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摘要：如今電動(dòng)汽車在市場(chǎng)上占比不斷提升，國(guó)家各項(xiàng)政策也使得電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。電動(dòng)汽車的續(xù)航能力問題也隨之出現(xiàn)。本文介紹了三種主要的無線充電技術(shù)，分析了國(guó)內(nèi)外車企和制造商的無線充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，概述了動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)在電動(dòng)車上的最新成果。最后分析了無線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車方面的未來發(fā)展趨勢(shì)。

1引言

2022年4月，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步釋放消費(fèi)潛力促進(jìn)消費(fèi)持續(xù)恢復(fù)的意見》[1]。其中的大力發(fā)展綠色消費(fèi)提到提倡綠色出行，推動(dòng)公共服務(wù)汽車電動(dòng)化，同時(shí)支持新能源汽車快速發(fā)展。而當(dāng)今電動(dòng)汽車給人們帶來的“路程困擾”是減緩其發(fā)展的一大因素。造成此問題的主要原因還是在于當(dāng)前技術(shù)階段所能制造的電池的能量密度提升緩慢，從而使電動(dòng)汽車可行駛路程不高，換電技術(shù)也因價(jià)格比較昂貴而得不到普及，給消費(fèi)者帶來了很大的麻煩。在以現(xiàn)有科技無法對(duì)電池能量密度進(jìn)行改進(jìn)的情況下，想要解決“里程困擾”的最好方法還是進(jìn)行間接充電模式，以此來達(dá)到解決電動(dòng)汽車?yán)锍梯^短，而無線充電技術(shù)就是時(shí)代與科技高速發(fā)展下的選擇。對(duì)于汽車電池來說，充電方法一般可以劃分為直接接觸充電的形式和無線充電的形式[2]。無線充電或無線供電技術(shù)是一種以無線電波或者電磁場(chǎng)為載體在自由的空間中對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電的技術(shù)。相較于之前廣泛使用的直接接觸技術(shù)的充電，無線充電技術(shù)不僅僅可以減少甚至省去在電源電線等直接連接裝置的費(fèi)用，也可以巧妙的避免使用過程中需反復(fù)拔插電線而出現(xiàn)的磨損或觸電的情況，將自由、便捷和安全等多個(gè)特性運(yùn)用到電能傳輸之中。無線充電技術(shù)具備傳輸能量時(shí)的高適應(yīng)性，高可靠性和高安全性等特點(diǎn)，并且不會(huì)被外在環(huán)境的變化所影響，能夠滿足如今城市高速發(fā)展當(dāng)中人們對(duì)于汽車充電時(shí)的需求。

2無線充電技術(shù)的介紹

無線充電技術(shù)依照工作原理可以將其劃分為[3]：（1）利用電磁感應(yīng)原理而制成的具備短距離大功率傳輸能力的感應(yīng)式無線充電設(shè)備；（2）在非輻射交變磁場(chǎng)的耦合研究基礎(chǔ)之上而研發(fā)出的中距離無線充電技術(shù)；（3）將電能轉(zhuǎn)化為以頻率約為300MHZ到300GHZ之內(nèi)的電磁波為載體，并以微波的形式發(fā)送給用電設(shè)備的接受天線，再經(jīng)后期處理（微波整流）來達(dá)到遠(yuǎn)距離無線充電的目的[4]。

2.1電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)基本原理

電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)的開發(fā)基礎(chǔ)為電磁感應(yīng)原理[5]，其運(yùn)作方式為當(dāng)分別在車內(nèi)和車外的一、二次的變壓器在距離較近的情況下是，可以實(shí)現(xiàn)非接觸情況下傳輸電能的能力。其特點(diǎn)是該技術(shù)為目前比較成熟的無線充電方式，并且有很大的適應(yīng)度。

2.2磁耦合式無線充電技術(shù)基本原理

磁耦合式無線充電技術(shù)是目前各大廠商普遍選擇的無線充電技術(shù)[6]。其原理為發(fā)電廠的電能以電功率的形式在車內(nèi)外的一、二次感應(yīng)線圈之間，以磁場(chǎng)耦合的方式來進(jìn)行輸送。該技術(shù)最大的特點(diǎn)為可以以更高的頻率進(jìn)行能量輸送。

