厚勢按：電動汽車的傳統(tǒng)充電方式容易受到天氣,、硬件質(zhì)量、接口標準等原因的影響,，在一定程度上制約了電動汽車產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。無線充電技術(shù)的應(yīng)用可以克服上述這些問題,，因充電時無需直接接觸,，避免了統(tǒng)一充電接口制式的需求，使用方便安全,。

從商業(yè)應(yīng)用著手,，對電動汽車無線充電技術(shù)進行研究，首先介紹了無線充電技術(shù)的基本原理和典型的充電技術(shù),。在整理和歸納國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上,，針對無線充電技術(shù)應(yīng)用方面的難點和挑戰(zhàn)提出了相應(yīng)的解決思路。最后,，在現(xiàn)有應(yīng)用實例的基礎(chǔ)上，提出了 3 種可行的電動汽車無線充電的商業(yè)運營模式,。

本文為廣東電力交易中心與西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 2017 年 6 月 20 日聯(lián)合發(fā)表在《陜西電力》上的論文《基于商業(yè)應(yīng)用的電動汽車無線充電技術(shù)研究綜述》,。

0. 引言

近年來，中國大部分地區(qū)一到秋冬季節(jié),，就飽受霧霾困擾,，而且有愈演愈烈的趨勢。隨著環(huán)境問題的日益突出,。電動汽車作為低碳環(huán)保的出行工具,，被許多國家認為是未來汽車發(fā)展的方向，并確定為保障能源安全,、轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟的重要途徑 [1-2],。然而。作為有效緩解當前能源與環(huán)境問題的交通方式,，電動汽車的發(fā)展,、推廣與應(yīng)用正面臨著諸多的制約因素的挑戰(zhàn)，諸如動力電池成本與性能、電動汽車能源供給基礎(chǔ)設(shè)施,、電動汽車大規(guī)模無序充電對電網(wǎng)的影響等 [3-4],。

在電動汽車能源供給基礎(chǔ)設(shè)施方面，電池和充電樁是關(guān)鍵,。2015 年發(fā)布的《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020）》中提到,，預(yù)計到 2020 年可滿足超過 233 萬輛電動汽車的充電需求，新增集中式充換電站超過 4300 座,，分散式充電樁超過 220 萬個 [5],。在傳統(tǒng)的電動汽車充電方式中，充電接口制式必須統(tǒng)一,，不同國家地區(qū),、不同汽車制造商都有自己的充電標準，這無疑為電動汽車的發(fā)展造成了不小的阻礙,。

無線充電也稱為非接觸能量傳輸技術(shù),，是利用電磁場或電磁波進行能量傳遞 [6-7]。作為一種新型的充電技術(shù),，電動汽車無線充電技術(shù)相較于傳統(tǒng)的有線充電方式,，避免了機械磨損，可適應(yīng)多種惡劣環(huán)境和天氣,，同時具有更高的通用性,。相較于各式各樣的有線充電接口制式，無線充電制式只有固定的幾種,。這無疑給電動汽車生產(chǎn)廠商提供更大的發(fā)揮空間,，推進了電動汽車的市場化。

本文首先介紹了電動汽車無線充電技術(shù)的基本原理,。分析了無線充電技術(shù)相對于接觸式充電在電動汽車充電領(lǐng)域的優(yōu)勢,，并對常見的無線充電技術(shù)進行了比較。進而,，在綜合分析國內(nèi)外文獻資料的基礎(chǔ)上,，歸納了幾種典型的無線充電技術(shù)在應(yīng)用中遇到的挑戰(zhàn)。最后,，針對國內(nèi)外汽車制造企業(yè)在無線充電技術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀,，以及傳統(tǒng)充電模式的運營模式，總結(jié),、提煉了無線充電技術(shù)商業(yè)應(yīng)用方面可行的運營方式,。

1. 電動汽車無線充電技術(shù)的應(yīng)用研究

圖 1  電動汽車進行無線充電的基本原理

與傳統(tǒng)動力電池采用插頭充電的方式不同，電動汽車在利用無線充電時,，無需通過接觸插座內(nèi)的接口來傳輸電能,。其充電原理與變壓器的工作原理類似,，以電磁場為媒介，將其一次,、二次線圈分置于車外和車內(nèi),，通過高頻磁場的耦合傳輸電能 [8-9]。如圖 1 所示,。在利用無線充電技術(shù)給電動汽車充電時,，充電系統(tǒng)主要由 3 部分組成：電源側(cè)發(fā)射端、發(fā)射/接收線圈和電動汽車側(cè)接收端,。

