郭淑筠，张波
（华南理工大学电力学院，广州 510641）
科技的快速发展给人们生活带来便捷的同时也造成了环境污染，绿色出行作为低碳绿色环保中的重要一环，已成为发展的趋势。电动自行车Ebike（electric bicycle）是目前一种重要的交通方式，它使用电力而不是燃油，更符合绿色环保的要求。目前我国共有22.3 万家电动自行车相关企业，电动自行车的持有量接近3亿，随着电动自行车需求的增加以及相关支持政策的完善，电动自行车数量将在未来的时间里不断增长。
电动自行车的普及不可避免地要面临充电问题，飞线充电或将电动自行车电池带到室内充电均存在巨大的安全隐患[1]。而采用无线充电技术能实现电动自行车的隔空充电，摆脱了电缆的束缚，并且不需要对充电器进行频繁拔插；
其次，无线充电随停随充的特点，可以相应增加充电频率减小电池容量；
最后，无线输电技术具有电气隔离的优势，充电无火花、安全且不受天气的影响。这些优势让电动自行车无线充电有广阔的应用前景。目前国内外已有不少高校和企业正在对这方面进行研究，且无线充电技术的标准化也在逐渐完善。
本文主要分析了电动自行车无线充电技术的发展状况，从无线充电研究现状、相关标准和产业现状进行概括，指出了电动自行车无线充电技术推广所亟待解决的问题，为电动自行车无线充电技术的发展提供参考。
为了避免将电池带入室内充电而引发事故，规定用户在室外电站进行充电。目前主流的充电站采用的是充电桩和充电柜，充电桩可以在某个固定的场所为用户提供插座，如图1（a）所示，用户在使用充电桩的时候只需带上自己相应的充电器即可在指定地点为电动自行车进行充电。尽管部分充电桩具有过载保护、过充保护、断电保护、漏电保护和盗电防护等保护功能，但这种充电方式依旧需要搭建防雨棚来防止由雨水导致的短路。
而充电柜可以将待充电电池放进柜门中充电，如图1（b）所示，可以避免充电时不受雨水的影响，但密闭的充电环境限制了电池的散热，具有一定的安全隐患。一种特殊的充电柜能为用户直接提供已充满电的电池，用户在电池没电的情况下，可通过app 扫码租赁电池，并将没电的电池放置到充电柜内充电，是一种换电替代充电的方式。
图1 传统有线充电Fig.1 Traditional wired charging
但无论是充电桩还是充电柜，均采用传统有线充电的方式，除容易产生电火花、插头磨损外，还易受潮触电，散热情况、灰尘等其他环境问题都会对充电造成一定影响。在环境复杂的室外，为了更好更安全地对电动自行车进行充电，需要新的充电方式来满足大众的需求，无线充电技术在一定程度上弥补了有线充电的不足。
2.1 国内外研究现状
目前对无线充电技术的研究主要集中在两个方向，一个是主要针对手机的小功率（5～20 W）的电能传输[2]，另一个是针对电动汽车的大功率（千瓦甚至上百千瓦）的电能传输[3-5]，而功率处于两者之间的电动自行车无线充电技术则研究较少，其功率大多在100～200 W[6，7]。电动自行车无线充电的基本原理如图2 所示，接入的市电通过功率因数校正PFC（power factor correction）和高频逆变等功率变换环节后，形成高频交流电激励发射线圈产生交变的磁场，接收线圈在交变磁场中获取能量得到交流电压，再通过整流环节后提供给电池负载。为保证系统稳定工作，发射侧和接收侧还有通信和控制电路。
图2 电动自行车无线充电系统Fig.2 Wireless charging system for E-bike
表1 列出了国外各高校的研究进展。意大利巴勒莫大学于2013 年设计了l00 W的电动自行车无线输电系统[8]，2014 年提出了一种功率跟踪算法优化无线充电系统的效率，在期望的功率下用两个控制变量实现最大的传输效率[9]，2015 年分析了线圈对系统传输特性的影响[10]，2016 年对线圈磁场测量来评价该系统的生理兼容性，建议充电时人应尽量与其保持25 cm的距离[11]，2020 年进一步将传输功率提高，设计了一种用于电动自行车的300 W IPT无线充电器样机，其最大传输效率达到79%[12]。
表1 国外各高校电动自行车无线充电研究成果Tab.1 Research progress in wireless charging for E-bike conducted by foreign universities
2014年，新西兰奥克兰大学考虑电动行车外形特点为其设计磁耦合机构，包括发射线圈和接收线圈的形状及安装位置[13-14]，并在2015 年提出一种用于多负载系统的双耦合感应WPT 系统，如图3所示，可以实现对多台电动自行车充电，能产生400 W的输出功率，且系统整体效率达到76%[15]。
图3 多拾取电动自行车无线充电系统Fig.3 Multi-pick wireless charging system for E-bike