2.3微波式無線充電技術(shù)基本原理

微波式無線充電技術(shù)與其他方式的無線充電技術(shù)相比，有更遠(yuǎn)的傳輸距離[8]。其原理利用的類似衛(wèi)星的接受原理，將電能轉(zhuǎn)化為微波，由發(fā)射端的天線發(fā)射，再由汽車內(nèi)的接收端天線接受。但以目前的發(fā)展水平，微波式無線充電技術(shù)存在較高工作頻率區(qū)間和對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)格的特性并且系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率也僅為38%，所以微波技術(shù)的傳輸距離較長(zhǎng)的特性在電動(dòng)汽車這種傳輸較短的場(chǎng)合并不適用。

3車企發(fā)展現(xiàn)狀

隨著電子零部件性能的快速提高[9]，尤其是充電功率不斷上升使得越來越的汽車制造商將無線充電納入到自己的產(chǎn)品之中，并且隨著集成化程度的提高，無線充電技術(shù)也在小型家用汽車當(dāng)中開始運(yùn)用。早在2018年，世界上第一款無線充電的量產(chǎn)車型就由寶馬公司所制造。旗下的530eiperformance車型也成了第一批無線充電車型，共取得了一千多臺(tái)的訂單。在車輛靠近無線充電設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開位于底部的攝像頭，方便駕駛員進(jìn)行定位。該車型搭配的無線充電設(shè)備充電是可使效率達(dá)到85%并且功率達(dá)到3.2kw，可以將容量為9.4kwh的高壓電池組在3.5小時(shí)充滿，同時(shí)，該系統(tǒng)也裝備了如物體探測(cè)和生物保護(hù)等功能。圖1寶馬無線充電系統(tǒng)德國(guó)大眾集團(tuán)為了研發(fā)全新的汽車無線充電技術(shù)，在2021年和美國(guó)田納西大學(xué)諾斯維克分校以及橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開展了合作[10]。據(jù)了解，該新型技術(shù)的雛形為保時(shí)捷Taycan車型上的高功率無線充電技術(shù)。該合作的重點(diǎn)為將把原有的充電樁式有線充電改造成300KW的無線充電方式，測(cè)試表明該技術(shù)成功在10分鐘內(nèi)完成Taycan電池充量的80%。2021年10月，一份來自豐田的電動(dòng)皮卡的部門的專利受到廣泛關(guān)注，其專利的研究方向并非通常的充電設(shè)備對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行無線充電，而是在兩輛行駛的汽車當(dāng)中進(jìn)行電能的傳輸，當(dāng)一輛汽車電量不足時(shí)，另一輛汽車的車主只要同意鏈接，即可實(shí)現(xiàn)無線充電，該系統(tǒng)未來將會(huì)和無人駕駛相匹配，做到在行駛過程中不需要人為干涉即可找到最佳的傳輸路線，以便達(dá)到最高的充電效率。2022年3月，沃爾沃公司也加入了名為“哥德堡綠色城區(qū)”的無線充電汽車計(jì)劃[11]。其內(nèi)容是在是在哥德堡市區(qū)內(nèi)設(shè)置多個(gè)無線充電實(shí)驗(yàn)區(qū)域來配合旗下搭載40W無線充電技術(shù)的純電XC40。據(jù)了解，該技術(shù)的充電效率已經(jīng)接近市面上的50w直流有線充電樁，為11w交流有線充電樁的四倍。在國(guó)內(nèi)，2020年4月23日上汽榮威發(fā)布了世界上第一款無線充電的純電車型，名為榮威MarvelX。同時(shí)，上汽榮威還表明要將目前已經(jīng)掌握的無線充電技術(shù)運(yùn)用到別的電動(dòng)車型上，達(dá)到技術(shù)成熟運(yùn)用的目的。智已汽車在2021年的上海汽車展上，向大家展示了旗下的第一款純電動(dòng)智能車型——智已L7。他擁有雄厚的資金，同時(shí)在技術(shù)和市場(chǎng)上也有更加廣闊的前景.智已L7配備了一套功率為11KW的無線充電設(shè)備，同時(shí)還搭載了自動(dòng)定位和自動(dòng)駕駛功能，當(dāng)用戶將汽車停在無線充電裝置的附近時(shí)，即便用戶下車，智已L7可以通過車輛自身的自動(dòng)駕駛停入車位，并自行開始無線充電[12]。