目前,，常見的無線充電方式都是利用交變電磁場的電磁感應(yīng)原理，從而在非接觸式條件下實現(xiàn)電能的傳輸,，典型的充電技術(shù)主要分為感應(yīng)式,、共振式和微波傳輸式 3 種 [10]。

感應(yīng)式充電是當前應(yīng)用最成熟,、最廣泛的無線充電技術(shù),，其原理是在發(fā)送端和接收端各接 1 個線圈，通過給發(fā)送端的線圈通一定頻率的交流電,，在次級線圈中感應(yīng)出一定的電流,，從而實現(xiàn)能量的傳輸 [11]。這種充電方式下,，傳輸功率一般可以達到幾百瓦,，但是傳輸距離比較近，通常不超過 10 cm,。感應(yīng)式充電技術(shù)對充電位置要求較高,，當設(shè)備收發(fā)方位置完全重合時，能量效率達到峰值,，隨著位置偏差的增大,，能量效率會出現(xiàn)快速的衰減。

與感應(yīng)式充電不同,，共振式充電是通過向電能接受端和電源發(fā)射端在同一時間通入相同頻率交流電來實現(xiàn)能量的交換 [12]。共振式充電技術(shù)的傳輸距離比普通感應(yīng)式更遠一些,，可以達到 3~4 m,，傳輸功率可達幾千瓦．充電效率一般在 50％ 左右。

微波傳輸此前更多出現(xiàn)在科幻電影中,，傳輸距離遠,，甚至可以實現(xiàn)航天器與地面之間的能量傳輸，但是受限于傳輸功率較小,，其傳輸功率低于感應(yīng)式和共振式的傳輸功率 [13],。

表 1  常見無線充電技術(shù)基本原理

如表 1 所示,，這 3 種無線充電技術(shù)各有利弊，感應(yīng)式充電雖然傳輸效率高,，但是傳輸距離短,，而且只有在充電的位置精確時，才能高效充電,。共振式和微波傳輸式充電雖然傳輸距離長,，但是充電效率低，均不超過 50％,。

相較于傳統(tǒng)的接觸式充電技術(shù),，無線充電技術(shù)雖然有諸多的優(yōu)點，例如使用方便,、安全,，受惡劣極端天氣影響小，避免了機械磨損問題,，無火花及觸電危險等,，但其發(fā)展仍舊受很多因素的限制 [14]。國內(nèi)外的研究關(guān)注點主要集中在 3 個方面：

• 傳輸功率控制及效率,；

• 無線充電的輻射,；

• 無線充電對電網(wǎng)的影響。

由于實現(xiàn)遠距離大功率無線電磁轉(zhuǎn)換需要消耗的能量相對較高,，國內(nèi)外學(xué)者針對無線充電傳輸功率控制及提高充電效率方面展開了大量的研究,。文獻 [15] 建立了四線圈結(jié)構(gòu)無線充電系統(tǒng)的模型，基于實際系統(tǒng)參數(shù),，在非正弦輸入時系統(tǒng)輸出功率和效率表達式的基礎(chǔ)上,，探討了輸出功率和效率隨諧波頻率的變化過程，如圖 2 和圖 3 所示,。

圖 2  能量傳輸線圈效率與頻率的關(guān)系

圖 3  能量傳輸線圈輸出功率與頻率的關(guān)系

圖 2,、圖 3中的虛線處從左到右分別是基波、3 次和 5 次諧波的位置,。從圖 2,、圖 3 可以看出，文獻作者所設(shè)計的無線充電系統(tǒng)在工作頻率處的線圈效率很高,，達到 95% 以上,，輸出功率也較大；而在 3 次和 5 次諧波處,，輸出功率急劇減小,，效率更是降到了 1% 以下。由此得出當系統(tǒng)輸入中含有較多 3 次和 5 次諧波時,，系統(tǒng)的效率和輸出功率都會大幅下降的結(jié)論,。

為提高能量傳輸線圈的工作效率和輸出功率,，文獻 [16] 考慮到電動汽車無線充電系統(tǒng)中的電路參數(shù)會相互影響的問題，針對 2 線圈結(jié)構(gòu)系統(tǒng),，首先求得系統(tǒng)損耗 P_t,、傳輸功率 P_L 的比值 P_t/P_L，該比值表達式為：

