一文了解电动汽车无线充电技术及其商业应用 | 厚势

Original 段秦刚、李更丰等厚势汽车 2024-04-13

厚势按：电动汽车的传统充电方式容易受到天气、硬件质量、接口标准等原因的影响，在一定程度上制约了电动汽车产业的规模化发展。无线充电技术的应用可以克服上述这些问题，因充电时无需直接接触，避免了统一充电接口制式的需求，使用方便安全。

从商业应用着手，对电动汽车无线充电技术进行研究，首先介绍了无线充电技术的基本原理和典型的充电技术。在整理和归纳国内外研究成果的基础上，针对无线充电技术应用方面的难点和挑战提出了相应的解决思路。最后，在现有应用实例的基础上，提出了 3 种可行的电动汽车无线充电的商业运营模式。

本文为广东电力交易中心与西安交通大学电气工程学院 2017 年 6 月 20 日联合发表在《陕西电力》上的论文《基于商业应用的电动汽车无线充电技术研究综述》。

0. 引言

近年来，中国大部分地区一到秋冬季节，就饱受雾霾困扰，而且有愈演愈烈的趋势。随着环境问题的日益突出。电动汽车作为低碳环保的出行工具，被许多国家认为是未来汽车发展的方向，并确定为保障能源安全、转型低碳经济的重要途径 [1-2]。然而。作为有效缓解当前能源与环境问题的交通方式，电动汽车的发展、推广与应用正面临着诸多的制约因素的挑战，诸如动力电池成本与性能、电动汽车能源供给基础设施、电动汽车大规模无序充电对电网的影响等 [3-4]。

在电动汽车能源供给基础设施方面，电池和充电桩是关键。2015 年发布的《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020）》中提到，预计到 2020 年可满足超过 233 万辆电动汽车的充电需求，新增集中式充换电站超过 4300 座，分散式充电桩超过 220 万个 [5]。在传统的电动汽车充电方式中，充电接口制式必须统一，不同国家地区、不同汽车制造商都有自己的充电标准，这无疑为电动汽车的发展造成了不小的阻碍。

无线充电也称为非接触能量传输技术，是利用电磁场或电磁波进行能量传递 [6-7]。作为一种新型的充电技术，电动汽车无线充电技术相较于传统的有线充电方式，避免了机械磨损，可适应多种恶劣环境和天气，同时具有更高的通用性。相较于各式各样的有线充电接口制式，无线充电制式只有固定的几种。这无疑给电动汽车生产厂商提供更大的发挥空间，推进了电动汽车的市场化。

本文首先介绍了电动汽车无线充电技术的基本原理。分析了无线充电技术相对于接触式充电在电动汽车充电领域的优势，并对常见的无线充电技术进行了比较。进而，在综合分析国内外文献资料的基础上，归纳了几种典型的无线充电技术在应用中遇到的挑战。最后，针对国内外汽车制造企业在无线充电技术中的应用现状，以及传统充电模式的运营模式，总结、提炼了无线充电技术商业应用方面可行的运营方式。

1. 电动汽车无线充电技术的应用研究

1.1 基本原理

图 1 电动汽车进行无线充电的基本原理

与传统动力电池采用插头充电的方式不同，电动汽车在利用无线充电时，无需通过接触插座内的接口来传输电能。其充电原理与变压器的工作原理类似，以电磁场为媒介，将其一次、二次线圈分置于车外和车内，通过高频磁场的耦合传输电能 [8-9]。如图 1 所示。在利用无线充电技术给电动汽车充电时，充电系统主要由 3 部分组成：电源侧发射端、发射/接收线圈和电动汽车侧接收端。

1.2 典型无线充电技术的比较与分析

目前，常见的无线充电方式都是利用交变电磁场的电磁感应原理，从而在非接触式条件下实现电能的传输，典型的充电技术主要分为感应式、共振式和微波传输式 3 种 [10]。

感应式充电是当前应用最成熟、最广泛的无线充电技术，其原理是在发送端和接收端各接 1 个线圈，通过给发送端的线圈通一定频率的交流电，在次级线圈中感应出一定的电流，从而实现能量的传输 [11]。这种充电方式下，传输功率一般可以达到几百瓦，但是传输距离比较近，通常不超过 10 cm。感应式充电技术对充电位置要求较高，当设备收发方位置完全重合时，能量效率达到峰值，随着位置偏差的增大，能量效率会出现快速的衰减。