4制造商發(fā)展現(xiàn)狀

中興截止目前，已有100多項(xiàng)關(guān)于無線充電的發(fā)明專利和60多項(xiàng)與無線充電技術(shù)及其配套技術(shù)的使用新型。其設(shè)備的功率已完全覆蓋從3KW到60KW的大功率設(shè)備的需求。同時(shí)中興新能源科技有限公司也共同推出了名為“智慧無線充電”的系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要運(yùn)用在城市行駛的公交電動(dòng)汽車上。如今，使用無線充電技術(shù)來運(yùn)營(yíng)公交汽車線路已在全國(guó)如成都，貴陽等30多座城市相繼開通。中興新能源公司也不斷朝著小型電動(dòng)家用電動(dòng)汽車的無線充電方面發(fā)展，早在2015年，分離式和整體式的電動(dòng)汽車無線充電的系統(tǒng)在小型家用汽車上的設(shè)計(jì)問題就被中興新能源公司攻克，并且與國(guó)內(nèi)多家研發(fā)無線充電的廠家展開合作交流。高通制造商高通在電動(dòng)汽車無線充電行業(yè)的發(fā)展也很迅速，2016年高通與一家名為BRUSA的企業(yè)開展合作。2017年，奔馳S550e便成為行業(yè)上第一款使用高通無線充電技術(shù)的車型，實(shí)現(xiàn)了車子一停就可以充電的模式。同時(shí)，高通也與日產(chǎn)Leaf、本田Accord和雷諾Fluence等多個(gè)車型在不斷的進(jìn)行合作并完成了測(cè)試。WiTricity2019年，WiTricity決定將halo部門的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議資產(chǎn)和一部分高端創(chuàng)新技術(shù)收入囊中。從市場(chǎng)來看，在協(xié)議達(dá)成之后，WiTricity將會(huì)擁有高通在無線充電方面的技術(shù)和超過一千五百項(xiàng)關(guān)于汽車無線充電的專利和對(duì)應(yīng)的專利申請(qǐng)，如此一來，WiTricity可在大量高端技術(shù)的加持下更快地發(fā)展無線充電技術(shù)[6]。MomentumDynamics在2020年，具有標(biāo)志性意義的公交車隊(duì)50MKW的無線充電設(shè)備首次被MomentumDynamics運(yùn)用在了美國(guó)華盛頓州韋納奇的純電公交汽車上。該技術(shù)為防止大功率無線充電時(shí)出現(xiàn)功率損耗的現(xiàn)象，使用了并聯(lián)的方式來解決。MomentumDynamics系統(tǒng)中將每一塊無線充電模塊的功率限制在75KW以下，并且使初級(jí)電感中的電流始終位于125A以下。如果需要提高充電效率，只需把多個(gè)模塊組裝到一起即可滿足大功率充電的同時(shí)又減輕了功率損耗。