式中：R_S 為副邊線圈的內(nèi)阻,；L_S 為副邊線圈電感,；R_L 為負載；κ_PS 為耦合系數(shù),；Q_P 和 Q_S 為一次,、二次線圈的品質(zhì)因數(shù)；ω 為角頻率,。

通過對式（1）求導(dǎo),，可以求得當負載 R_L 取得最佳負載 R_opt 時，P_t/P_L 取得最小值,，充電效率最高,，最佳負載 R_opt 的表達式為：

可以看出，系統(tǒng)線圈間耦合系數(shù) κ_PS 和線圈 Q 值決定系統(tǒng)最大傳輸效率,，因此文獻提出如圖 4 所示的基于 LCCL 阻抗匹配的電路結(jié)構(gòu),，以使負載 R_L 取得最佳負載 R_opt，從而獲得系統(tǒng)最大的傳輸效率,。

圖 3  基于 LCCL 阻抗匹配的電路結(jié)構(gòu)

圖 4 中,，L_P 為原邊線圈電感，M_PS 為原副邊線圈互感,，C_L 為電池等效電容,，C_p、C_s 為諧振補償電容,。文獻 [17] 對于感應(yīng)式的無線充電技術(shù),，從提高非接觸變壓器耦合系數(shù)和磁通分布不均問題 2 方面進行了系統(tǒng)性的總結(jié)，并提供了相應(yīng)的解決思路,。

關(guān)于無線充電的輻射問題,，文獻 [18] 定量分析了供電線圈產(chǎn)生的電磁場對人體產(chǎn)生的輻射影響。結(jié)果表明,，兒童相較于成人,，受到的電磁輻射在相同條件下更大。文獻 [19] 提出了使用特殊的屏蔽材料鋪設(shè)于電動汽車的座位下等方式來避免輻射問題,。

在電動汽車無線充電方式對電網(wǎng)的影響方面，文獻 [20] 首先分析了在隨機充電情形下,，插充式和無線充電方式下的功率輸出特性,?？紤]到電動汽車的放電特性，將電動汽車與智能電網(wǎng)相結(jié)合的車網(wǎng)互動系統(tǒng)實現(xiàn)了電動汽車在負荷低谷充電,、在高峰放電的雙向互動,，在求得該有序充電情形下的功率輸出特性后，分別求出無電動汽車接人,、隨機充電和有序充電 3 種情況下的平均供電可用率指標 ASA（Average Service Availability）分別為98.78%,、98.75%、98.97%,。

從可靠性指標可以發(fā)現(xiàn),，對電動汽車充電進行有序控制可以極大提高供電可用率。文章中提出的無線充電式聯(lián)合插電式電動汽車的功率輸出模型,，以 IEEE DRTS Bus 4 測試系統(tǒng)進行試驗,，將電網(wǎng)中電動汽車（包括無線充電式和插充式 2 種）的滲透率設(shè)置為 5％，引人系統(tǒng)平均停電頻率 SAIF（System Average Interruption Frequency）,、電量不足 EENS（Expected Energy not Supplied）和平均供電可用率 ASA 作為評估電網(wǎng)可靠性的指標,。通過分別計算無線充電式電動汽車滲透率為 20%，40% 和 60% 3 種情形下的可靠性指標,，可以得到如表 2 所示的結(jié)果,。

表 2  無線充電滲透率對可靠性的影響

文獻 [21] 提出一種利用微網(wǎng)為無線充電式電動汽車提供電能的思路，該方法通過光伏發(fā)電系統(tǒng)與蓄電池的組合,，利用蓄電池對電能的有效存儲,，保證了供電可靠性，一定程度上解決了電動汽車充電對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊,，同時提高了充電靈活性,。

2. 無線充電技術(shù)應(yīng)用的商業(yè)模式

隨著人們對電動汽車充電所提出的個性化需求的增加，無線充電技術(shù)在電動汽車充電領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用前景廣闊,。國內(nèi)外對該技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用展開了一系列的研究,，研究主要集中在動、靜態(tài)方式充電的選取方面,。

靜態(tài)充電方式,，與傳統(tǒng)的插充式充電類似，通過在停車場等固定區(qū)域設(shè)置專門的充電區(qū)域,。在汽車靜止狀態(tài)下進行充電,。由于無線充電具有受外界惡劣環(huán)境影響小、充電無接觸磨損等優(yōu)點,，其充電區(qū)域的選擇相較于有線插充式更加豐富,。

