0.4 電磁共振式無線電能傳輸應用

目前無線電能傳輸在無線充電領域主要有電磁感應式和電磁共振式兩種無線充電方式。由于電磁感應式無線電能傳輸存在傳輸距離短、耦合系數低、磁通分布不均等問題，影響了其發展。電磁共振式無線電能傳輸技術打破了電磁感應式依賴于松耦合變壓器耦合系數的傳統思路，給無線充電技術帶來了突破，在無線充電領域具有廣闊的應用前景。

1．電動汽車無線充電應用

當前，電動汽車主要以插電式混合動力和純電動汽車為主，充電方式全部是接觸式充電，充電設施主要包含分散式充電樁和集中式充換電站。

電動汽車有線充電主要存在的問題包括以下幾個方面：①充電樁和充電站數量不足。與新能源汽車的爆發式發展相比，充電基礎設施遠遠落后，快充需排隊，慢充需要停車位，這種情況已阻礙電動汽車的發展。②接口標準難統一。如果沒有統一的標準，每款車都需要配一個自己的充電樁，要換車就需要把充電樁一同換掉，這樣充電樁無法通用，既制約了新能源汽車的普及，也增加了使用成本。③ 可充電的汽車數量有限。在快速充電中，多為直流充電，一次充電需要10～20min，10min把35kW的電池充電完成大約需要250kW的充電功率，是一個辦公大樓用電負荷的5倍。④有線充電樁存在安全隱患。在實際使用中有很多的充電樁都是安裝在露天環境的，露天環境就難免遭受風吹、雨淋、日曬，加上充電樁產品質量和標準的參差不齊，無形中都增加了安全隱患。

電動汽車采用無線充電可以解決接觸式充電存在的問題。日本無線充電式混合動力巴士和日產魔方電動車采用電磁感應式充電方式，一次繞組埋入充電臺的混凝土中，電動汽車開上充電臺，車載二次繞組對準一次繞組后，車內的儀表板上的一個指示燈會亮，駕駛人按一下充電按鈕就開始充電了。韓國電磁感應式無線充電觀光車車載二次繞組，在鋪有一次繞組的路面上行駛時，即可進行無線充電。

電動汽車無線充電示意如圖0-15所示。高頻變換電源將電網工頻交流電源變換成高頻電源，通過無線發射線圈發射，車載無線接收線圈接收電能，通過高頻整流變換成直流電源對車載儲能設備進行充電。

電動汽車采用無線充電的優點如下：①無線充電裝置安裝在停車位，電動汽車上安裝無線電能接收部分，停車位地面下埋有無線發射線圈，高頻變換電源安裝在車側面或埋在地下。對于家用電動汽車，可設定在晚上用電低谷點充電，可節約36%的電費。還可以在單位上班停車位上安裝無線充電裝置。②采用這種方案，高頻變換電源可全封閉，變換電源和無線發射線圈之間的連線是埋在地面下的，電源進線也可以通過地下電纜連接，充電控制的操作在汽車上實現。對電動旅游觀光車、電動公交車還可以實現區間站點快速充電技術，減小儲能設備的容量（適用于可快速充電的儲能設備）。

2．立體車庫無線充電應用

充電立體車庫就是將充電功能與立體車庫這兩個看似無關的系統結合在一起，當電動汽車停放在立體車庫內時，通過安裝在立體車庫上的充電系統給電動汽車充電，在解決停車難的同時還能給電動汽車進行充電。更為重要的是，充電立體車庫可在電網負荷低谷時段給電動汽車進行常規充電，對電網起到“填谷”作用，達到節能減排的效果。

