摘 要

本文旨在通过对电动汽车无线充电技术的综述，总结分析当前电动汽车无线充电的关键技术以及关键技术难点，联系相关行业的动态，对电动汽车无线充电未来的技术以及市场发展进行分析与预测，为汽车行业以及其他相关行业的发展方向提出参考意见。

本文主要研究了无线充电技术在汽车领域的发展情况，通过分析，指出更适用于汽车领域的技术，再叙述电动汽车无线充电技术的演进过程和应用现状，对关键技术和技术难点进行探讨，并且列举发展电动汽车无线充电技术的相关技术和必要条件，在此基础上，从技术、应用和市场三个方面分析电动汽车无线充电技术的未来发展。

研究结果表明：电磁感应式和磁场共振式是目前更适合应用于电动汽车领域的无线充电技术，而且电动汽车无线充电技术的发展不能只依靠自身技术水平的提高，同时还要关注相关技术和必要条件，并且借助国家政策的帮扶以及与其他行业的合作，来推广该项技术，提高用户认可度。

本文的特色在于：在较为全面的综述了电动汽车无线充电技术的前提下，采用专利分析和资料分析等方法，对该项技术的未来发展做了分析，具有一定的参考价值。

关键词：无线充电技术；充电效率；充电标准；充电网络

Abstract

This paper aims to the electric car review of wireless charging technology, summarizes the analysis of the current electric vehicle charging key technology and key technical difficulties, the dynamic contact related industry, for the future of the electric car wireless charging technology, and carries on the analysis and forecast of market development, for the automotive industry and other related industries the development direction of reference opinions are put forward.

This paper mainly studied the wireless charging technology in the development of automobile industry, through the analysis, pointed out that more suitable for the technology in the field of automobile, to describe the evolution of the electric car charging process and the application status quo, discusses the key technology and technical difficulties, and lists the relevant technology of the development of electric vehicle charging and the necessary conditions. On this basis, the future development of wireless charging technology for electric vehicles is analyzed from three aspects: technology, application and market.

The research results show that the electromagnetic induction type and magnetic resonance type is more suitable for application in the wireless charging technology in the field of electric vehicles, and the development of electric vehicle charging technology can not only rely on its own technical level enhancement, but also focus on related technologies and the necessary conditions, and with the support of national policy and cooperation with other industries, to promote the technology, improve the user credentials.

The characteristics of this paper: the premise of a relatively comprehensive review of the wireless charging technology of electric vehicles, patent analysis and data analysis are adopted to analyze the future development of this technology, which has a certain reference value.

Key Words：wireless charging technology；charging efficiency；charging standard；charging network

