新能源汽车充电技术的现状及发展

韩彬

（天津渤海职业技术学院）

近年来，在环境污染和能量危机的形势下，随着汽车工业科技的进步和国家的大力扶持，新能源汽车成为汽车产业的发展趋势，当前新能源汽车主要以插电式混合动力和纯电动汽车为主，这2种汽车都需要充电，现在电动汽车的充电方式全部是接触式充电（无论是充电模式还是换电模式），充电设施主要包含分散式充电桩和集中式充换电站[1]。“快充需排队，慢充停车贵”已成为新能源汽车消费者公认的事实。文章提出以无线充电技术代替原有充电方式，解决了充电资源不足的问题。

1 新能源汽车充电技术现状

1.1 充电桩和充电站数量不足

与新能源汽车的爆发相比，充电基础设施远远落后。仅2016年上半年中国新能源汽车销量为17万辆，而截至2016年底，国内已建成公共充电桩10万个，车桩比大约为9∶1。按照新能源汽车与充电桩1∶1的标准配置来看，充电设施缺口巨大。比如，普通充电多为交流充电，电压220 V，一次需要10 h左右充满，假如电站有10个充电位置，则一天最多充30辆汽车，则10万辆汽车需要大量的充电站，占用大量的城市用地，如图1和图2所示。

图1 电动汽车充电站

图2 电动汽车充电桩

1.2 接口标准难统一

国际上主要有国际电工委员会、美国、欧洲、日本及中国5套标准体系。目前国内新能源充电接口主要以国标和美标为主，且两者完全不兼容。此外，采用国标的企业充电接口标准也不尽相同，在参数上会有一定的差别。如果没有统一的标准，每款车都需要配一个自己的充电桩，要换车就需要把充电桩一同换掉，这样充电桩无法通用，既制约了新能源汽车的普及，也提高了使用成本。

1.3 同时充电的汽车数量有限

在快速充电中，多为直流充电，一次充电需要10～20 min，10 min把35 kW的电池充电完毕大约需要250 kW的充电功率，是一个办公大楼用电负荷的5倍，这不可能是家庭充电！假如一个充电站开4个充电机，功率就能达成“兆瓦”级，是个难题！如图3所示。

图3 现有充电规划模式

1.4 有线充电桩易受到侵害

充电桩的功能类似于加油站的加油机，在电动汽车使用中扮演着重要角色。为了缩短用户充电时间，充电桩普遍采用高电压、大电流的工作方式，这对安全提出了极高的要求，在实际使用中有很多的充电桩都是安装在露天环境的，露天环境就难免遭受风吹雨淋日晒，加上充电桩产品质量和标准的参差不齐，无形中都增加了安全隐患。

综上所述，这些问题的存在，已成为新能源汽车产业快速发展的一大阻碍[2]。

2 新能源汽车无线充电技术工作原理

无线供电，是一种新型的电能传输技术，无需物理连接，通过非物理接触的电能传输方式来驱动用电器，在消费电子、电动汽车等众多领域都可以使用该技术。电能补充无需使用电源线和插座，更加方便安全[3]。

2.1 电磁感应式

初级线圈连通一定频率的交流电，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。为充电线圈提供交流电并产生磁场时，磁力线穿过与之分离一定距离的接收线圈。交流电产生交变磁场，使接收线圈产生相应的感应电动势并可以对外输出电流，如图4所示。

图4 电磁感应式无线充电原理

电磁感应式非接触充电系统也存在它的局限性：1）送电距离比较短，如果两个线圈的横向偏差较大，传输效率就会明显下降。目前来看，只能实现传输距离为10 cm左右，而汽车底盘的离地间隙要大于10 cm；2）耦合的辐射问题，电磁波的耦合会不会存在大的磁场泄漏。电磁感应在线圈之间传输电力，如同磁铁一样，在外圈有一定的泄漏，人如何避免受影响是一个很大的问题；3）线圈之间也有可能有杂物进入，例如某些动物（猫、狗）进入里面，一旦产生电涡流，就如同电磁炉一样，存在一定的安全隐患。

2.2 磁场共振式

磁共振式也称为近场谐振式，由能量发送装置和能量接收装置组成，当2个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，其原理与声音的共振原理相同，排列在磁场中的相同振动频率的线圈，可从一个向另一个供电，如图5所示。

图5 磁场共振式无线充电原理

现在的技术能力大约是直径0.5 m的线圈，能在1 m左右的距离提供60 W的电力。磁场共振式充电的技术难点是小型、高效率化，小型、高效率被认为是将来最有希望广泛用于电动汽车无线充电的一种方式。

2.3 无线电波式

无线电波也叫电磁波，人们非常熟悉。现在的广播、电视等现代通信技术都采用无线电波技术作为基础，它同时能传输电能，特别是微波，通过硅整流二极管天线将微波转换成电能，转化效率能达到95%。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，接收电路可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。

3 新能源汽车无线充电实例

3.1 日本无线充电式混合动力巴士

电磁感应式供电线圈埋入充电台的混凝土中，车开上充电台后，当车载线圈对准供电线圈后（重合），车内的仪表板上一个指示灯会亮，司机按一下充电按钮，就开始充电。如图6所示。

图6 日本无线充电式混合动力巴士

3.2 韩国感应充电观光车

韩国首尔一座游乐园内试运行一种新型电车。这种电车在铺有电感应条的路面上行驶时可“无线”充电，不像传统电车需通过路轨或头顶电线获得电力。如图7所示。

图7 韩国感应充电观光车

3.3 日产魔方电动车

采用了可在供电线圈和受电线圈之间提供电力的电磁感应方式，即将一个受电线圈装置安装在汽车的底盘上，将另一个供电线圈装置安装在地面，当电动汽车驶到供电线圈装置上，受电线圈即可接收到供电线圈的电流，从而对电池进行充电。目前，这套装置的额定输出功率为10 kW，电动汽车一般可在7～8 h内完成充电。如图8所示。

图8 日产魔方电动车

4 结论

无线电能传输技术作为一项新兴技术，目前在手机、电脑、随身听等小功率设备上已经实现商业化，应用于电动汽车充电大功率设备也成为各大科研机构的关注焦点。电动汽车无线充电技术相比于传统接触式传导充电技术，在适应性、安全性、可靠性、灵活性等方面具有一定优势，方便应用于车库、停车场、充电站等场所。大幅提高土地使用效率，解决在都市核心地带大量建设充电设施的老大难问题，构建电动汽车充电公共服务设施建设和运营的新模式，加速我国新能源汽车发展战略，无线充电技术的普及对新能源汽车行业有跨时代意义。