1.2 无线充电关键技术

近年来，全世界对电动车辆的设计和制造等都提出了更高的要求，对加强电动车辆技术的要求日渐增长，但是，在电子电磁器件增加的同时，电器配线和各种信号配线也越来越多，许多电动车辆的线束重量和线束直径已分别达到甚至超过了50kg和16cm，车内电线总长度可能超过10km。由于导线太多，严重地干扰了电动车辆零部件的设计、布局和制造，另外，给电动车辆的维修也带来许多不便，还制约了电子电磁技术在电动车辆上的广泛应用。在这种情况下，研究人员一直知道如何在不使用电线的情况下输电。他们利用了“共振”原理，当送电方的电源接通后，两个线圈都以10MHz的频率振动，从而产生强大的电磁场，送电方发出的电磁振动即可传到受电方。两个线圈虽未相连，仍可完成隔空供电，使灯泡发光。即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其他电器，灯泡仍会发亮。“无线输电”技术的突破之处在于，找到了“抓住”电磁波的方法，即利用物理学的“共振”原理——两个振动频率相同的物体能高效传输能量。因此，研究人员先将能量囤积在发送端，而共振频率相同的接收端靠近时，这些能量就会通过共振效应将电流传送到接收端，最终实现电力的无线传播。

无线充电，就是通过电磁的转换，将之前通过电缆进行传输的电能取消物与物的连接，没有电缆之间的连接，就给了电动车更多的自由度，这是电动车最需要的。目前，为了解决这个困境，采用二次能量存储和携带来供应电动车的运行动力，现在炙手可热的特斯拉汽车，也无法避免自己底盘周围庞大数量的电池布置。所以，我们看到大家对于电池发展的期待是非常高的，把“远程无线充电”列成一项值得期待的未来汽车变革技术，当然这项技术和目前的无线充电技术有没有关系、有着什么样的关系，还很难界定，或许我们目前能够看到的电磁世界对于支撑远程无线供电还不具备可能性，但是物理界以及相关的设备制备方面，这方面的能力仍然不可小视，这种可能性随时可能发生。如果远程供电不具备，则在一段路上铺设无线充电设备，电动汽车在这条路上行驶的过程中，就可以充电——这个技术难度有限，可能成本也比较高，但这种办法可以越过汽车电池的束缚。电动车如果少了电池有线充电这个包袱，一方面整体的成本可以降低，同时重量也可大幅度下降，更为重要是，消费者担心的着火等事情跟电动车辆就基本上脱离了关系，这些车辆比现有车辆更为安全，这才是人们真正期待的电动车辆，也是无线能量传输技术的特色。

无线充电技术，源于无线电力输送技术。无线充电，又称为感应充电、非接触式感应充电，是利用近场感应，也就是电感耦合，由供电设备（充电器）将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。因为充电器与用电装置之间以电感耦合传送能量，两者之间不用电线连接，所以充电器及用电装置都可以做到无导电接点外露。无线充电技术的商用为现有插电和换电模式之外新增了一种电动车辆充电模式，其工作原理主要是电磁感应，主要由地面能量发送模块和车载能量接收模块等组成，充电功率可以达到3～300kW，从插座到电池的端到端充电效率可达90%以上，如图1-5所示。来自电网公司的交流电在地面能量发送模块里被转换成为几十千赫的电磁能，穿过地面与车底盘之间的空气间隙被装载于车底部的能量接收模块感应接收，之后再转变成为车载电池充电所需的电能。地面能量发送模块可以地埋，不影响路面的通过性，支持在都市核心区域利用现有路面和停车场进行改装建设大功率无线充电设施，可以有效提升新能源公交线路的系统投资效率和社会效益。该技术能够对加速电动车辆充电基础设施建设产生革命性推动作用，成倍提升投资效率，解决在都市核心地带大量建设充电设施的老大难问题。并且，公交车在改造过的停车位停靠后就可以进行充电，无须人工插拔充电枪，完全不受泥沙和水浸的影响。大功率无线充电解决方案优点总结为：站不征地、车不增负、充不动手、路不白跑、电不过放。

图1-5 电动车无线充电技术原理

无线充电主要分为以下三种。

电磁感应式充电：初级线圈中一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端，如图1-6所示。目前最为常见的充电垫方案就采用了电磁感应，事实上，电磁感应解决方案已在电动车辆技术上实现，如图1-7所示。

图1-6 电磁感应系统

磁场共振充电：由能量发送装置和能量接收装置组成。当两个装置调整到相同频率或者说在一个特定的频率上共振时，它们就可以交换彼此的能量，是目前正在研究的一种技术，如图1-8所示。如果线圈尺寸缩小，则接收功率也会下降。

图1-7 电磁感应逻辑结构

图1-8 磁场共振模式

无线电波式充电：这是发展较为成熟的技术，类似于早期使用的矿石收音机，主要由微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载做出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊形”接收器。如图1-9所示。

图1-9 电波充电原理

1—供电组件 2—充电板 3—电磁波 4—车载接收版 5—车载控制器 6—电池组

因为磁共振过程中能量的损失要低于电流在传统线缆中的损耗，所以无线充电的效率非常高，可以达到90%以上，超过了线缆充电。未来无线充电将用于更加广泛的环境中，以实现车辆的半动态及动态充电。要想实现这个目标，需要在城市道路中埋设大量的充电板，当车辆在充电板上方驶过时，便可以进行连续的充电，最理想的状态是，驾驶人可以在行驶中将电池组充满。当然，想要实现这个目标，人们还需要在技术、安全、标准、成本和政策等方面进行更加深入的努力，但这样的未来确实值得人们期待。无线充电和当年的无绳电话一样，短距离的无线充电意义不大，但由短距离开始，从开始的无绳电话到最后的手机，以及当下的移动互联网，这个改变需要时间的积累。但是，很多人可能已经考虑到一个难题，电动车辆的充电站如何建设，如果电动车辆想要普及的话，城市居民居住的小区如何去建设充电站，首先车位不足，然后是有车位的如何进行充电桩的改建，建设一个充电桩以及改动相关线束确实存在困难，无线充电技术还没有能力去实现远程充电，但中距离的充电已具备。我们提出了快速无线充电技术系统的解决方案，如图1-10所示。系统由外层的整车稳定性控制器和内层的4个控制器组成。

图1-10 快速无线充电技术总体解决方案