意大利那不勒斯大学在2014 年提出一种电动自行车智能移动感应充电站[16]，在2016 年构建了“E”型的磁芯结构，确定了电压传递函数，分析了气隙大小对传输效率的影响，并利用三维分析迭代的方法设计了耦合机构大小为93 cm×60 cm×28 cm的300 W 电动自行车无线充电器[17]，2019 年进一步采用近似离散傅里叶变换，利用发射侧线圈的电流和电压估算出了接收侧线圈的电流和电压大小，从而对发射侧进行调整，获取接收侧期望的电压和电流[18]。
此外，日本长冈工业大学在2014 年将双电层电容器应用于电动助力车无线充电系统，比常规充电系统的充电时间缩短1/4[19]；
2018年，捷克皮尔森西波西米亚大学设计了一款线圈大小为17 cm×11 cm、传输功率为500 W、传输效率高于90%的磁感应耦合器，功率密度达到了2 kW/dm3[20]；
2019年，印度韦洛尔理工大学提出了一种适用于电动自行车的线性化无线充电技术，当线圈在一定工作区域内发生错位时，保持充电输入和输出为线性关系，减少由于采样控制产生的延迟导致的系统响应过慢[21-22]；
2020年，西班牙奥维耶多大学提出一种基于LLC 谐振拓扑结构的无线充电器，一次侧线圈12 cm×10 cm，二次侧线圈10 cm×10 cm，在负载变化的情况下，该系统能够以90%的效率获得恒定的输出电压[23]；
2021年，西班牙的马拉加大学工业工程学院对接收线圈在自行车上的不同位置的充电效率及发热情况进行了分析，发现当接收线圈位于车座下方时，周围的导体干扰物较少、效率较高且发热量少[24]。
国内各研究机构也开展了电动自行车无线充电的研究，主要集中在系统建模与控制、磁耦合机构优化设计。2018年，西南交通大学建立了基于感应无线电能传输原理的2 A/48 V 和4 A/48 V的实验样机，成功模拟了对多个相同或不同充电电流的电动自行车进行充电，充电电流和充电电压的波动幅度均小于2.5%，充电效率最高可达91.90%[25-26]；
香港理工大学联合西南交通大学共同提出了一种2 A/48 V 三线圈无线充电系统，只需在发射侧进行开关切换控制，整机效率达到了91.014%[27]；
浙江大学设计了如图4 所示的射频无线充电系统，其传感器节点集成在电动自行车车筐上，利用算法来减少由无线电造成的充电延时[28]。
图4 射频无线充电系统Fig.4 Radio frequency wireless charging system
2020年，武汉大学提出了一种基于BUCK 降压和红外通信的功率调节方法，实时控制系统的输出[29]；
南方电网公司提出的基于三线圈结构的WPT系统，变频实现恒流和恒压状态的转化，无需额外的开关器件，建立了4.6 A/56 V的无线输电系统，总效率可以达到92%[30]；
台北工业大学提出如图5所示的共享电动自行车双向无线充电系统，能提供500 W 充/放电功率，其中充电模式下的效率高于95.3%，放电模式下的效率高于92%[31]。
图5 共享电动自行车双向无线充电系统Fig.5 Bidirectional wireless charging system for E-bike sharing
2021年，青岛大学设计了一套电动自行车感应耦合式单管逆变无线充电系统，其中磁屏蔽材料使用铁氧体+纳米晶+铝箔3层材料结构以获得更好的性能，在恒流模式下效率最大值为86.4%，在恒压模式下效率最大值为85.2%[32]。表2 对国内主要高校和企业的研究进展进行了总结。
表2 国内各高校及企业电动自行车无线充电研究成果Tab.2 Research progress in wireless charging for E-bike conducted by domestic universities and enterprises
2.2 标准和产品
Qi 标准是目前主流的无线充电标准之一，主要支持传输功率约为5 W的基准功率范畴的电能传输，工作频率通常在87～205 kHz，且支持多线圈传输。2011 年Qi 标准扩展到中等功率，2019 年提高到30～65 W，预计将提高到200 W，从而适用于电动自行车无线充电。
2017年，深圳市标准信息平台审核的《电动自行车无线充电设备》正式颁布，这是国内无线充电行业针对电动自行车首次颁布的企业应用无线充电设备产品标准，其对无线充电设备使用过程中的效率、温升、异物检测和电磁兼容性等作出了明确具体的规定。2020年，中国质量检验协会组织起草了关于《电动自行车无线充电桩》的团体标准，并于2021 年开始实施，其中对电动自行车无线充电桩的性能、安全和环境适应能力等都做了一定的要求。2021年，中国电工技术学会批准发布《电动自行车传导式智能快速充电器技术规范》标准，该标准规范了电动自行车传导式快速充电器通信、安全和充电流程等方面的要求，填补了电动自行车行业无线充电标准的空白。国内现有电动自行车无线充电标准见表3。
