無線充電技術及其在電動汽車上的應用初探

　　1 引言

　　隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展， 國家相應的優(yōu)惠政策、補貼政策、以舊換新政策等一系列政策的能源汽出臺， 進一步促進了私家汽車增加。國際上，能源與環(huán)境已成為當前全球最為關注的問題，能源的緊缺與替代、環(huán)境的污染與保護共同促使了環(huán)保新車的大力發(fā)展。

　　電動汽車是首先發(fā)展起來的一種環(huán)保新能源汽車，包括蓄電池電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車。其中，燃料電池電動汽車是作為未來主流發(fā)展的環(huán)保新能源汽車，但其技術尚處于研發(fā)階段，成本過高；混合動力電動汽車的電力補給主要來自內燃機帶動的發(fā)電機， 在能源危機下只能是一個過渡產品。而本文主要研究的是純蓄電池電動汽車。

　　蓄電池電動汽車技術已經(jīng)基本成熟，很多廠商已經(jīng)在大力生產， 各地也在進行充電站的建設。但蓄電池電動汽車的充電問題一直令研究者頭疼， 根據(jù)現(xiàn)有的應用成果， 一般的蓄電池充滿一半需要充電半小時， 完全充滿則要8 小時以上， 而且充滿電的汽車一般只能行駛100余公里。這顯然讓蓄電池電動汽車無法與內燃機汽車相提并論。因此， 充電技術的解決， 將極大推動蓄電池電動汽車的發(fā)展。

　　2 無線充電技術的歷史

　　在100多年以前， 有一個名叫Nikola Tesla的塞爾維亞裔美國電氣工程師和物理學家已經(jīng)在夢想著這樣一個不需要電線的世界，他在1891年發(fā)明“特斯拉線圈”，產生了頻率很高的無線高壓電流， 不過該高壓電的電流極小，無法應用在實際使用中。在當時， 特斯拉就利用這些線圈進行一系列實驗，開創(chuàng)了無線電力傳輸?shù)南群?。特斯拉曾?jīng)說過， 無線充電將是能讓電力事業(yè)繁榮的最終出路。1901年，特斯拉在紐約長島開始了他的研究，他的目標是，讓電能像收音機電波一樣跨越大洋。但是因為投資巨大，這項技術“胎死腹中”。

　　3 無線充電技術的發(fā)展現(xiàn)狀

　　雖然特斯拉線圈在當時并沒有得到推行， 但后人從理論上完全證實了這種方案的可行性，經(jīng)過多年研究，科學家們認為進行無線電力傳輸是可能的。無線電力傳輸是一種區(qū)別于有線傳輸?shù)奶厥夤╇姺绞?，目前它主要有電磁感應、電磁共振和無線電波等三種不同的方式。

　　3.1 電磁感應

　　這是目前最為常見的傳輸方式， 通過發(fā)射端和接收端的線圈相互感應產生電流，從而實現(xiàn)電力傳輸。2010年，某科技有限公司就展示的一款手機無線充電器，其利用的正是電磁感應原理。該方式的功率可達幾百瓦，但兩個線圈的距離不能超過1厘米， 而且終端產品的線圈與電路之間必須屏蔽以防止干擾，另外，發(fā)射端必須具有智能識別被充電產品的能力， 防止將能量傳輸給其他設備，造成能量浪費。

　　3.2 電磁共振

　　電磁共振是目前正在研究的一種電力傳輸方式。2008年，英特爾公司的工程師們曾以該項技術作為基礎，在距電源3英尺的地方點讓一個6 0 W的燈泡發(fā)光。經(jīng)過有關科學家測算，該方式的功率可達幾千瓦，距離也可達3～4m,但由于目前的實驗所需要的線圈直徑較大，還僅停留在實驗階段，另外，必須對其相應頻率進行保護，防止相同頻率的電磁波進行干擾， 降低效率。

　　3.2 無線電波

　　無線電波是另一種較為成熟的無線充電方式， 其原理與早期使用的礦石收音機相類似， 即利用微型高效接收電路捕捉從障礙物反射回來的無線電波， 然后將之轉化為穩(wěn)定的直流電壓。Powercast公司早在2007年便宣稱，可利用RF廣播在最多幾米以外的地方對小于蜂窩電話的消費電子設備進行充電。但該方式的功率低： 不超過100mW；距離短：不超過10m；效率低；充電時間長。

　　4 無線充電在電動汽車方面的應用

　　無線充電如何應用到電動汽車方面呢？下面， 我們將通過對充電地點、充電方式、充電電池的簡單研究分析，最終提出無線充電在電動汽車上的具體應用方法。

　　首先，充電地點的選擇。無線充電技術對充電器、被充電設備的距離和狀態(tài)有關，也就是說，二者之間的距離不能太大，且二者之間沒有相對運動， 否則就無法穩(wěn)定和有效的傳輸電力。因此充電的位置只能是汽車停留的地點， 即車庫、停車場、路口等位置， 公交車的充電裝置還可以設置在公交站點。當然，條件允許的地方或高速公路旁還可以專門設置充電站， 方便車輛的充電。

　　其次，充電方式的選擇。從三種充電方式中可以看出， 電磁感應充電所需要的距離太小，無線電波充電的效率太低，而電磁共振充電的距離、效率都能滿足蓄電池汽車的需要。

　　最后，對充電電池的選擇。電動汽車在城市中隨時都會進行充電， 因此必須要選擇無污染且沒有記憶效應的蓄電池進行充電。

　　經(jīng)過比選， 我們對無線充電在電動汽車的應用上有了比較清晰的思路： 一方面在道路及建筑工程建設中， 由電力供應單位根據(jù)規(guī)劃圖事先在路口、公共停車場的車位、單位或小區(qū)的停車位和車庫下面預埋無線充電的充電器， 并做好充電器與電網(wǎng)或太陽能電池板連接；另一方面，汽車生產廠家要在汽車底部安裝無線充電的接收裝置， 并與蓄電池等設備連接；另外， 國家相關部門要統(tǒng)一發(fā)射、接收信號的頻率，使其能夠通用。

　　5 無線充電技術在應用發(fā)展中應注意的問題

　?。?）國家要出臺相應的政策，鼓勵、扶持并規(guī)范無線充電汽車的發(fā)展和充電設施的建設。一個行業(yè)或企業(yè)，尤其是利國利民的行業(yè)或企業(yè)的發(fā)展，離不開國家的扶持。無線充電是一個剛剛起步的領域， 其有效的發(fā)展可以很大程度上解決電動汽車發(fā)展的一個瓶頸，但由于對其研發(fā)的投資巨大，這就更需要國家進行鼓勵和扶持， 以加快其研發(fā)進程，使其盡早得以應用。

　?。?）無論最終采用何種方式充電、采用何種蓄電池， 國家及各地方有關部門都要對其頻率、安全、環(huán)保、節(jié)能等方面進行研究，避免浪費、避免對人體健康產生不良影響、避免對環(huán)境造成新的污染，同時要宣傳到位， 避免人們對電磁的恐懼心理。

　?。?）在實際中，由于發(fā)射端置于地下，要注意對其的保護。

　?。?）在雨水較多的地區(qū)，除對地下設施的防水外， 車輛接收端的防水處理也是一個需要考慮的問題。

　　6 結語

　　無線充電技術目前還處于研發(fā)階段，但有許多國家已經(jīng)將其應用到手機、電腦、隨身聽等設備的充電上， 其中美國、韓國、日本等國家也開始了無線充電汽車的研究。隨著該技術的不斷完善，必將推動蓄電池汽車的發(fā)展，減少我們對石油的依賴，保護環(huán)境， 造福人類。