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的与意义 1

1.2 电动汽车无线充电技术国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 本文研究内容 4

第2章 电动汽车无线充电技术概述 6

2.1 电动汽车无线充电的类型 6

2.1.1 电磁感应式充电技术 7

2.1.2 电磁共振式充电技术 8

2.2 电动汽车无线充电的方法 10

2.2.1 静态充电 10

2.2.2 动态充电 10

2.3 电动汽车无线充电技术的演进过程 11

2.4 电动汽车无线充电技术的应用现状 12

2.5 本章小结 13

第3章 电动汽车无线充电的关键技术与技术难点 14

3.1 关键技术 14

3.1.1 能量传输鲁棒控制技术 14

3.1.2 电磁兼容技术 14

3.1.3 电磁耦合机构设计与优化技术 15

3.2 技术难点 16

3.2.1 互操作性 16

3.2.2 异物检测 16

3.2.3 引导对齐 17

3.3 本章小结 18

第4章 发展电动汽车无线充电技术的相关技术与必要条件 19

4.1 充电系统的改进 19

4.1.1 线圈 20

4.1.2 传感器 20

4.1.3 应用材料 21

4.2 标准规范化 21

4.3 研究人体安全防护方法 22

4.4 建设充电网络 23

4.5 数据通信 23

4.6 本章小结 24

第5章 电动汽车无线充电技术的未来发展 25

5.1 技术发展分析 25

5.1.1 重点研究线圈 26

5.1.2 使用新材料 27

5.2 应用发展分析 28

5.2.1 与国家电网合作建立全城充电网络 28

5.2.2 V2X 29

5.3 市场发展分析 30

5.3.1 国家政策支持 30

5.3.2 与电池行业共同发展 31

5.3.3 商业应用模式 31

5.4 本章小结 32

第6章 总结与展望 33

6.1 本文总结 33

6.2 未来展望 33

参考文献 35

致 谢 37

绪论

课题研究的目的与意义

电动汽车的出现，让汽车行业的发展有了一个崭新的开始，因为随着资源的日益紧张，能源变得多样化，汽车的动力不再仅仅来源于燃料，以电能为代表的新能源逐渐在汽车领域打开了市场，混合电动汽车与纯电动汽车的出现也开启了汽车的新纪元。新能源汽车作为传统车的升级，在资源日益紧张的情况下也是必然。目前进一步研究的是电池的续航能力以及充电设备的建设难度，虽然目前使用充电桩充电的方式也发展的还可以，但是依然存在不少难题，比如充电过程存在安全隐患，充电桩覆盖面积还不够广等等，而且目前电池的续航能力也处在待提升的阶段中，且电池快换技术也仅仅适用于公共汽车等体积相对较大的公交系统上^[1]。由于这些原因，电动汽车暂时进入了一个短暂的瓶颈期，于是无线充电技术踏上了汽车世界的舞台。

无线充电技术的出现可以追溯到19世纪，但是无线充电技术得到重视和开始发展的时间，却是在20世纪90年代，新西兰奥克兰大学作为最早的研究团队重新开始研究之后。通过这大半个世纪的发展，无线充电技术已经较为成熟的使用在了小功率设备如手机、MP3等设备上，消费电子的无线充电技术已经向着标准化、小型化上发展，随着无线充电技术在汽车上的使用，电动汽车的无线充电技术市场也注入了新的活力，根据目前的有线充电技术的发展水平以及电动汽车的发展现状来看，研究汽车无线充电技术具有以下几个方面的意义：

（1）无线充电技术的出现，可以解决充电桩覆盖面积不广，汽车充电麻烦、充电设备暴露在外，充电过程存在安全隐患等问题。

（2）短时间内在电池技术无法突破的情况下，充电方式的改变就是一种必然，无线充电技术在汽车领域有非常好的发展前景，并且汽车无线充电技术也已经取得了很多的成果，包括静态充电技术的逐渐成熟以及“驾驶充电”概念的提出与实践应用。

（3）无线充电技术的发展与普及，对新能源汽车尤其是电动汽车的受欢迎度都会起到重要的作用，而且无线充电技术的发展可以带动电池行业以及共享电动车等各方面的发展。

但是尽管如此，无线充电技术也还是存在一些问题，比如，无线充电设备投入成本高、无线充电技术的标准还没安全统一等问题，因此本文将对汽车无线充电技术的发展进行研究与探讨，并通过综述汽车无线充电技术，对该项技术的未来发展做展望。

电动汽车无线充电技术国内外研究现状

无线充电技术，实质上就是通过电场与磁场进行能量转换与传输的过程。无线充电技术的出现让电子消费市场变得生机勃勃，在汽车领域的应用也越来越广泛，新能源汽车市场的潜力也随着汽车无线充电技术的不断完善而凸显了出来，焕发出新的活力,在各国研究机构的努力下，汽车无线充电技术的研究进展也比较迅速，汽车无线充电技术也愈来愈成熟，如今也已经有很多研究成果被应用于实践当中，下面就对国内外的汽车无线充电技术的研究现状做一个简单的概述。