5動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)的最新成果

2019年，瑞士建成了世界上第一條動(dòng)態(tài)無線充電公路。設(shè)計(jì)時(shí)將銅制的磁感應(yīng)線圈埋在道路下方來防止司機(jī)駕駛時(shí)收到視覺影響。2020年，這條公路成功通過Electreon公司對(duì)載重40t的純電動(dòng)卡車的動(dòng)態(tài)無線充電的性能測(cè)驗(yàn)。這也標(biāo)志這這條公路成為世界上首條可以對(duì)純電卡車和公交汽車進(jìn)行動(dòng)態(tài)充電的非測(cè)試性道路。這次測(cè)試的主要內(nèi)容是證明了45KW的無線充電裝置在30KM/h的最高速度下進(jìn)行動(dòng)態(tài)充電的可行性[13]。Electreon也宣布在未來會(huì)將無線充電時(shí)的功率和受電車輛的最高行駛速度不斷提高，達(dá)到以125KW的功率對(duì)普通高速公路的車速進(jìn)行無線充電。2021年，全球第四大汽車制造商的Stellantis建成了名為“ArenadelFuturo”的電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電的測(cè)試公路。這條公路全長(zhǎng)1050m，在道路內(nèi)部設(shè)有充電功率為1MW的無線充電設(shè)備，但是進(jìn)行無線充電時(shí)仍需要特殊的接受裝置。電測(cè)試公路2020年，重慶大學(xué)，江蘇方天電力技術(shù)有限公司以及廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司的電力科學(xué)院共同研發(fā)的無線充電裝置亮相[14]。該發(fā)明將無線充電裝置做成筆記本大小的形狀鋪設(shè)在道路上發(fā)射高頻率磁場(chǎng)，當(dāng)感應(yīng)到受電車輛時(shí)，每個(gè)單獨(dú)的供電裝置便會(huì)啟動(dòng)。正因如此，該技術(shù)可以使電磁暴露降低到4μT以下。目前，該型無線充電設(shè)備已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)有效充電距離為27cm并且能夠以充電達(dá)到94%的效率的條件下為120KM/h的最高行駛速度的車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)無線充電。

6無線充電在電動(dòng)汽車方面的發(fā)展趨勢(shì)

隨著無線充電技術(shù)和配套產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展[15]，無論是公共汽車還是小型的家庭用車都將會(huì)以高效率，通用性，智能化，集成化，聯(lián)網(wǎng)化為目標(biāo)去不斷發(fā)展。

6.1高效率

如今，無線充電的方式有許多種，但要做到持續(xù)的高效率輸電來縮短充電時(shí)間，需要對(duì)設(shè)備的散熱性能和對(duì)電網(wǎng)的利用率進(jìn)行分析和應(yīng)對(duì)策略的研究。同時(shí)也需解決在動(dòng)態(tài)無線充電的發(fā)展中單個(gè)輸電裝置的傳輸面積小，受電設(shè)備和輸電設(shè)備對(duì)接精度較高的問題。

6.2通用性

目前試驗(yàn)的中的大功率無線充電道路都需配備特殊的無線充電系統(tǒng)，不同的無線充電系統(tǒng)的充電性能不完全相同，但是隨著無線充電路面技術(shù)的成熟[5]，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中便會(huì)出現(xiàn)不同的受電設(shè)備與不同的輸電設(shè)備無法相互匹配，因此無線充電發(fā)展的過程中需要注意不同系統(tǒng)之間的通用性。

6.3智能化

無線充電技術(shù)的智能化包括對(duì)受電設(shè)備和充電設(shè)備的智能優(yōu)化[16]。如在充電時(shí)可以自動(dòng)對(duì)電池進(jìn)行診斷與故障排查和以及對(duì)電池電量的管理。同時(shí)無線充電電動(dòng)汽車可以通過無線充電設(shè)備的定位裝置進(jìn)行自動(dòng)駕駛和自動(dòng)充電。對(duì)于公共車位，充電完畢時(shí)可以自動(dòng)移出車位，給下一輛準(zhǔn)備充電的電動(dòng)汽車使用。

6.4聯(lián)網(wǎng)化

通過車上的定位裝置可以做到對(duì)交通情況的大數(shù)據(jù)分析即可為駕駛員提供最佳路線。同時(shí)結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車可以做到車與車，車與路面設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)連接，為汽車提供實(shí)時(shí)的路況數(shù)據(jù)，為自動(dòng)駕駛提供有力條件。

7結(jié)語

無線充電技術(shù)經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)現(xiàn)，目前也不斷向著商業(yè)化進(jìn)發(fā)。同時(shí)電動(dòng)汽車的市場(chǎng)保有量不斷上升[17]。高效率，智能化的無線充電技術(shù)也逐漸成為發(fā)展的主流[7]，也成為了自動(dòng)駕駛和自動(dòng)停車的必不可少的技術(shù)。隨著車企和國(guó)家的不斷重視，相信不久便可以看到無線充電技術(shù)的全面應(yīng)用。

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作者:范天騁 張?jiān)?陸一凡 單位:常熟理工學(xué)院