无线充电技术，一个听起来很美好，想得又得不到的牛逼技术！就像这辆“大野牛”和小姐姐一样，只能在照片中一样
，如镜花水月，可遇不可求啊！不过虽然虚，还是要去开发的嘛！
今天
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电动汽车无线充电技术的开发与运用
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一、无线充电技术的简介
电动汽车无线充电技术通过埋于地面下的供电导轨以高频交变磁场的形式将电能传输给运行在地而上一定范围内的车辆接收端电能拾取机构，进而给车载储能设备供电，可使电动汽车搭载少量电池组，延长其续航里程，同时电能补给变更加安全、便捷。
动态无线供电技术的主要参数指标有电能传输距离、功率、效率、耦合机构侧移适应能力、电磁兼容性等。因而，开发大功率、高效率、强侧移适应能力、低电磁辐射、成本适中的动态无线供电系统，成为国内外各大研究机构当前的主要研究热点。
二、无线充电技术的分类
所谓的无线电能传输技术，其实质是指将电源的电能转化为无线信号的形式传递到信号接收装置当中，通过接收装置的信号转化系统，再将无线信号转化为电能，进而能够实现电能的无线传输。
随着无线电能传输技术的发展，其信号传递方式总体可以分为辐射与耦合两类。辐射无线电能传输可细化分为射频与微波两种，耦合无线电能传输可分为磁感应与磁谐振两种。
将电能以微波的形式传递到信号接收器当中，能够打破充电过程的空间限制。该类技术的工作原理是将电源处的电能转化为微波信号，从发射装置向外传递，之后由无线电能接收装置当中，由接收装置将微波信号转化为电能储存于电池当中。在运用该类技术进行无线电能传输时，能够对微波传递的方向进行限制。
同时，由于微波自身的特点，其穿透性相对较强，传播距离相对较长等。然而，相比其他电能传输技术而言，该类技术所需要的设备体积相对较大，资金投入相对较多，电能传输速度较为缓慢。
磁感应传输技术的核心技术在于电磁感应技术，通过变压器当中线圈的耦合作用实现电能的传输。相关研究资料显示，该类无线电能传输距离相对较短。在传输的过程中，电源的电能在进入发射线圈之后，会因电流的流动而出现磁场。当副线圈感应到电磁场之后，将会在其中产生频率较高的电流，进而为设备提供电能。
该类传输设备的工作功率相对较大，同时在该类设备当中，通常会以铁质物体作为磁芯。因此，其耦合系数将会大大增加，进而会提升该类设备电能的传输效率。
与磁感应无线电能传输技术相类似的是，该类技术的基础也是电磁技术；而两者之间所不同的是，该类技术的传输距离相对较远。其原因在于磁谐振技术当中的线圈以谐振的方式运行。当主线圈与副线圈的工作频率相等时，则将会使得流通的电流值大大提高，进而能够提升电能的传输距离。
三、电动汽车的无线充电技术
总体而言，无线充电技术的实质在于通过电场或者磁场的形式实现电能的输送，研发电动汽车的无线充电技术，具有重要的现实意义。
不同无线充电技术之间由于其工作原理、工作设备的差异，其电能的传输效率、传输距离等也存在一定的差异。在传统的电动汽车充电的过程中，其常使用的装置包括线路、充电器等，其充电过程常常会受到外界条件的影响。同时，不同品牌电动汽车之间的充电器等型号差异较为明显。
对于电磁感应无线充电技术而言，其主要设备包括两级线圈以及信号接收装置等，两级线圈的主要作用在于产生磁场以及产生电流，而接收装置的作用主要在于将感应信号转化为电能。
谐振式无线充电设备主要包括发射设备、接收设备等。当两级线圈的频率相同时，则将实现电能的无线传输；微波无线充电设备主要包括微波的发射以及接收设备等。由于采用无线充电技术之后，电动汽车的充电过程不再需要充电电缆。