目前立體車庫充電解決方案多為充電樁配合外部電網進行充電的簡單形式，雖然充電樁的外形多種多樣，但內部構造如出一轍，這樣的充電方式無論在平面車位還是在立體車庫中都屬于比較初級的方式，走線復雜，每個單樁均需要單獨布線，鋪設成本高，安全性低，充電效率較差，更重要的是單管單控，不利于整個停車場的充電管理和人員管理。無線充電技術可代替現有通過直接接觸的導體來傳輸電能的技術。對于垂直循環類機械式停車設備，其立體車庫采用架構式結構，吊車架和立體車庫機架通過吊鉤進行相對移動，其移動軌跡是橢圓形，因此吊車架和立體車庫機架只在吊鉤處有接觸。如果采用滑環結構實現吊車架和立體車庫機架之間的充電線路連接，則防水、穩定供電及電流控制較難實現。因此，采用無線電能傳輸方式實現垂直循環類機械式停車設備的新能源汽車充電是一種理想的選擇。

3．電動客車無線充電應用

電動客車包括電動公交客車、旅游觀光電動客車和電動巴士客車。發展電動客車對于緩解城市交通壓力、保證環境可持續發展具有戰略意義。電動客車充電方法包括接觸式充電和無線充電。接觸式充電采用受電弓與電線接觸來導電，無線充電是以電磁場為媒介實現電能傳遞，將發射線圈和接收線圈分置于車外和車內，通過高頻磁場的耦合傳輸電能。

與接觸式充電相比，無線充電使用方便、安全、無火花及觸電危險、無積塵、無接觸損耗、無機械磨損和無相應的維護問題，可適應多種惡劣環境和天氣，且充電設施隱蔽，不影響城市景觀。無線充電便于實現無人自動充電和移動式充電，在保證所需行駛里程的前提下，可通過頻繁充電來大幅減少電動客車配備的儲能設備容量，減輕車體重量，提高能量的有效利用率。因此，采用無線充電技術的超級電容純電動城市客車，尤其適合定點、定線行駛的公交客車運輸，在客流量大、乘客上下車時間長的站臺處，可采用停車充電；在人流稀少、無須停車的路面，在鋪設無線充電裝置的路面緩慢行駛中即可實現快速充電，是對現有的受電弓接觸有線充電技術的改善和技術提升。

電動公交客車無線電能傳輸充電中超級電容儲能運行過程如圖0-16所示。圖中電動公交客車內部黑色方框代表車載無線充電接收裝置，外部路面中黑色方框代表地面無線充電發射裝置。假設電動汽車從A站點出發，行駛至下一站點，沿途每隔一定距離設置B到M若干充電站點，在經過每一站點時，如有需要就可以實現無線充電。超級電容儲能容量可根據兩個站點的距離決定，每個站點安裝一個充電電源并通過無線發射，每個站點公交車停站時間內可以進行無線充電，這樣超級電容的容量只要保證相鄰兩站距離的容量即可，實際可適當增加容量。

4．物流電動車無線充電應用

電動引導車（Automatic Guided Vehicle，AGV）一般稱為物流電動車，是以電池為動力源的一種自動操縱行駛的工業車輛，按物料搬運作業自動化、柔性化和準時化的要求，與自動導向系統、自動裝卸系統、通信系統、電能傳輸系統等構成自動導向車系統（AGVS）。目前各種新型AGV被廣泛地應用于各個領域，單元式AGV主要用于短距離的物料運輸，并與自動化程度較高的加工設備組成柔性生產線，例如倉儲貨物的自動裝卸和搬運；小型載貨式AGV用于辦公室信件的自動分發和電子行業的裝配平臺；多個載貨平臺式AGV組成移動式輸送線，構成整車柔性裝配生產線；小型AGV應用領域廣泛，以長距離簡單的路徑規劃為主。

物流電動車無線充電便于實現無人自動充電和移動式充電，還可以在保證儲能設備可頻繁充電的前提下，通過頻繁充電來大幅減少物流電動車配備的儲能設備容量，減輕車體重量，提高能量的有效利用率。超級電容器功率密度大，充放電時間短，大電流充放電特性好，壽命長，低溫特性優于蓄電池，適合于頻繁充電，這些優異的性能使它在物流電動車上有很好的應用前景，而減少儲能設備容量可以降低物流電動車的初始購置成本。因此，采用無線充電技術的超級電容物流電動車可實現快速充電。

