（河南城建学院 土木与交通工程学院 平顶山467000）
摘要：针对目前新能源汽车充电技术存在的诸多设计问题和交通安全隐患，本文提出一种应用于高速公路的新型无线充电设计方案。基于现有充电时间长、而且充电设施的建设成本高等缺陷和不足，本文采用电磁感应方式，构建了新能源汽车无线充电技术的三大主体结构：道路优化设计、汽车优化设计及汽车速度模型的建立。通过比较现有三种无线充电技术，得出电磁感应是目前适合应用于新能源汽车领域的无线充电技术。本文依托动画演示进行了模拟分析，该装置实现了在新能源汽车在高速公路上边跑边充电的运行情况，验证了方案的可行性和有效性。
关键字：高速公路、无线充电、新能源汽车，电磁感应
1.研究背景
目前新能源汽车在市场上占比不断提升，各个国家的政策也使得新能源汽车产业高速发展。国外对于新能源汽车无线充电的研究要比国内领先，早在2018年，世界上第一款无线充电的量产
车型就由宝马公司所制造。旗下的530eiperformance车型也成了第一批无线充电车型。2021年12月7日，全球第四大汽车制造商Stellantis在上表示，实验新能源汽车无线充电的公路“Arena del Futuro”正式开通，且测试结果令人满意。2022年3月，沃尔沃公司也加入了名为“哥德堡绿城区”的无线充电汽车计划。其内容是在是在哥德堡市区内设置多个无线充电实验区域来配合旗下搭载40W无线充电技术的纯电XC40[1]。
随着新能源汽车的普及，国内的制造商也开始发展汽车无线充电技术。知名企业中兴已有100多项关于无线充电的发明专利和60多项与无线充电技术及其配套技术的使用新型。其设备的功率已完全覆盖从3KW到60KW的大功率设备的需求。同时中兴新能源科技有限公司也共同推出了名为“智慧无线充电”的系统，该系统主要运用在城市行驶的公交电动汽车上。制造商高通在电动汽车无线充电行业的发展也很迅速，2016年高通与一家名为 BRUSA的企业开展合作。2017年，奔驰S550e便成为行业上第一款使用高通无线充电技术的车型，实现了车辆一停就可以充电的模式。同时，高通也与日产Leaf、本田Accord和雷诺Fluence等多个车型在不断的进行合作并完成了测试[2]。
目前新能源汽车主流的充电方式是有线充电，但是这种充电方式有一定的安全隐患。此外，
充电设施的建设也成为了新能源汽车发展的瓶颈之一。传统的有线充电方式需要新能源汽车停车充电，不仅充电时间长，而且充电设施的建设成本高，难以满足新能源汽车的快速充电需求。因此，无线充电技术应运而生，成为新能源汽车充电的新方向，如何在高速公路上实现新能源汽车的无线充电，这正是本文亟需解决的问题。
2.优化原理
2.1设计思路
2.1.1道路优化设计
首先需要根据公路的长度和宽度，以及车辆的通行情况，确定需要铺设的磁极的数量和位置。接下来将磁极安装在公路两旁的地面上，可以使用钢筋混凝土或者其他材料来固定磁极。将磁极连接到电源上，以便产生磁场。在铺设完成后，最后需要进行测试和调整，以确保磁场的强度和方向符合要求。
需要注意的是，给公路两旁铺设磁极需要进行大规模的工程建设，需要考虑到对交通的影响和环境保护等因素，因此需要进行充分的规划和准备工作。
2.1.2汽车优化设计
在汽车底部安装导体，以便捕捉到切割磁感线产生的感应电流。将感应线圈连接到电子控制器上，以便对充电进行控制，以避免电池过度充电或者过度放电。将电子控制器连接到电池上，以便将感应电流储存到电池中。
需要注意的是，将汽车切割磁感线产生的感应电流储存在电池中需要进行一定的技术改造，需要考虑到电池的容量和充电速度等因素，同时也需要考虑到电池的安全性和稳定性等问题。
高速公路上，将电能通过无线方式传输给汽车，一般采用电磁感应原理。通过在道路两侧铺设磁极，该磁极会产生一个磁场。当汽车经过时，会作切割磁感线运动从而产生感应电流，再通过电子控制器传输到汽车电池中。汽车电池中的直流电会被存储起来，用于驱动汽车行驶。需要注意的是，无线充电设施和汽车电池之间的距离和位置需要精确控制，以确保电能的传输效率和安全性。同时，无线充电设施需要具备一定的防水、防尘、防雷等功能，以适应不同的天气和环境条件。如图1、2所示。
总之，高速公路无线充电使用切割磁感线的原理是利用电磁感应的原理，通过在道路两侧铺设磁极，当车辆经过路面时，在车辆底部的导体中感应出电流，实现无线充电。最快的汽车
图1 新能源汽车无线充电原理图
图2 新能源汽车无线充电模拟图
2.1.3速度模型建立
要对汽车在该条道路上行驶时能够充电时的最低速度进行研究。
根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中运动时，会在导体内部产生感应电动势，从而产生感应电流。感应电动势的大小与导体速度、磁场强度、导体长度和磁场方向等因素有关。
假设汽车在道路两边铺有磁极的道路上匀速行驶，磁场强度为B，汽车速度为v，导体长度为l，则感应电动势的大小为：
其中，E为感应电动势，单位为伏特（V）；B为磁场强度，单位为特斯拉（T）；l为导体长度，单位为米（m）；v为汽车速度，单位为米/秒（m/s）。
根据欧姆定律，感应电动势会产生感应电流，其大小为：
其中，I为感应电流，单位为安培（A）；R为导体电阻，单位为欧姆（Ω）。
因此，汽车在道路两边铺有磁极的道路上行驶时，产生的感应电流大小与磁场强度、导体长度、导体电阻和汽车速度等因素有关。
为了产生足够的感应电流，汽车速度需要达到一定的值。具体来说，当磁场强度、导体长度和导体电阻等参数确定时，汽车速度越快，产生的感应电流就越大。当汽车速度为零时，感应电流也为零。因此，需要根据具体情况来计算汽车需要达到的速度。
2.2现有三种无线充电技术比较
对以下三种无线充电技术进行对比，如表1所示。由表1可知，对于新能源汽车的无线充电，电磁感应是适合于目前可以研究的无线充电技术。
表 1 无线充电方式对比
电磁感应 | 磁耦合共振 | 无线电波 | |
原理 | 电磁感应 | 磁耦合共振 | 电磁波辐射 |
传输距离 | 数毫米到数厘米 | 数厘米到数米 | 数米到数千米 |
建设成本 | 低 | 高 | 较高 |
安全隐患 | 较低 | 高 | 低 |
充电效率 | 70%~80%左右 | 80%~90%左右 | 40%~50%左右 |
优点 | 转化效率高、研究成本低 | 传输距离远，功率大 | 传输距离远 |
缺点 | 传输距离较短 | 危险性较大、成本较高 | 传输损耗大 |
2.3汽车无线充电与智慧出行联系
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