因此，电动汽车的充电过程将不再会受到地域、外界条件的限制，其便利性相对较强。
无线充电技术的工作原理，主要是借助疏松耦合装置将电能以无线的形式进行传输。主线圈与副线圈分别处于不同的设备当中，从而能实现发射装置与接收装置之间电能的无线传输。主线圈与副线圈之间通过电流流经线圈之后产生的磁场实现能量的交换。当主线圈与副线圈之间存在一定的距离时，其常常会存在电能损耗的情况。此时，所损耗的电能将会通过一次侧进行补充。
根据相关研究资料显示，当流经一次侧的电流值相对较大，主线圈与副线圈之间的距离较小以及两个线圈之间的磁导率大于空气时，则将会大大提升电能的传输效率。在实际操作的过程中，由于主、副线圈之间往往会存在一定的距离，因此需要根据主、副线圈之间存在一定的补偿，无形中将会在一定程度上降低电能的传输效率。
电动汽车无线充电系统主要包括四部分带功率因素校正（PowerFactorCor-rection，PFC）的AC/DC转换器、高频DC/AC转换器、非接触式谐振变换器、整流器，如下图所示：
首先，工频单相或三相电经带PFC功能的AC/DC转换器整流成高压直流电，然后直流电压经全桥DC/AC转化器转变成高频的交流方波加在非接触式谐振变换器一次侧输入端，这样线圈有交流电注入而产生交变磁场，二次侧线圈在交变磁场中感应生成交流电，再经整流成直流电，从而给电池充电。
若采用调节一次侧前级电压的方式调节功率，需在一次侧PFC后增加降压电路（Buck电路）；若希望汽车端功率可调，需在二次侧整流器后增加功率调节电路，如上图虚线所示。
此外，电动汽车无线充电系统的一次侧和二次侧需要交换信息，这就需要无线通信系统的一次侧和二次侧相对位置的变化会影响一次侧和二次侧线圈的耦合系数，从而影响无线充电系统的传输功率和效率，所以需要位置检测系统帮助驾驶员找到合适的停车位置。
当有金属或动物进入一次侧线圈和二次侧线圈之间时，传输效率会降低甚至存在安全问题，异物检测可以检测一次侧线圈和二次侧线圈之间是否有硬币、铁块、口香糖包装纸和小动物等，一旦检测到异物，系统将及时停止充电并通知驾驶员。
WPT系统的控制方法类似于普通的谐振变换器，主要有以下几种：
1）频率控制
多用于电磁感应式WPT系统，通过控制输入端开关频率来控制输入功率，这种控制方法的明显不足是偏离额定功率时无功增大、效率降低、容易失控。
2）改变电路参数
多用于小功率WPT系统，通过改变谐振电容来改变电路谐振频率，类似于频率控制。
3）改变输入电压
通过调节WPT谐振变换器输入电压来控制传输功率。这种控制方法适用于大功率电磁共振式WPT系统，但需增加额外的升压变换器或降压变换器。本文即采用该方法。
4）移相控制
其控制效果类似于改变输入电压。移相控制技术是通过改变开关管的导通角来改变其导通时间的技术。该控制技术的开关频率不变，避免了频率失控的问题，适用于电磁共振式WPT系统，但无法保证全范围的软开关。
5）锁相环控制
该控制策略需结合PWM控制，这种控制方法在调节PWM来调节传输功率的基础上利用PLL调节工作频率来实现软开关，PLL通过测量输入电流，计算输入电流的过零信号与输入电压之间的相位差，并且调节变换器的工作频率，将这个相位差锁定为一个定值，现软开关，该控制方法较为复杂，适用于电磁感应式WPT系统，且多用于小功率调节。
感应式无线充电技术已经在其他领域得到一定程度的运用。然而，相比其他无线充电技术而言，该类充电技术的有效距离相对较短，因此其在电动汽车的实际充电过程中的应用相对较小。
相关研究资料显示，在运用感应式无线充电技术为电动汽车提供电能时，以其功率为标准，能够将该类充电模式分为三种：
1）低功率感应式充电技术
该类充电技术所提供的充电功率相对较低，因此不适用于电动汽车的常规充电作业，而常被当作紧急充电工具使用。
2）一般功率的感应式充电技术
