0.4 电磁共振式无线电能传输应用

目前无线电能传输在无线充电领域主要有电磁感应式和电磁共振式两种无线充电方式。由于电磁感应式无线电能传输存在传输距离短、耦合系数低、磁通分布不均等问题，影响了其发展。电磁共振式无线电能传输技术打破了电磁感应式依赖于松耦合变压器耦合系数的传统思路，给无线充电技术带来了突破，在无线充电领域具有广阔的应用前景。

1．电动汽车无线充电应用

当前，电动汽车主要以插电式混合动力和纯电动汽车为主，充电方式全部是接触式充电，充电设施主要包含分散式充电桩和集中式充换电站。

电动汽车有线充电主要存在的问题包括以下几个方面：①充电桩和充电站数量不足。与新能源汽车的爆发式发展相比，充电基础设施远远落后，快充需排队，慢充需要停车位，这种情况已阻碍电动汽车的发展。②接口标准难统一。如果没有统一的标准，每款车都需要配一个自己的充电桩，要换车就需要把充电桩一同换掉，这样充电桩无法通用，既制约了新能源汽车的普及，也增加了使用成本。③ 可充电的汽车数量有限。在快速充电中，多为直流充电，一次充电需要10～20min，10min把35kW的电池充电完成大约需要250kW的充电功率，是一个办公大楼用电负荷的5倍。④有线充电桩存在安全隐患。在实际使用中有很多的充电桩都是安装在露天环境的，露天环境就难免遭受风吹、雨淋、日晒，加上充电桩产品质量和标准的参差不齐，无形中都增加了安全隐患。

电动汽车采用无线充电可以解决接触式充电存在的问题。日本无线充电式混合动力巴士和日产魔方电动车采用电磁感应式充电方式，一次绕组埋入充电台的混凝土中，电动汽车开上充电台，车载二次绕组对准一次绕组后，车内的仪表板上的一个指示灯会亮，驾驶人按一下充电按钮就开始充电了。韩国电磁感应式无线充电观光车车载二次绕组，在铺有一次绕组的路面上行驶时，即可进行无线充电。

电动汽车无线充电示意如图0-15所示。高频变换电源将电网工频交流电源变换成高频电源，通过无线发射线圈发射，车载无线接收线圈接收电能，通过高频整流变换成直流电源对车载储能设备进行充电。

电动汽车采用无线充电的优点如下：①无线充电装置安装在停车位，电动汽车上安装无线电能接收部分，停车位地面下埋有无线发射线圈，高频变换电源安装在车侧面或埋在地下。对于家用电动汽车，可设定在晚上用电低谷点充电，可节约36%的电费。还可以在单位上班停车位上安装无线充电装置。②采用这种方案，高频变换电源可全封闭，变换电源和无线发射线圈之间的连线是埋在地面下的，电源进线也可以通过地下电缆连接，充电控制的操作在汽车上实现。对电动旅游观光车、电动公交车还可以实现区间站点快速充电技术，减小储能设备的容量（适用于可快速充电的储能设备）。

2．立体车库无线充电应用

充电立体车库就是将充电功能与立体车库这两个看似无关的系统结合在一起，当电动汽车停放在立体车库内时，通过安装在立体车库上的充电系统给电动汽车充电，在解决停车难的同时还能给电动汽车进行充电。更为重要的是，充电立体车库可在电网负荷低谷时段给电动汽车进行常规充电，对电网起到“填谷”作用，达到节能减排的效果。

目前立体车库充电解决方案多为充电桩配合外部电网进行充电的简单形式，虽然充电桩的外形多种多样，但内部构造如出一辙，这样的充电方式无论在平面车位还是在立体车库中都属于比较初级的方式，走线复杂，每个单桩均需要单独布线，铺设成本高，安全性低，充电效率较差，更重要的是单管单控，不利于整个停车场的充电管理和人员管理。无线充电技术可代替现有通过直接接触的导体来传输电能的技术。对于垂直循环类机械式停车设备，其立体车库采用架构式结构，吊车架和立体车库机架通过吊钩进行相对移动，其移动轨迹是椭圆形，因此吊车架和立体车库机架只在吊钩处有接触。如果采用滑环结构实现吊车架和立体车库机架之间的充电线路连接，则防水、稳定供电及电流控制较难实现。因此，采用无线电能传输方式实现垂直循环类机械式停车设备的新能源汽车充电是一种理想的选择。

3．电动客车无线充电应用

电动客车包括电动公交客车、旅游观光电动客车和电动巴士客车。发展电动客车对于缓解城市交通压力、保证环境可持续发展具有战略意义。电动客车充电方法包括接触式充电和无线充电。接触式充电采用受电弓与电线接触来导电，无线充电是以电磁场为媒介实现电能传递，将发射线圈和接收线圈分置于车外和车内，通过高频磁场的耦合传输电能。

与接触式充电相比，无线充电使用方便、安全、无火花及触电危险、无积尘、无接触损耗、无机械磨损和无相应的维护问题，可适应多种恶劣环境和天气，且充电设施隐蔽，不影响城市景观。无线充电便于实现无人自动充电和移动式充电，在保证所需行驶里程的前提下，可通过频繁充电来大幅减少电动客车配备的储能设备容量，减轻车体重量，提高能量的有效利用率。因此，采用无线充电技术的超级电容纯电动城市客车，尤其适合定点、定线行驶的公交客车运输，在客流量大、乘客上下车时间长的站台处，可采用停车充电；在人流稀少、无须停车的路面，在铺设无线充电装置的路面缓慢行驶中即可实现快速充电，是对现有的受电弓接触有线充电技术的改善和技术提升。