国外研究现状

对于无线充电技术的研究，国外相对来说较早，最早提出无线充电设想的是外国的尼古拉•特斯拉，但是该设想并未得到重视，直到新西兰的奥克兰大学成为了重新开始研究汽车无线充电技术的第一所高校，该校的团队最早将无线充电技术应用于汽车上的团队，他们不仅仅在设计线圈时，考虑到了停车线圈需要对其位置的问题，设计了很多的新结构来进行补偿，而且首次提出能量在电网和电动汽车之间的双向传递机制。这是汽车无线充电技术最早的研究实例，正是因为有了奥克兰大学以及之后提出磁谐振理论的麻省理工学院，无线充电技术才慢慢的得到了重视，走进了科研者们的实验室，经过近一个世纪的发展，国外对于汽车无线充电技术的研究也越来越多。

从汽车无线充电技术的研究进程来看，日本是属于比较早踏入这个领域的国家之一，其中还有美国、英国等等。2007年麻省理工学院提出谐振式无线充电技术以后，日本长野无线公司就开发出了第一个基于磁共振技术的充电系统，在6mm以内的传输距离，这个系统就可以确保充电效率达到90%^[2]。2011年,日本IHI株式会社采用了美国WiTricity公司的磁共振无线供电技术，该公司使用MIT技术，设计出了新型的充电系统，在保证充电效率依然能达到90%以上的前提下，将传输距离增大至20cm，并且充电输出功率能达到3.3kw。

2016年，美国橡树岭国家实验室研究团队研究出了一个充电效率可以达到90%的20千瓦的充电系统，这个无线充电系统不仅仅在结构上与众不同，用到了逆变电源、隔离变压器和车侧电子的耦合技术，并且与传统的插电式电动汽车的充电速度相比，该系统提高了三倍之多。目前研究人员正计划将这项技术与设计、标准化、量产化相结合，然后运用到丰田汽车的生产当中。在这基础上，研究人员也做了更长远的计划，希望能够设计出50千瓦的大功率的无线充电系统，与市场上的插式快速充电器的功率匹配。这个项目得到了美国能效和可再生能源汽车技术办公室的支持，该项目奖的成功或许可以增强消费者对电动汽车的信心，也提前为这一技术的市场化做准备。

在汽车无线充电标准方面，国外也是率先建立了标准体系。2008年12月，WPC联盟成立，四年以后，PMA联盟和P4MA联盟相继问世，并且都建立了各自的标准体系，WPC，即QI和PMA、A4WP，WPC作为全球率先推动无线充电技术标准的国际化组织，经过长时间的发展，也是目前全球范围内最大的无线充电标准组织，但是这几个标准都不能完全应用于汽车领域。目前最新的电动汽车无线充电国际规范——SAE TIR J2954，是由美国标准化组织SAE在2016年正式发布的，这个规范包含了混插式以及全电动汽车无线充电技术的行业标准，作为第一个关于电动汽车无线充电的行业标准，得到了包括福特、本田在内的多家汽车公司的支持，目前，这个规范规定了四个等级的插电以及全电动汽车无线能量传输水平，将来也许会根据实际情况再进行调整或是增加等级，这对解决不同生产商、充电站的无线充电设备与同一家汽车制造商不兼容的问题来说，意义重大。

还有很多国家在汽车无线充电的其他方向上取得了不错的进展，韩国先进科技学院自2009年就开始研究无线充电技术，开发了一套On-Line electric vehicle的动态无线充电技术，目前，第4代产品都已经问世；美国密歇根大学的米春亭教授则与他的团队，研究了针对电动汽车无线充电应用新型的补偿网络，并提出了LCC补偿拓扑；包括丰田、日产等很多国外企业和知名大学也都在积极探索，加快汽车无线充电产业的布局。

国内研究现状

我国在汽车无线充电技术上的研究进展虽然比国外的进展慢一些，但是目前也有很多的高校以及企业投入到研究中，包括清华大学、哈尔滨工业大学、东南大学等科研院校以及北京、上海在内城市的一些高科技企业。

南方电网广西电力科学研究院的祝文姬博士和她的科研团队自2012年开始，历经四年，开发了无线电能传输系统工程设计平台，研制了驻停式电动汽车无线充电装置，并且成功建成了国内第一条电动汽车无线供电小型试验车道。该项目将电能转换效率提高到了85%，以远高于原计划的成绩攻克了汽车无线供电技术的难关，达到了世界的领先水平。