圖0-17是物流電動車短時站點無線充電示意圖。假設物流電動車從某站點出發，行駛至下一站點，沿途每隔一定距離設置若干充電站點，在經過每一站點時，如有需要就可以進行無線充電。超級電容儲能容量可根據兩個站點的距離決定，每個站點安裝一個充電電源并通過無線發射，每個站點物流電動車停站時間內可以進行無線充電，這樣超級電容的容量只要保證相鄰兩站距離的容量即可。

5．無人機無線充電應用

無人機的機載鋰電池充電采用有線充電方式，需要通過人工頻繁地插拔連接器進行充電，容易造成連接器部位的端子磨損氧化從而導致充電不良，若在潮濕或存在導電介質的環境中，也極容易引起插口短路。無人機定點平臺無線充電系統包括在定點地面上放置的一個無線充電平臺（內置無線充電發射端），以及無人機中內置的無線充電接收端，當無人機需要充電時，自動返回降落到地面的無線充電平臺上進行自動充電。目前無人機定點平臺無線充電方式是將無人機機載鋰電池組放在起落腳平面上，這種方式的優點是無人機的無線電能接收線圈可以和地面發射線圈的距離很近，發射線圈和接收線圈的面積可以減小，系統的傳輸效率可以大大提高。缺點是機載鋰電池組放在起落腳平面上，在無人機飛行時增加空氣阻力，特別是高速飛行時尤為明顯。如果無人機的起落架在飛行中需要收起，這種無線充電方式就不可用。

當無人機機載鋰電池組放在機身內，無人機的無線電能接收線圈安裝在無人機機身的底部，無人機降落在定點平臺進行無線充電時，無人機機身底部的無線電能接收線圈和地面定點平臺無線電能發射線圈的距離會增加，兩個線圈的距離與無人機機身到地面的起落架高度有關。隨著傳輸距離的增加，系統的電能傳輸效率是一個關鍵問題。可在發射線圈、接收線圈之間增加中繼線圈，以解決傳輸距離、傳輸效率、復雜環境適應性和系統集成化等問題。在無人機降落在定點地面無線充電平臺之前，中繼線圈和地面發射線圈是靠緊的，如圖0-18a所示。當無人機降落在定點地面無線充電平臺上后，中繼線圈自動升起，如圖0-18b所示。研究表明，將中繼線圈升到發射線圈和接收線圈的中間位置附近時，傳輸效率最高。當充電結束無人機起飛后，中繼線圈自動降下到和發射線圈靠緊的位置。

6．水下無人潛航器無線充電應用

進入21世紀以來，水下無人潛航器無線充電技術發展迅速，2001年，美國研制的水下無人潛航器采用的水下無線充電技術為電磁感應式無線充電技術，充電效率為79%，傳輸功率為200W；2004年，日本研制的水下無線充電系統使用電磁感應式無線充電技術，采用了特殊形狀鐵氧體磁心和錐形線圈，充電效率為90%以上，傳輸功率為500W；2007年，美國研制的水下無線充電系統工作間隙為2mm，能量傳輸效率為70%以上，傳輸功率為250W；2012年，中國研制的水下設備無線充電系統，采用電磁感應式無線充電技術，工作間隙為8mm，充電效率75%，傳輸功率為500W；2012年，美國研制的水下無人航行器無線充電項目，充電功率為450W，設計最大充電能力為1.5kW/h；2017年，美國研發了一種基于諧振式無線充電技術的水下無人潛航器無線充電技術，并研究了海水在20kHz頻率下無線電能傳導能力弱的問題。

無線充電在小功率范圍還可適用于家用電器，包括手機、電視機、廚房電器等，可以用一個電源向多個設備供電，除此之外，還有在電動工具、機器人等中大功率設備上的應用，無線充電將成為眾多充電領域的發展趨勢。