与感应式充电不同，共振式充电是通过向电能接受端和电源发射端在同一时间通入相同频率交流电来实现能量的交换 [12]。共振式充电技术的传输距离比普通感应式更远一些，可以达到 3~4 m，传输功率可达几千瓦．充电效率一般在 50％左右。

微波传输此前更多出现在科幻电影中，传输距离远，甚至可以实现航天器与地面之间的能量传输，但是受限于传输功率较小，其传输功率低于感应式和共振式的传输功率 [13]。

表 1 常见无线充电技术基本原理

如表 1 所示，这 3 种无线充电技术各有利弊，感应式充电虽然传输效率高，但是传输距离短，而且只有在充电的位置精确时，才能高效充电。共振式和微波传输式充电虽然传输距离长，但是充电效率低，均不超过 50％。

1.3 无线充电技术在电动汽车领域的应用

相较于传统的接触式充电技术，无线充电技术虽然有诸多的优点，例如使用方便、安全，受恶劣极端天气影响小，避免了机械磨损问题，无火花及触电危险等，但其发展仍旧受很多因素的限制 [14]。国内外的研究关注点主要集中在 3 个方面：

传输功率控制及效率；
无线充电的辐射；
无线充电对电网的影响。

由于实现远距离大功率无线电磁转换需要消耗的能量相对较高，国内外学者针对无线充电传输功率控制及提高充电效率方面展开了大量的研究。文献 [15] 建立了四线圈结构无线充电系统的模型，基于实际系统参数，在非正弦输入时系统输出功率和效率表达式的基础上，探讨了输出功率和效率随谐波频率的变化过程，如图 2 和图 3 所示。

图 2 能量传输线圈效率与频率的关系

图 3 能量传输线圈输出功率与频率的关系

图 2、图 3中的虚线处从左到右分别是基波、3 次和 5 次谐波的位置。从图 2、图 3 可以看出，文献作者所设计的无线充电系统在工作频率处的线圈效率很高，达到 95% 以上，输出功率也较大；而在 3 次和 5 次谐波处，输出功率急剧减小，效率更是降到了 1% 以下。由此得出当系统输入中含有较多 3 次和 5 次谐波时，系统的效率和输出功率都会大幅下降的结论。

为提高能量传输线圈的工作效率和输出功率，文献 [16] 考虑到电动汽车无线充电系统中的电路参数会相互影响的问题，针对 2 线圈结构系统，首先求得系统损耗 P_t、传输功率 P_L 的比值 P_t/P_L，该比值表达式为：

式中：R_S 为副边线圈的内阻；L_S 为副边线圈电感；R_L 为负载；κ_PS 为耦合系数；Q_P 和 Q_S 为一次、二次线圈的品质因数；ω 为角频率。

通过对式（1）求导，可以求得当负载 R_L 取得最佳负载 R_opt 时，P_t/P_L 取得最小值，充电效率最高，最佳负载 R_opt 的表达式为：

可以看出，系统线圈间耦合系数 κ_PS 和线圈 Q 值决定系统最大传输效率，因此文献提出如图 4 所示的基于 LCCL 阻抗匹配的电路结构，以使负载 R_L 取得最佳负载 R_opt，从而获得系统最大的传输效率。

图 3 基于 LCCL 阻抗匹配的电路结构

图 4 中，L_P 为原边线圈电感，M_PS 为原副边线圈互感，C_L 为电池等效电容，C_p、C_s 为谐振补偿电容。文献 [17] 对于感应式的无线充电技术，从提高非接触变压器耦合系数和磁通分布不均问题 2 方面进行了系统性的总结，并提供了相应的解决思路。

关于无线充电的辐射问题，文献 [18] 定量分析了供电线圈产生的电磁场对人体产生的辐射影响。结果表明，儿童相较于成人，受到的电磁辐射在相同条件下更大。文献 [19] 提出了使用特殊的屏蔽材料铺设于电动汽车的座位下等方式来避免辐射问题。

在电动汽车无线充电方式对电网的影响方面，文献 [20] 首先分析了在随机充电情形下，插充式和无线充电方式下的功率输出特性。考虑到电动汽车的放电特性，将电动汽车与智能电网相结合的车网互动系统实现了电动汽车在负荷低谷充电、在高峰放电的双向互动，在求得该有序充电情形下的功率输出特性后，分别求出无电动汽车接人、随机充电和有序充电 3 种情况下的平均供电可用率指标 ASA（Average Service Availability）分别为98.78%、98.75%、98.97%。