動態(tài)充電方式，與靜態(tài)充電相反,，提出在電動汽車移動的過程中進行充電,。這種方式下,，通過路面敷設(shè)充電通道，電動汽車在道路上運行時,，即可自動連接上充電系統(tǒng),，在能量消耗的同時進行一定程度上的能量補充。電動汽車在某固定停車位即使未充滿電量,，也可以放心駕駛,，在汽車行進的過程中進行能量的供給，可以大大突破現(xiàn)有電動汽車行進里程的限制,。

關(guān)于無線充電技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用,，國內(nèi)外汽車制造廠商和研究機構(gòu)進行了積極的探索，在靜態(tài)和動態(tài)充電的選擇上有不同程度的側(cè)重,。

沃爾沃提出了一種利用道路進行無線充電的動態(tài)充電方式,，汽車搭載的集電器與公路上的電纜連接后，汽車不必走在電纜的中央就可以利用直流電充電,。由于時速需要大于 60 km,，這一充電系統(tǒng)更適合在高速公路上推廣 [22]。

靜態(tài)充電方面,，2014 年 1 月英國在米爾頓凱恩斯試運營無線充電的電動公交大巴,，整個線路長為 24 km，巴士大約會在路上消耗三分之二的能量,，回來的巴士只需在充電點停留 10 min 即可將電量充滿 [23],。所有的 8 輛巴士只需要起點站和終點站 2 個無線充電點為其提供充電服務(wù)，每年可以減少大約 5 噸有毒尾氣和 270 噸 CO2 的排放,。

中興通訊研發(fā)了一套無線供電系統(tǒng),，電動汽車在停車位停好后，即可自動連上該系統(tǒng)的充電通信網(wǎng)絡(luò),，與地面系統(tǒng)建立電能傳輸鏈路進行充電,。值得一提的是，無線充電系統(tǒng)在車輛行駛時完全不工作,，即使車輛在充電場路面行駛,，或遇到極端天氣也能保證安全 [24]。

圖 5  國內(nèi)首輛無線充電巴士的的設(shè)計原理圖

另外,，在成都街頭社區(qū)巴士已經(jīng)開始試點進行無線充電,，成為國內(nèi)首批利用無線充電的巴士。當該巴士?？吭诔潆娬镜母袘?yīng)裝置上方時,，即可連接上充電系統(tǒng)。充電 8 min 即可支撐該巴士在運營路線上行駛約 6 km，該巴士的設(shè)計原理如圖 5 所示閉,。

關(guān)于電動汽車充電站的運營模式,，一直都是國內(nèi)外的研究熱點 [26-27]。通過系統(tǒng)總結(jié)可以發(fā)現(xiàn),，當前電動汽車充電站的商業(yè)運營主要有以下特點：

（1）政府干預(yù)

與傳統(tǒng)電力項目相比，新能源與電動汽車充電的項目有高成本,、高投入,、投資回報期長、高端技術(shù)尚未完全成熟等特點,。因此,，其投資收益具有非對稱性。外部環(huán)境的非對稱性會造成市場失靈,，必須由政府出面干預(yù),。

文獻 [28] 研究了 2 種政府補貼政策（針對消費者的購車補貼和針對汽車制造商的生產(chǎn)補貼）分別對汽車制造商主導(dǎo)和分銷商主導(dǎo) 2 種模式下定價和充電站建設(shè)決策的影響。進而,，又從擴展充電站網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和提高電動汽車采用率 2 個方面,，研究這 2 種補貼政策在這 2 種商業(yè)模式下的優(yōu)劣。得出,，在制造商主導(dǎo)模式下,，生產(chǎn)補貼政策能促成更大規(guī)模的充電站網(wǎng)絡(luò)，而購車補貼能帶來更高的電動汽車采用率的結(jié)論,。

（2）投資,、運營主體多樣化

運營主體不同，其收益分配也不同,。隨著電力市場的放開,，有實力有資質(zhì)的企業(yè)也可以參與到售電領(lǐng)域，既可以由電網(wǎng)投資基礎(chǔ)設(shè)施,，也可以由企業(yè)參與投資運營,，引入市場競爭機制，打破行業(yè)壟斷,，給用戶提供更多的選擇空間,。