该类技术的工作功率通常集中在5kW以上，25kW以下，常规电动汽车往往仅需要7h左右便能充满。
3）高功率的无线充电技术
感应式无线充电技术的工作原理是常规供电系统当中的电能进入到感应式充电系统当中，之后通过相关设备增加电流的频率，使之达到设计电流值。在其流经补偿电路之后，以发射线圈为媒介产生磁场。当电动汽车上的磁场接收装置感应到磁场时，能够将磁感应转化为电流，使其储存到电动汽车的电池当中。
谐振式无线充电技术建立在电磁技术的基础之上，诞生于2007年，其基本工作原理是当无线充电设备当中的主线圈与副线圈的谐振频率相等时，其电能传输的效率将会达到一个较大的标准。
此时，在电能无线传输的过程中，当其他的物体与线圈的频率不一致时，则其将能够继续正常运行而不会受到无线传输设备的影响。
在将其运用到电动汽车的无线充电方面时，其工作原理为将无线充电系统与电力系统相连接，将电流引入到系统当中，经过设备当中的高频装置之后，提高其电流的频率，由无线发射线圈向外传输，进而能够在线圈附近形成磁场。
当安装于电动汽车上的接收装置的频率与发射频率相同时，则将会在两者之间形成较强的耦合作用，进而提升该类无线充电技术的传输效率。
相比其他无线充电技术而言，运用该类技术能够扩大电能传输的范围。然而需要注意的是，在运用此方法进行电能传输时，虽然其他不同频率的物体通常不会受到负面影响，但是该类设备将会受到附近磁场的影响。由于该类设备的发射频率相对较高，因而可能会对附近的人产生不良的影响。
无论是感应式无线充电还是电磁共振式无线充电，它们的基本原理是类似的，都是交变电流注入一次侧线圈，从而产生交变磁场，二次侧线圈在交变磁场中产生交变电场，这一过程可以用麦克斯韦方程来表示：
式中，
E——电场强度；
B——磁通密度；
H——磁场强度；
D——电通量密度；
I——电流；
ρv——体电荷密度。
对于规则的线圈结构如圆形和矩形的线圈，很容易通过上述方程求解B、D、E和H，从而求解线圈自感和互感，可是在电动汽车应用中，一次侧和二次侧线圈离得远，耦合小，效率低。
为了增大耦合，提高效率并且保证传输功率，通常在一次侧线圈下方和二次侧线圈上方加软磁性材料如铁氧体，这样就给计算线圈自感和互感，计算评估磁场辐射带来了难度，只能通过有限元来求解。
应用于电动汽车的无线充电系统线圈结构需满足一定的条件。受到汽车离地间隙的限制，一般乘用车的一次侧和二次侧线圈之间的距离Gap一般在90~150mm之间。
由于大多驾驶员停车具有随意性，二次侧线圈总会相对于一次侧线圈有一定的偏移，这就要求两线圈在一定偏移(>150mm)时仍能以较高的效率和一定功率传输能量。
此外，二次侧线圈是固定在底盘下的，其尺寸和重量都会受到限制。应用比较广泛的线圈形状有圆形、矩形、螺线管型和双极DD型。
增大一次侧和二次侧线圈之间的耦合系数h是提高线圈效率的关键和难点。设计合理的线圈形状可以得到最优的耦合系数。在一次侧线圈下方和二次侧线圈。上方添加软磁性材料会进一步提高耦合系数。
此外，为了屏蔽磁场，防止路面钢结构和汽车底盘影响WPT系统的传输功率和效率，也为了防止磁场影响到其他设备，需要在软磁性材料外围布置薄铝板屏蔽，其结构如图所示：
此外，在实验中需要实际测量线圈自感和互感，从而调整补偿电容。上表给出了所设计的WPT系统参数。利用上表的参数在LTSpice仿真软件中可以仿真系统的输入输出特性。
当一次侧与二次侧线圈对齐且最大功率输出时，输入功率为3.7kW，输出功率为3.61kW，从直流电源到待充电池的仿真效率为97.6%，系统的仿真波形如下图所示：
四、无线充电技术的优缺点
无线充电技术具有安全性高，使用便捷，易于安装等优点。由于无线充电桩可采取分散布局的安装方式，既可以减小对电网造成的压力，也可以让电动汽车充电无需去固定的场所，自由度更高。