表3 国内电动自行车无线充电标准Tab.3 Domestic standards of wireless charging for E-bike
目前国内电动自行车无线充电的产品化已取得了一定进展，主要集中于如何实现更加便捷的无线充电。2017年，享骑公司首次推出电动自行车无线充电桩，只需将特定车辆停靠在指定位置即能进行无线充电；
2018年，武汉楚象能源公司推出能安装在多种电动自行车后靠背的无线充电设备，接收线圈与发射线圈距离30～55 mm、中心偏移不超过15 mm 即可实现无线充电；
2018年，法瑞纳科技公司提出适用充电电压24 V/36 V、电流3 A/5 A的无线充电桩，接收线圈安装在篮筐底部，将电动自行车推进充电桩，能够实现自动上锁和自动感应充电；
2020年，雅迪展出的电动自行车能在指定充电平台上进行无线充电，最大充电功率可达350 W，充电距离最远15 cm，充电效率最高达89%；
2020年，河南玖蓝新能源科技有限公司打造了“户啦”无线充电装置，接收器均安装于车辆前轮，支持48 V/60 V的电动自行车，传输效率最高可达93%，传输距离达5～8 cm；
2021年，台铃推出的智能电动车将充电器磁吸在车头指定位置即可进行无线充电，将充电效率提升了60%；
2021年，中天华信联合武汉大学技术团队，研发了“信无线”电动自行车无线充电器，适配各种类型的电动自行车电池；
2022年，狐灵灵电动自行车智能无线充电带在南宁中关村创新示范基地正式亮相，这是国内首条电动自行车智能无线充电带，主机铺设在一条“智能无线充电带”上，任何品牌型号的电动自行车，只需在脚踏板底部安装接收器即可使用无线充电，收费标准与有线充电相同，实现25 cm 隔空充电，比传统充电综合效率提高了10%左右，一台主机可充16辆，最大输出功率700 W。一些无线充电电动自行车的产品如图6 所示。
图6 电动自行车无线充电产品Fig.6 E-bike wireless charging products
由于电动自行车形状的特殊性，电动自行车无线充电系统接收端可以安装在电动自行车的车头、车身或轮毂等不同位置，现有电动自行车无线充电系统发射端和接收端的形式图7 所示。
图7 电动自行车无线充电结构形式Fig.7 Structures of E-bike wireless charging
如何实现电动自行车的便捷充电一直是研究的热点，综合国内外电动自行车无线充电技术研究现状可以看出，该技术已经得到了较为充分的研究，但要完成大规模的产品化及市场化应用，还需要在以下几个方面进行完善。
（1）完善标准制定。制定电动自行车无线充电的标准应结合应用场合及需求，已有部分企业或是团体针对电动自行车制定了相关的无线充电标准，但还未普及到全国甚至全球。现有的电动自行车无线充电站的发射装置及车载接收器的安装位置不同，且适配的电池类型不同，导致用户能使用的无线充电设备有限。可以对接收端大小和位置进行限定，并对输出的电压进行规定，普遍性的标准制定下来，有利于提高产品之间的兼容，为其发展提供条件。
（2）提高系统的抗偏移能力。现有电动自行车无线充电产品的传输范围有限，且发射装置固定，充电过程中对耦合系数的变化敏感，这需要用户多次挪动车辆使其靠近对准进行充电。但就有线充电桩的情况来看，大多数充电桩前面摆放大量的自行车甚至杂物，使得用户无法按照现有的无线充电桩要求进行摆放，在一定情况下影响了电动自行车无线充电桩的使用，造成了无线充电桩的闲置。可以从线圈设计和稳定控制的研究入手，探究如何提高系统的抗偏移能力[33]。
（3）保障用户安全。高频的电磁场是进行空间能量传输的关键，但同时带来了其他问题，除了会对周围设备的工作造成影响，还会危害环境并对人体健康造成影响。对空间电磁场进行合理约束，减少电磁泄漏，加强新材料的研究与应用，高效、可靠地实现系统的电磁屏蔽是未来电动自行车无线充电的电磁兼容的主要研究内容之一。此外，收发线圈间的异物除了对无线充电的效率造成一定影响，更重要的是容易引起发热，易造成烫伤等事故，具有极大的安全隐患，检测异物进而排除异物对充电的影响，同样能进一步推动无线充电系统的实用化发展。
现代科技飞速发展，无线电能传输技术已被广泛应用于人们的生活，电动自行车更是因其便捷性深受欢迎。虽然在电动自行车无线充电领域已经有大量研究，但其高效、安全充电以及各个产品之间的兼容问题还需要更多的探讨，且相关的标准依旧不够完善。电动自行车的无线充电技术还需要解决很多问题，这样才能尽快完成产品化进程。相信在各大高校及企业的努力下，未来的某一天一定能实现电动自行车随停随充的美好愿景。
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