无线充电模块原理图(电动车无线充电技术目前发展情况如何？)

Posted 2023-05-28

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无线充电模块原理图(电动车无线充电技术目前发展情况如何？)

关于无线充电技术的发展和运用的话题，我们先来了解无线充电的种类和原理，最后再来实际运用和发展。

结论先行：虽然无线充电技术非常成熟，尤其是谐振式的磁场耦合式无线充电技术，但充电效率/商业性/稳定性/辐射安全性方面需要继续突破。

一.无线充电技术的种类和运用

1.汽车无线充电技术的种类

目前电动汽车无线充电技术主要分为静态无线充电/动态无线充电/准动态无线充电。

其中静态无线充电技术是在电动汽车停止时给汽车进行充电，根据它的特点，通常适合于商场/居民区的停车场等场合。动态无线充电，顾名思义则是在汽车行驶过程中给汽车充电，持续为汽车提供能量，而且允许电动汽车搭载较小容量的电池，根据特点，一般是在汽车短时间停靠的地方给汽车充电，通常适用于交通信号灯/高速临时休息区，途中为汽车补充电能。

动态无线和准动态无线充电都比较有效延长电动汽车的行驶里程，但其道路改造成本较大，维护费用也不小，相比之下，静态无线充电非常灵活便捷。

2.汽车静态无线充电技术的种类

关于静态无线充电技术，按照传输机理又可分为电磁辐射式、电场耦合式和磁场耦合式三种。

辐射式无线电能传输技术通过远场传输能量，主要包括无线电波式和激光方式，适用于远距离无线输电，由于其效率很低/功率很小的特点，都并未成熟。电场耦合式和磁场耦合式无线电能传输技术通过近场传输电能，其中电场耦合式利用电容的电场进行能量传输，磁场耦合式则以交变磁场进行能量传输，而电场耦合式由于研究较少，磁场耦合式则受到了热捧，广泛运用到电动汽车静态无线充电中。

磁场耦合式无线电能传输技术又可分为感应式和谐振式。感应式传输功率大，近距离传输效率较高，但根据电磁感应定律，其对耦合系数较为敏感的特点，一般适合近距离传输，而谐振式根据磁共振原理，其传输距离是发射线圈的几倍，根据其特色，一般适合于中距离传输，关键的是电能传输不受空间非磁性障碍物的影响，在电动车汽车静态无线充电中优势更明显。

3.谐振式的磁场耦合式无线充电技术原理

磁场谐振式因为其能量谐振耦合原理，可通过高频电磁场实现能量传递。基于磁场谐振的电动汽车系统结构，由电源端输送的交流电经过整流/滤波/高频逆变电路等过程，将其转换为高频交流，使电路谐振来达到最佳的能量传输条件。高频交流电，其通过两个电磁感应线圈，在具备一定条件下可以实现能量在两个线圈之间传输，这种传输的电磁能量，在经过汽车能量调节电路后可以实现对电池充电，由于磁场谐振充电方式的稳定性好/能量转换效率高的特点，目前被采纳为最佳的汽车无线充电技术。

二.电动汽车无线充电系统原理和关键技术

电动汽车无线充电技术，根据充电方式可以分成静态无线充电/动态无线充电，其均采用磁场耦合的原理，系统的电路设计方法一致，只有磁路的设计不同。

1.电动汽车静态无线充电技术

静态无线充电系统的磁路机构发射与拾取端常采用圆形和方形线圈，此类双极性线圈在充电过程中，由于电动汽车静止不动，所以过程中耦合系数是不变的。

虽然电动汽车静态无线供电技术已经比较成熟，但是还有有其优势和弊端。

关于其优势：

a)避免了电动汽车充电接头插拔带来的机械磨损

b)非接触式的充电，这样充电过程中不会产生电火花

c)非人工操作，且操作简单，设备占地小，实现自主式充电站的建设

d)后期维护成本下降

关于其弊端

a)由于磁路机构和变换器的限制，充电功率不高

b)与线充电相比，充电的时间比较长；

c)原副边线圈很难对正影响传输功率。

2.电动汽车动态无线充电技术

动态和静态无线充电系统的磁路机构的能量拾取端和线圈结构一致，但是能量发射端线圈的结构不同。按照发射线圈的形状分为阵列式/分段导轨式/长导轨。其中阵列式发射线圈采用静态充电线圈阵列排布，但分段导轨线圈和长导轨线圈结构的特点是各自长度都大于宽度，存在单极性和双极性之差异。

由于长导轨式仅有单段导轨，如果导轨出现故障时，会产生全线无法工作的现象，由于具有输出电压波动较小的优势，线圈阵列式的导轨线圈之间是分别独立的，单个导轨故障不会影响到其他导轨线圈，其可靠性强，但由于线圈切换位置较多导致输出电压不稳定。分段导轨具备两者优点，而且又降低了两者缺点对系统的影响。

三.纯电动汽车无线充电技术的应用情况和未来发展趋势

纯电动汽车无线充电技术发展日新月异，在物联网/智慧医疗/无人驾驶/新能源等领域得到广泛的应用，但是存在着一些弊端，比如其能量转换效率较低，前期投入成本较高，部分充电方式产生的电磁辐射影响人体安全等一系列问题。

目前Halo无线充电系统采用的磁共振充电方式可以将阻抗达到最低，得到更高的充电效率，达到90%以上，甚至超过电缆。

未来电动汽车无线充电的优化与发展可以考虑以下几个方面：

1）阻抗匹配：系统发射部分/接收部分的阻抗匹配，有效增加接收端的功率来实现电能的有效传输

2）开关变换器：传输系统中发射部分的高频逆变电路，接受系统中的整流/电池管理电路对系统的整体效率有影响。

3）功率因数：功率因数的提高可提高系统效率

4）调节谐振频率：增加发射与接收部分间的通信模块进行更加精细的调控。

5）高Q值线圈：为了提高系统的电能传输效率，需使用高Q值线圈。

6）线圈的优化设计：为了提高发射线圈和接收线圈间的电能传输效率，合适设置的线圈间距/绕法/线径/直径/匝数等

7）电磁辐射和人体健康：通过调整充电装置的内部结构，降低向外辐射的功率，尽量减少对人体健康的影响。

8）优化算法提高充电系统的稳定性：通过算法优化来有效抑制高次谐波，提高整个系统电路的稳定性和传输效率。

9）无线充电装置的部署：通过在路面埋入充电系统的电磁线圈的发射端，使汽车行驶过程中自动充电。

四.综上所述

无线充电技术成熟，尤其是磁场谐振式技术，但在电动车的应用仍需突破，其突破点为充电效率、稳定性、商业性、辐射安全性等方面。

相信经过主机厂和各位汽车工程师的不断努力，无线充电技术必然会不断完善和成熟，推动无线充电技术迈向新台阶。