详解电动汽车的非接触充电方式及原理

电动汽车的充电装置相当于汽车燃料的加注站，当国内开始大张旗鼓地建设有线充电桩和充电站时，国外涌现出了三种非接触式电动汽车充电装置，并不同程度地进入了商业化运营。
非接触充电装置有哪些类型？基本工作原理是什么？它的充电效率、安全性、便利性如何？这些，都是人们所关注的。

非接触充电装置的类型

非接触充电装置有电磁感应、磁共振、微波三种方式（表1）。

非接触充电装置的优势

与电动汽车相比，传统燃料汽车不仅在使用便利性、整备质量、续驶能力、制造和使用成本等方面存在诸多优势，而且燃料补充也无需消耗更多的时间。

电动汽车不但充电时间长，更换电池或利用充电桩等通过电缆充电的模式，也存在操作上的不便，而且雨天作业的安全性问题，更是令人担忧。

相比而言， 非接触充电装置不需要用电缆将车辆与供电系统连接，便可以直接对其进行快速充电。加之非接触快速充电能够布置在停车场、住宅、路边等多种场所，又可以为各种类型的电动汽车（包括插电式混合动力汽车）提供充电服务，使电动汽车随时随地充电变为可能。对于公交车，可以将充电设施布置在终点站、枢纽站、换乘站等地点，利用短暂的停车时间便可以完成快速充电。

非接触充电装置的工作原理

一、电磁感应方式

电磁感应通过送电线圈和接收线圈之间传输电力，是最接近实用化的一种充电方式。当送电线圈中有交变电流通过时，发送（初级）、接收（次级）两线圈之间产生交替变化的磁束，由此在次级线圈产生随磁束变化的感应电动势，通过接收线圈端子对外输出交变电流（图1）。

目前存在的问题是：送电距离比较短（约100mm左右），并且送电与接受两部分出现较大偏差时，则电力传输效率就会明显下降；功率大小与线圈尺寸直接相关，需要大功率传送电力时，须在基础设施建设和电力设备方面加大投入。

二、磁共振方式

磁共振传送方式由美国麻省理工学院（MIT）于2007年研制成功，公诸于世以来，一直备受世界各国的普遍关注。
它主要由电源、电力输出、电力接收、整流器等主要部分组成，原理与电磁感应方式基本相同。电源传送部分有电流通过时，所产生的交变磁束使接收部分产生电势，为电池充电时输出电流。

与电磁感应充电方式不同之处在于，磁共振方式加装了一个高频驱动电源，采用兼备线圈和电容器的LC共振电路，而并非由简单线圈构成送电和接收两个单元。

共振频率的数值，会随送电与接收单元之间距离的变化而改变。当传送距离发生改变时，传输效率也会像电磁感应一样迅速降低。为此，可通过控制电路调整共振频率，使两个单元的电路发生共振，即“共鸣”。所以，这种磁共振状态也称为“磁共鸣”。

在控制回路的作用下改变传送与接收的频率，可将电力传送距离增大至数米左右，同时将两单元电路的电阻降至最小以提高传送效率。

当然，传输效率还与发送与接收电单元的直径相关，传送面积越大，传输效率也越高。目前的传输距离可达400mm左右，传输效率可达95%。　

三、微波方式

使用2.45GHz的电波发生装置传送电力，发送装置与微波炉使用的“磁控管”基本相同。传送的微波也是交流电波，可用天线在不同方向接收，用整流电路转换成直流电为汽车电池充电（图2）。

为防止充电时微波外漏，充电部分装有金属屏蔽装置。使用中，送电与接收之间的有效屏蔽可防止微波外漏。
目前存在的主要问题是，磁控管产生微波时的效率过低，造成许多电力变为热能被白白消耗。

非接触充电装置在日本的应用

2009年7月，日产与昭和飞行机公司公开了电磁感应式非接触充电系统，其传输距离为100mm左右，传输效率可达90%。

但是，当停车位置出现偏差而导致发送与接收盘之间出现较大误差时，则会严重影响电力传送效率。目前，研究人员正在致力于停车的横、纵向偏差在200～300mm范围内，同样确保其具有90%以上传输效率的研究。

此外，上述两家公司对传送、接收装置之间进入动物以及金属碎片等造成的不良影响也进行了研究。因为，这类异物会在二者之间产生涡流，从而导致发热并影响传送效率。

长野日本无线公司于2009年8月宣布开发出了基于磁共振的充电系统。与电磁感应方式相比，磁共振方式具有传送距离长、停车误差要求低等优点。可以在600mm的传输距离内确保90%的传送效率。但目前的传送功率还比较小（约1kW左右），拟定从叉车等使用范围进入市场，伴随着技术成熟程度和传送功率的提高，有望很快进入电动车充电领域。

三菱重工开发的微波式非接触充电系统，将一组共48个硅整流二极管作为接收天线，每个硅整流二极管可产生20V的电压和一定的直流电，能够将电压提升至充电所需的指标并可实现1kW的功率输出。其优点是成本低，整套费用约合人民币2万元。缺点是传输效率低，目前的传送效率只有38%。对此，三菱重工认为：“虽不适于快速充电，但作为夜间谷区充电，电费只有传统燃料费的10%～20%。如果将发热过大的磁控管用于生活用水加热，则综合效率可到70%。此外，在安全方面也有防止微波泄露装置，使用中不会给车辆上的电子设备和周边人员身上的心脏起搏器造成影响。

非接触充电方式一经问世，便得到了世界各国的普遍关注，同样也值得国内同行学习与借鉴。与充电站、充电桩的建设投资相比成本较低，并且免去了接线所需的操作和等待的时间，具有布置灵活、使用便利、安全可靠等绝对优势。