電動汽車無線充電站的運營主體分為單一運營主體和多方運營主體。單一運營主體指電網(wǎng),、用戶或第三方運營商中的一方運營微電網(wǎng),；多方運營主體指電網(wǎng)、用戶和第三方運營商中的 2 方或 3 方共同運營微電網(wǎng) [29],。文獻 [30-32] 總結(jié)了現(xiàn)階段相關(guān)國企,、民營企業(yè)在參與電動汽車投資和推廣方面采取的主要方式，分析了不同運營資本進入充電服務(wù)行業(yè)可采用的商業(yè)模式。

針對上述特點可以看出,，當前電動汽車無線充電技術(shù)在商業(yè)方面的推廣應(yīng)用仍存在諸多問題．可以總結(jié)為如下 4 點：

（1）由于資本門檻較高,，電動汽車無線充電技術(shù)的推進很大程度上依賴于資本的覆蓋力度與速度。以動態(tài)充電方式為例,，雖然可以克服傳統(tǒng)電動汽車有線充電方式下行駛距離有限的劣勢,，但是需要預(yù)先在地面敷設(shè)充電通道，前期成本投入較大,，投資回收期較長,。此時，引人多方資本力量的共同投入顯得尤為重要,。

（2）在項目實施過程中,，無線充電設(shè)備作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)過程中離不開相應(yīng)的政策支持,，以及相關(guān)規(guī)范的管理與約束,。

（3）考慮電動汽車無線充電技術(shù)在投資、運營過程中可能存在多個投資主體,，項目推進的全局性,、項目管理的協(xié)調(diào)性以及項目回報期的利益分配等問題，應(yīng)該引起政府,、電網(wǎng)和第三方運營主體的重視,。

（4）在實際的商業(yè)運營過程中，根據(jù)目標人群的需求特性不同,，項目方案也需要作出相應(yīng)的調(diào)整,。針對不同類型電動汽車的行駛特性，其適合的充電方式也不同,。對于長期運行的出租車以及公交巴士,，單純依靠夜晚充電不足以支持白天的能量損耗。鑒于快充方式對電池的負面影響,，短時間的正常充電也無法滿足該類汽車的需要,，大大限制了這類車主的出行。這種情況下,，動態(tài)充電方式作為一種及時能量補充的有效措施,，市場需求潛力巨大。而對于日常通勤用的車輛,，有充足的停車時間用于補充電能,，顯然靜態(tài)充電方式更為合理。

從投資運營的主體著手,，結(jié)合我國電力市場的條件與背景,，本文以汽車制造商和電網(wǎng)公司為電動汽車充電領(lǐng)域主要投資運營主體,，提出以下 3 種可行的商業(yè)運營模式：

（1）電網(wǎng)公司投資 + 電網(wǎng)公司運營。在該模式下,，汽車制造廠商僅以設(shè)備制造商的角色參與到無線充電的市場中,，由電力公司向用戶提供充電平臺、充電配套服務(wù),，服務(wù)費用由政府相關(guān)部門統(tǒng)一制訂,。

（2）電網(wǎng)公司投資 + 第三方運營。在該模式下,，汽車制造廠商一方面通過向電網(wǎng)公司出售無線充電設(shè)備獲得收益,，另一方面還將成立運營公司。通過向電網(wǎng)公司支付費用租借無線充電設(shè)備的方式向用戶提供充電服務(wù),，并收取相關(guān)服務(wù)費用。

（3）第三方投資 + 第三方運營,。在該模式下,，汽車制造廠商投資無線充電設(shè)備并進行運營。以中興通訊公司為例,，其計劃開創(chuàng)的「設(shè)備產(chǎn)品 + 服務(wù) + 平臺」商業(yè)模式 [33],，就是為客戶提供包括電動汽車租用、充電裝置建設(shè),、充電服務(wù)提供等相關(guān)服務(wù)在內(nèi)的一體式解決方案,。

3. 結(jié)語

作為一種便捷、耐磨損的新型充電方式,，電動汽車的無線充電技術(shù)市場發(fā)展前景廣闊,。

從短期來看，還需要突破一系列技術(shù)瓶頸,，諸如提升輸電功率,、提高充電效率、加大輸電距離以及降低磁場輻射等,。此外,，在商業(yè)模式方面，其發(fā)展仍離不開政府的干預(yù)和支持,，不同的運營主體在充電市場中的角色與定位,，都影響著最終利益的導(dǎo)向與分配，需要在較長的探索過程中慢慢磨合,。

但從長期來看,，無線充電具有明顯的便捷性和不可替代性，將對我國電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更好的平臺,，帶來更大的機遇,。