传输距离更远、功率更高等优点。但由于谐振耦合充电技术需要设备之间保持一定的距离和花费调试时间，所以其实现难度更大，成本也更高。汽车论坛1492023.72 电动汽车无线充电技术发展现状国内外研究机构和企业在电动汽车无线充电领域投入了大量的人力、财力和物力，致力于推动电动汽车无线充电技术朝更高效、更安全、更便捷的方向发展。2.1国外发展现状2014 年，瑞典的电力公司 Vattenfall 和汽车
6、制造商 Volvo 合作开发了一种名为“Pi”的无线充电系统，其可以将电动汽车的充电时间缩短至 2.5 h。同时，该系统利用磁共振技术，在地面上安装一个电磁板，车辆只需停在其上方，便可通过电磁感应技术实现无线充电。该系统的充电功率为 22 kW，可在较短时间内将电动汽车充满电，而且充电效率高、速度快2。2014 年，美国的 Evatran 公司开发了一种名为“Plugless Power”的无线充电技术，为多个电动汽车品牌提供无线充电服务。该技术利用电磁感应原理，通过在车辆底部安装一个“L2 电缆”，将电能从地面的电磁感应板传输到车辆中，从而实现无线充电。Plugless Power峰值充电功
7、率为 7.2 kW，可在 2 4 h内将电动汽车充满电3。2016 年，日 本 东 京 电 力 公 司（TEPCO）和三菱电机公司合作研发了一种无线充电系统。该系统采用磁共振技术，在空气中传输电力，可以将电动汽车充电时间缩短至约 15 min。在充电过程中，该系统会通过电磁波在电源和车辆之间建立磁场，从而将电能从电源传输到车辆中，实现无线充电，其充电功率高达 20 kW，充电速度比传统的插头充电方式快得多4。2018 年，德国宝马公司的 BMW i3电动汽车开始使用感应充电的无线充电技术。该技术利用电磁感应原理，在车库或停车场的地面上安装一个电磁板，车辆只需停在其上即可进行无线充电，无须插拔充
8、电器。该技术的充电功率为 3.7 kW，可在 3 h 内将电动汽车充满电5。2021 年，德国宝马公司发布了全新的电动汽车无线充电系统，名为“BMW Wireless Charging”。该系统采用电磁感应原理，在距离地面 8 cm 的范围内进行充电，不仅适用于宝马品牌的电动汽车，还可以用于其他的汽车品牌，例如起亚、雷克萨斯等。值得一提的是，BMW Wireless Charging 的充电效率也相当高，甚至可以超过有线充电技术的速度。这项技术的研发标志着电动汽车无线充电技术水平已经逐渐提高，未来的源侧图 2 电动汽车谐振耦合充电原理源侧图 1 电动汽车电磁感应充电原理汽车论坛150汽车测试报
9、告无线充电技术还有更大的发展空间6。2.2国内发展现状2014 年，北京交通大学交通运输工程学院研究团队以磁共振式充电技术为主要研究方向，通过研究磁场的相互作用和功率传输等相关问题，探索电动汽车无线充电的新型技术方案，并在技术研究方面取得了一定的进展7。2017 年，比亚迪推出的“DiLink”无线充电系统，可以在距离地面约 10 cm 的范围内对电动汽车进行充电。该无线充电系统采用电磁感应原理，最高充电功率为 3.75 kW，充电效率可达 90%以上8。2019 年，同济大学车辆与动力工程研究院在磁共振式无线充电技术方面，针对电动汽车无线充电过程中效率低下、系统复杂等问题，提出一种双模式转换
10、技术，提高了充电效率。该技术最大输出功率为 3.0 kW，最大传输距离为 200 mm，充电效率达90%以上9-10。2021 年，珠海格力电器股份有限公司研发出了一套基于磁共振无线充电的技术解决方案，可以实现高效无线充电，而且充电过程中不会产生电磁辐射。该技术方案采用磁共振耦合的方式进行能量传输，充电效率高达 90%以上，充电距离可达 40 cm。此外，该方案还采用了多重安全保护措施，确保了充电过程的安全性。目前，该技术方案已经完成试验验证，并且未来有望被推广和应用于电动汽车无线充电领域11。3 电动汽车无线充电技术应用中存在问题电动汽车无线充电技术是一项新兴技术，尽管它在国内外已实现较大的
11、发展和应用，但在实际应用中仍存在一些问题。3.1效率问题效率问题主要体现在能量传输损耗方面。相较于有线充电技术，无线充电技术需要通过电磁场或电磁波进行能量传输，这会导致一定的能量损耗，从而降低充电效率。无线充电技术中的能量传输损耗主要有 3 个方面。第一，发射端和接收端之间的耦合损耗。无线充电系统中，发射端和接收端之间需要建立电磁耦合，以实现能量传输。然而，由于电磁场的传播特性，无线充电系统中会存在一定的耦合损耗，从而导致能量传输效率降低12。第二，空气介质的能量传输损耗。无线充电技术需要通过空气介质传输能量，而空气介质对电磁波的传播存在一定的阻尼和衰减现象，这会使得能量传输效率降低。第三，电