清华大学的“最汽车”团队，则在2014年，成功研究出了可以自由角度无线充电的装置。该团队的研究主要是针对充电过程中因为线圈位置偏移而导致效率降低的问题。该团队自行研究设计出了实验装置，该装置可以自动找到磁场方向对其接受能量，通过这个装置，找到了利用三个电磁线圈相互垂直进行测量和接收的方法。经过实验验证，装置中的线圈可以自由转动，对准磁场方向，主动获取磁场能量，从而实现在发射线圈附近任意位置的有效充电。目前国外的有角度要求的无线充电技术，最大的充电距离可以达到9m，而现阶段无线充电距离的限制主要是因为高频电流，若此项技术能够运用到实际的无线充电设备上，沿着公路建起无线充电系统，其覆盖距离可以达到18m。

新能源汽车产业作为我国战略性的新兴产业，最近的十几年来紧跟着国际脚步。在电路软开关的研究方面，重庆大学孙跃教授的团队和哈尔滨工业大学朱春波教授均作了长时间的研究，其中重庆大学的师生主要对逆变电路的软开关进行了很多研究，而哈尔滨工业大学的团队则是侧重于驱动电路的软开关特性。在电动汽车规范方面，2015年，中兴能源汽车作为发起者，带动了深圳发布了包含了 《总则》、《通信协议》、《地面设施》在内的10个部分的无线充电地方标准，截止发布时间，这个电动汽车规范的体系最为完整、也拥有最详尽的条目，这一标准的发布也推动了各个省市建立自己的标准，这对全国的无线充电技术规范建立乃至国际无线充电标准的规范化都是有一定推进作用的。

我国虽然对于汽车无线充电技术的研究开始的晚一些，但是从进入这个领域开始，各大高校和企业也在逐步投入研究，不仅仅是上述列举的例子，还有宁德时代、第一汽车集团等在内的多家公司也都在展开研究，中兴公司也是无线充电技术领域的佼佼者，其产品已经覆盖了感应式无线充电技术、异物检测等多项技术，并且提出了多种无线充电方案以及系统等等，相信，在不久的将来，我国汽车无线充电技术的发展会更上一层楼。

本文研究内容

本文旨在对电动汽车无线充电技术进行总体概述的基础上，全面综述分析当前电动汽车无线充电的关键技术、技术发展水平、技术路线、技术应用条件和关键技术难点，在此基础上，对电动汽车无线充电技术市场的未来发展进行分析。本文各章节的主要内容安排如下：

第一章为绪论，主要介绍课题研究的背景和意义，然后分析国内外关于汽车无线充电技术的研究现状，主要是以各国的研究课题和研究方向为例。

第二章是汽车无线充电技术概述。首先介绍无线充电的三种技术，再从工作频率和传输效率等分析它们各自的特点，得出感应式无线充电技术和磁场共振式充电技术是目前应用在汽车领域前景比较好的两种，最后再分别介绍静态充电和动态充电两种方法，还分析了汽车无线充电技术的演进过程和应用现状。

第三章主要写的关键技术和技术难点。介绍了能量传输鲁棒控制技、电磁兼容技术以及电磁耦合机构设计与优化技术三种关键技术，再对汽车而无线充电的技术难点进行分析，最后举了几个汽车无线充电技术的应用实例，分析汽车无线充电技术在实际运用中的问题。

第四章写的是发展电动汽车无线充电技术的相关技术和必要条件。主要从充电系统、标准制定、数据通讯、充电网络建设几个方面进行分析，分析这些影响因素对发展电动汽车无线充电技术的必要性，分析充电系统时主要以线圈、传感器和应用材料为主，分析了它们对系统充电效率的影响。

第五章写的是汽车无线充电技术的未来发展预测。主要通过专利分析的方法从技术、市场、应用三个方向对汽车无线充电技术的未来做了分析与预测。