从可靠性指标可以发现，对电动汽车充电进行有序控制可以极大提高供电可用率。文章中提出的无线充电式联合插电式电动汽车的功率输出模型，以 IEEE DRTS Bus 4 测试系统进行试验，将电网中电动汽车（包括无线充电式和插充式 2 种）的渗透率设置为 5％，引人系统平均停电频率 SAIF（System Average Interruption Frequency）、电量不足 EENS（Expected Energy not Supplied）和平均供电可用率 ASA 作为评估电网可靠性的指标。通过分别计算无线充电式电动汽车渗透率为 20%，40% 和 60% 3 种情形下的可靠性指标，可以得到如表 2 所示的结果。

表 2 无线充电渗透率对可靠性的影响

文献 [21] 提出一种利用微网为无线充电式电动汽车提供电能的思路，该方法通过光伏发电系统与蓄电池的组合，利用蓄电池对电能的有效存储，保证了供电可靠性，一定程度上解决了电动汽车充电对电网产生的冲击，同时提高了充电灵活性。

2. 无线充电技术应用的商业模式

随着人们对电动汽车充电所提出的个性化需求的增加，无线充电技术在电动汽车充电领域的商业应用前景广阔。国内外对该技术的商业应用展开了一系列的研究，研究主要集中在动、静态方式充电的选取方面。

静态充电方式，与传统的插充式充电类似，通过在停车场等固定区域设置专门的充电区域。在汽车静止状态下进行充电。由于无线充电具有受外界恶劣环境影响小、充电无接触磨损等优点，其充电区域的选择相较于有线插充式更加丰富。

动态充电方式，与静态充电相反，提出在电动汽车移动的过程中进行充电。这种方式下，通过路面敷设充电通道，电动汽车在道路上运行时，即可自动连接上充电系统，在能量消耗的同时进行一定程度上的能量补充。电动汽车在某固定停车位即使未充满电量，也可以放心驾驶，在汽车行进的过程中进行能量的供给，可以大大突破现有电动汽车行进里程的限制。

2.1 无线充电技术的商业应用进展

关于无线充电技术的商业应用，国内外汽车制造厂商和研究机构进行了积极的探索，在静态和动态充电的选择上有不同程度的侧重。

沃尔沃提出了一种利用道路进行无线充电的动态充电方式，汽车搭载的集电器与公路上的电缆连接后，汽车不必走在电缆的中央就可以利用直流电充电。由于时速需要大于 60 km，这一充电系统更适合在高速公路上推广 [22]。

静态充电方面，2014 年 1 月英国在米尔顿凯恩斯试运营无线充电的电动公交大巴，整个线路长为 24 km，巴士大约会在路上消耗三分之二的能量，回来的巴士只需在充电点停留 10 min 即可将电量充满 [23]。所有的 8 辆巴士只需要起点站和终点站 2 个无线充电点为其提供充电服务，每年可以减少大约 5 吨有毒尾气和 270 吨 CO2 的排放。

中兴通讯研发了一套无线供电系统，电动汽车在停车位停好后，即可自动连上该系统的充电通信网络，与地面系统建立电能传输链路进行充电。值得一提的是，无线充电系统在车辆行驶时完全不工作，即使车辆在充电场路面行驶，或遇到极端天气也能保证安全 [24]。

图 5 国内首辆无线充电巴士的的设计原理图

另外，在成都街头社区巴士已经开始试点进行无线充电，成为国内首批利用无线充电的巴士。当该巴士停靠在充电站的感应装置上方时，即可连接上充电系统。充电 8 min 即可支撑该巴士在运营路线上行驶约 6 km，该巴士的设计原理如图 5 所示闭。

2.2 无线充电技术商业应用的特性及难点分析

关于电动汽车充电站的运营模式，一直都是国内外的研究热点 [26-27]。通过系统总结可以发现，当前电动汽车充电站的商业运营主要有以下特点：

（1）政府干预

与传统电力项目相比，新能源与电动汽车充电的项目有高成本、高投入、投资回报期长、高端技术尚未完全成熟等特点。因此，其投资收益具有非对称性。外部环境的非对称性会造成市场失灵，必须由政府出面干预。