12、磁波的辐射损耗。无线充电技术使用的电磁波在传输过程中会有一定的辐射损耗，从而导致能量传输效率不高。3.2距离问题电动汽车无线充电技术通常需要发射端和接收端之间保持一定的距离才能进行能量传输，这限制了无线充电的有效距离。具体而言，电动汽车无线充电技术应用中的距离问题主要有 3 个。第一，距离衰减。无线充电技术通常使用电磁波进行能量传输，而电磁波在传输过程中会随着距离的增加而衰减。这意味着在较远的充电距离上，无线充电技术的能量传输效率会降低，甚至无法实现有效的充电。第二，能量传输损耗。无线充电技术在传输电能的过程中会存在一定的能量损耗，而这些损耗通常会随着距离的增加而增加。第三，安全性问题。较远的
13、充电距离可能会增加无线充电系统的安全风险。例如，电磁波在传输过程中可能会对周围的环境和人体产生不良影响，因此需要在设计和使用无线充电系统时加强对安全性的考虑。3.3兼容性问题在电动汽车无线充电技术应用过程中，兼容性问题是一个重要的挑战。由于不同厂商采用的制造工艺和标准不同，所以不同的无线充电系统可能不兼容。这使得用户在使用不同无线充电设备时可能会遇到一些问题。兼容性问题主要包括 3 个。第一，标准不一致。目前，市场上存在多种无线充电标准，如 Qi、AirFuel、PMA 等。不同的无线充电设备可能采用不同的标准，从而无法实现兼容。第二，功率不匹配。不同的电动汽车可能需要使用不同功率的充电设备，
14、而无线充电设备的功率输出有限，从而无法给某些电动汽车提供足够的充电功率，或者在充电过程中出现过热等问题。第三，接口不匹配。有些无线充电设备的接口和电动汽车的接口不匹配，导致无法为电动汽车充电。4 电动汽车无线充电技术应用中存在问题解决措施4.1效率方面为了提高无线充电技术的效率，可以采取 4 种措施：第一，优化发射端和接收端之间的耦合设计，减少耦合损耗；第二，优化能量传输频率和功率，减少空气介质的能量传输损耗；第三，使用高效的电磁波传输技术，以减少辐射损耗；第四，采用智能控制和优化算法，实时监测和调整无线充电系统汽车论坛1512023.7的工作状态，从而提高能量传输效率。4.2距离方面为了解决
15、无线充电技术应用中存在的距离问题，可以采取 3 种措施。一是优化发射端和接收端之间的距离和布局，从而最大限度地降低能量传输损耗，提高能量传输距离。二是使用高频率的电磁波。高频率的电磁波在传输过程中衰减较小，因此可以实现较远距离的能量传输。三是结合有线充电技术。将无线充电技术与有线充电技术相结合，有利于用户根据实际需求灵活选择充电方式，以解决距离限制问题。4.3兼容性方面为了解决无线充电技术应用中存在的兼容性问题，可以采取以下 4 种措施：第一，推动行业各方共同制定统一的无线充电标准，以确保不同设备之间的兼容性；第二，为不同标准和接口的无线充电设备提供适配器和转接器，使其能够兼容不同的电动汽车；
16、第三，加强对无线充电设备的测试和认证工作，确保其符合相关的兼容性和安全性标准；第四，推动各厂商和标准组织之间的合作，从而促进无线充电技术的发展和应用，提高其兼容性。5 电动汽车无线充电技术研究方向展望随着电动汽车市场的不断扩大和技术的不断进步，电动汽车无线充电技术已经成为充电技术的重要发展趋势。无线充电技术具有便捷、高效、环保等优点，可对电动汽车的普及和发展产生深远的影响。未来，电动汽车无线充电技术的研究方向主要包括 5 个方面。第一，充电效率提高。未来，需要进一步研究和发展电磁耦合技术和充电控制技术，提高充电效率和充电速度，缩短充电时间，以提高电动汽车的使用便利性。第二，充电安全保障。要进一
17、步探讨安全监控技术，对电磁辐射、火灾等问题进行实时监测和预警，确保充电过程的安全性。第三，系统集成优化。应深入研究智能化充电控制系统和数据交互技术，实现充电站和电动汽车的互联互通，提高充电效率和可靠性。第四，充电底座的标准化。要制定充电底座的标准化规范，提高充电底座的互换性和兼容性，促进充电服务便捷性的提升。第五，环保性提高。应进一步发展节能和环保的充电技术，减少对环境的影响，促进其可持续发展。6 结束语电动汽车无线充电技术具有方便、快捷的优点，但目前还处于研发和探索阶段，在规模化应用方面还有大量的工作要做。未来，随着该技术的不断完善，相信其会更稳定、更安全、更智能，并且能够实现更远的充电距离
18、、更高的充电效率，进而助力电动汽车行业的快速发展。参考文献：1 王妍.无线充电技术在电动汽车上的应用 J .农业开发与装备,2 0 1 5(5):6 4,9 0.2 廖承林,李均锋,陶成轩,等.无线电能传输系统控制方法综述 J .电气工程学报,2 0 1 5(6):1-6.3 程时杰,陈小良,王军华,等.无线输电关键技术及其应用 J .电工技术学报,2 0 1 5(1 9):6 8-8 4.4 朱春波,姜金海,宋凯,等.电动汽车动态无线充电关键技术研究进展 J .电力系统自动化,2 0 1 7(2):6 0-6 5,7 2.5 王春志.关于新能源电动汽车充电技术的探讨 J .科技风,2 0 2
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