虽然无线充电技术（WCT）优点明显，但也存在不少问题。
1）无统一技术标准
目前全球WCT标准包括两大联盟:WPC和Aifuel,Aliance (2015年1月，PMA和A4WP宣布合并)。Q标准由WPC制定，主推电磁感应式。Aifuel的标准由其前身之一A4WP制定，主推磁场共振式。不过，目前标准的统一化正在推进。
2）充电效率问题
单纯从效率数值角度来看，WCT的充电效率峰值一般在90%左右， 而传统充电效率可达95%。不过，随着技术研发投入的不断加大，已有多家公司表示实现了无线充电效率的大幅提升。
3）传递功率不够大
以目前的技术大多数传递功率一般在10kW以下。不过，在电动汽车上无线充电一般为慢充，这个功率是满足需求的，另外随着技术发展这个功率也会不断提升。
4）电磁辐射安全
WCT以电磁波的形式进行能量传输，可能会造成终端用户对于电磁辐射安全的忧虑。不过，根据对无线充电桩磁感应强度检测，数值远低于ICN IRP (国际非电离辐射防护委员会)给出的安全限值，电动汽车无线充电的辐射值在安全范围以内。
五、未来无线充电的发展
相比传统的充电方式而言，电动汽车无线充电技术能够打破传统充电的地域限制，其充电安全性相对较高，且使使用较为方便。在无线充电技术逐步成熟的今天，其为电动汽车的推广提供了极大的便利条件。电动汽车的无线充电技术未来可通过以下几种方式得以运用。
该类技术与传统充电技术相类似，指将汽车停靠到指定位置，在静止的状态下接收电能储存于电池当中，从而能够实现电动汽车的续航。
该类无线充电技术将会得以广泛的运用，不仅能够取代传统的充电模式进入家庭当中，也可运用到道路中充电场所的基础设施建设当中。这种无线充电技术在未来的发展当中，将会得到最为广泛的运用。
随着科学技术的不断进步以及无线充电技术的日趋完善，在城市公共交通当中纯电动公交车的使用频率将会大大增加，而电动公交车的续航能力，也成为电动公交车是否能够推广的关键所在。
因此，相关人员可在电动公交车集中停靠的站点设置无线充电设施，使得电动公交车能够在停靠站点时及时充电，从而能够提高电动公交车的续航能力。
同时，当提供无线充电设施的公交站点增加时，则在电动公交车的型号选择时，可适当的降低电动公交车的电池设计容量，进而不仅能够实现绿色出行，同时还能够减少政府部门在投入电动公交车方面的资金投入。
除了静止状态的无线充电模式之外，动态无线充电也将是未来无线充电技术发展的主要方向之一。所谓的动态无线充电技术，是指在城市的主干道路上，每隔一段距离添加一套无线电能充电设备，从而能够让电动汽车在该路段行驶的过程中及时补充电能，从而能够为电动汽车的持续运行提供较大的便利。
随着我国城市化建设与各个领域的不断进步，供电网络的完善程度与智能化均取得了长足的进步。将电动汽车的无线充电技术与供电网络相结合，应是无线充电技术未来发展的途径之一。在两者联合之后，能够根据电网的载荷情况，及时对电网的电压等进行调整，实现无线充电的科学控制。
在电动汽车无线充电技术未来发展的过程中，相关技术人员应注重解决以下问题：
1）将新型材料纳入到无线充电设备设计当中，提高设备的磁导率等性能；
2）将无线设备的电能传输功率与人体的安全相结合，降低因无线充电而对人体造成伤害。
六、结语
总而言之，电动汽车的无线充电技术具有安全、便利等特点。相比传统的充电技术而言，该类技术尚处于进步的过程中。
因此，相关技术人员应加强对电动汽车的无线充电技术的研究，加强无线充电技术的前期研发力度，使得无线充电技术能够快速成熟并成功的运用到实际生活当中，为电动汽车的推广提供积极的作用。
写在最后
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