电动公交客车无线电能传输充电中超级电容储能运行过程如图0-16所示。图中电动公交客车内部黑色方框代表车载无线充电接收装置，外部路面中黑色方框代表地面无线充电发射装置。假设电动汽车从A站点出发，行驶至下一站点，沿途每隔一定距离设置B到M若干充电站点，在经过每一站点时，如有需要就可以实现无线充电。超级电容储能容量可根据两个站点的距离决定，每个站点安装一个充电电源并通过无线发射，每个站点公交车停站时间内可以进行无线充电，这样超级电容的容量只要保证相邻两站距离的容量即可，实际可适当增加容量。

4．物流电动车无线充电应用

电动引导车（Automatic Guided Vehicle，AGV）一般称为物流电动车，是以电池为动力源的一种自动操纵行驶的工业车辆，按物料搬运作业自动化、柔性化和准时化的要求，与自动导向系统、自动装卸系统、通信系统、电能传输系统等构成自动导向车系统（AGVS）。目前各种新型AGV被广泛地应用于各个领域，单元式AGV主要用于短距离的物料运输，并与自动化程度较高的加工设备组成柔性生产线，例如仓储货物的自动装卸和搬运；小型载货式AGV用于办公室信件的自动分发和电子行业的装配平台；多个载货平台式AGV组成移动式输送线，构成整车柔性装配生产线；小型AGV应用领域广泛，以长距离简单的路径规划为主。

物流电动车无线充电便于实现无人自动充电和移动式充电，还可以在保证储能设备可频繁充电的前提下，通过频繁充电来大幅减少物流电动车配备的储能设备容量，减轻车体重量，提高能量的有效利用率。超级电容器功率密度大，充放电时间短，大电流充放电特性好，寿命长，低温特性优于蓄电池，适合于频繁充电，这些优异的性能使它在物流电动车上有很好的应用前景，而减少储能设备容量可以降低物流电动车的初始购置成本。因此，采用无线充电技术的超级电容物流电动车可实现快速充电。

图0-17是物流电动车短时站点无线充电示意图。假设物流电动车从某站点出发，行驶至下一站点，沿途每隔一定距离设置若干充电站点，在经过每一站点时，如有需要就可以进行无线充电。超级电容储能容量可根据两个站点的距离决定，每个站点安装一个充电电源并通过无线发射，每个站点物流电动车停站时间内可以进行无线充电，这样超级电容的容量只要保证相邻两站距离的容量即可。

5．无人机无线充电应用

无人机的机载锂电池充电采用有线充电方式，需要通过人工频繁地插拔连接器进行充电，容易造成连接器部位的端子磨损氧化从而导致充电不良，若在潮湿或存在导电介质的环境中，也极容易引起插口短路。无人机定点平台无线充电系统包括在定点地面上放置的一个无线充电平台（内置无线充电发射端），以及无人机中内置的无线充电接收端，当无人机需要充电时，自动返回降落到地面的无线充电平台上进行自动充电。目前无人机定点平台无线充电方式是将无人机机载锂电池组放在起落脚平面上，这种方式的优点是无人机的无线电能接收线圈可以和地面发射线圈的距离很近，发射线圈和接收线圈的面积可以减小，系统的传输效率可以大大提高。缺点是机载锂电池组放在起落脚平面上，在无人机飞行时增加空气阻力，特别是高速飞行时尤为明显。如果无人机的起落架在飞行中需要收起，这种无线充电方式就不可用。

当无人机机载锂电池组放在机身内，无人机的无线电能接收线圈安装在无人机机身的底部，无人机降落在定点平台进行无线充电时，无人机机身底部的无线电能接收线圈和地面定点平台无线电能发射线圈的距离会增加，两个线圈的距离与无人机机身到地面的起落架高度有关。随着传输距离的增加，系统的电能传输效率是一个关键问题。可在发射线圈、接收线圈之间增加中继线圈，以解决传输距离、传输效率、复杂环境适应性和系统集成化等问题。在无人机降落在定点地面无线充电平台之前，中继线圈和地面发射线圈是靠紧的，如图0-18a所示。当无人机降落在定点地面无线充电平台上后，中继线圈自动升起，如图0-18b所示。研究表明，将中继线圈升到发射线圈和接收线圈的中间位置附近时，传输效率最高。当充电结束无人机起飞后，中继线圈自动降下到和发射线圈靠紧的位置。

6．水下无人潜航器无线充电应用

进入21世纪以来，水下无人潜航器无线充电技术发展迅速，2001年，美国研制的水下无人潜航器采用的水下无线充电技术为电磁感应式无线充电技术，充电效率为79%，传输功率为200W；2004年，日本研制的水下无线充电系统使用电磁感应式无线充电技术，采用了特殊形状铁氧体磁心和锥形线圈，充电效率为90%以上，传输功率为500W；2007年，美国研制的水下无线充电系统工作间隙为2mm，能量传输效率为70%以上，传输功率为250W；2012年，中国研制的水下设备无线充电系统，采用电磁感应式无线充电技术，工作间隙为8mm，充电效率75%，传输功率为500W；2012年，美国研制的水下无人航行器无线充电项目，充电功率为450W，设计最大充电能力为1.5kW/h；2017年，美国研发了一种基于谐振式无线充电技术的水下无人潜航器无线充电技术，并研究了海水在20kHz频率下无线电能传导能力弱的问题。

无线充电在小功率范围还可适用于家用电器，包括手机、电视机、厨房电器等，可以用一个电源向多个设备供电，除此之外，还有在电动工具、机器人等中大功率设备上的应用，无线充电将成为众多充电领域的发展趋势。