文献 [28] 研究了 2 种政府补贴政策（针对消费者的购车补贴和针对汽车制造商的生产补贴）分别对汽车制造商主导和分销商主导 2 种模式下定价和充电站建设决策的影响。进而，又从扩展充电站网络规模和提高电动汽车采用率 2 个方面，研究这 2 种补贴政策在这 2 种商业模式下的优劣。得出，在制造商主导模式下，生产补贴政策能促成更大规模的充电站网络，而购车补贴能带来更高的电动汽车采用率的结论。

（2）投资、运营主体多样化

运营主体不同，其收益分配也不同。随着电力市场的放开，有实力有资质的企业也可以参与到售电领域，既可以由电网投资基础设施，也可以由企业参与投资运营，引入市场竞争机制，打破行业垄断，给用户提供更多的选择空间。

电动汽车无线充电站的运营主体分为单一运营主体和多方运营主体。单一运营主体指电网、用户或第三方运营商中的一方运营微电网；多方运营主体指电网、用户和第三方运营商中的 2 方或 3 方共同运营微电网 [29]。文献 [30-32] 总结了现阶段相关国企、民营企业在参与电动汽车投资和推广方面采取的主要方式，分析了不同运营资本进入充电服务行业可采用的商业模式。

针对上述特点可以看出，当前电动汽车无线充电技术在商业方面的推广应用仍存在诸多问题．可以总结为如下 4 点：

（1）由于资本门槛较高，电动汽车无线充电技术的推进很大程度上依赖于资本的覆盖力度与速度。以动态充电方式为例，虽然可以克服传统电动汽车有线充电方式下行驶距离有限的劣势，但是需要预先在地面敷设充电通道，前期成本投入较大，投资回收期较长。此时，引人多方资本力量的共同投入显得尤为重要。

（2）在项目实施过程中，无线充电设备作为重要的基础设施，建设过程中离不开相应的政策支持，以及相关规范的管理与约束。

（3）考虑电动汽车无线充电技术在投资、运营过程中可能存在多个投资主体，项目推进的全局性、项目管理的协调性以及项目回报期的利益分配等问题，应该引起政府、电网和第三方运营主体的重视。

（4）在实际的商业运营过程中，根据目标人群的需求特性不同，项目方案也需要作出相应的调整。针对不同类型电动汽车的行驶特性，其适合的充电方式也不同。对于长期运行的出租车以及公交巴士，单纯依靠夜晚充电不足以支持白天的能量损耗。鉴于快充方式对电池的负面影响，短时间的正常充电也无法满足该类汽车的需要，大大限制了这类车主的出行。这种情况下，动态充电方式作为一种及时能量补充的有效措施，市场需求潜力巨大。而对于日常通勤用的车辆，有充足的停车时间用于补充电能，显然静态充电方式更为合理。

2.3 无线充电技术的商业运营模式

从投资运营的主体着手，结合我国电力市场的条件与背景，本文以汽车制造商和电网公司为电动汽车充电领域主要投资运营主体，提出以下 3 种可行的商业运营模式：

（1）电网公司投资 + 电网公司运营。在该模式下，汽车制造厂商仅以设备制造商的角色参与到无线充电的市场中，由电力公司向用户提供充电平台、充电配套服务，服务费用由政府相关部门统一制订。

（2）电网公司投资 + 第三方运营。在该模式下，汽车制造厂商一方面通过向电网公司出售无线充电设备获得收益，另一方面还将成立运营公司。通过向电网公司支付费用租借无线充电设备的方式向用户提供充电服务，并收取相关服务费用。

（3）第三方投资 + 第三方运营。在该模式下，汽车制造厂商投资无线充电设备并进行运营。以中兴通讯公司为例，其计划开创的「设备产品 + 服务 + 平台」商业模式 [33]，就是为客户提供包括电动汽车租用、充电装置建设、充电服务提供等相关服务在内的一体式解决方案。

3. 结语

作为一种便捷、耐磨损的新型充电方式，电动汽车的无线充电技术市场发展前景广阔。

从短期来看，还需要突破一系列技术瓶颈，诸如提升输电功率、提高充电效率、加大输电距离以及降低磁场辐射等。此外，在商业模式方面，其发展仍离不开政府的干预和支持，不同的运营主体在充电市场中的角色与定位，都影响着最终利益的导向与分配，需要在较长的探索过程中慢慢磨合。

但从长期来看，无线充电具有明显的便捷性和不可替代性，将对我国电动汽车产业发展提供更好的平台，带来更大的机遇。

编辑整理：厚势分析师伊龙马

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