电动汽车无线充电之路

根据Allied Market Research的数据，全球电动汽车市场的价值将从 2019 年的 1623.4 亿美元增长到 8028.1 亿美元。很多汽车都需要充电（电动汽车充电），这就是为什么越来越多的公司正在积极寻求通过提供无线充电解决方案（无线充电）来简化流程的原因。

事实上，分析师预测电动汽车无线充电市场将出现显着增长。例如，研究公司Market Research Future预测，从 2021 年起，复合年增长率为 48.82%，到 2027 年将达到 2.5865 亿美元的价值。也就是说，与更传统的有线充电器相比，电动汽车无线充电市场仍然非常小。这是因为不可否认的优势无法弥补电动和混合动力汽车无线充电技术的典型技术困难。

无线充电在简单性、可靠性和易用性方面为电动汽车车主和基础设施提供商提供了许多好处。其中包括无需存储、记住和插拔沉重和肮脏的充电电缆，消除电线或充电站意外或故意损坏的风险，并提供对灰尘和水进入的免疫力。在停车场的空间中增加充电使电动汽车充电更容易获得，而无线解决方案意味着充电可以立即开始，而无需驾驶员离开车辆。当然，对于自动驾驶电动汽车，根据定义，这些都需要无线充电。

由于上述优势，许多汽车制造商和公司已经开发或正在开发无线充电解决方案。

例如，宝马早在 2018 年就为其 530e 插电式混合动力轿车提供无线充电系统 ，并将其作为汽车租赁协议的一部分在德国、英国、美国、日本和中国推出. 可供客户选择的 BMW 无线充电包括一个感应充电站（“GroundPad”），它可以安装在车库或室外，以及一个辅助组件（“CarPad”），它固定在汽车的底部。车。该系统的充电功率为 3.2 kW，使 530e 的电池能够在大约三个半小时内充满电。

Plugless Power 和 WiTricity 提供售后解决方案来升级电动汽车以进行无线充电，后者还收购了高通公司的“Halo”无线汽车充电技术，该技术最初用于为电动方程式比赛中的安全和医疗汽车充电。

其他涉及电动汽车无线充电的公司包括大陆集团、Elix Wireless、Hevo Power、东芝公司和 ZRE 公司。

电动汽车无线充电的挑战

图 1 总结了 EV 无线充电方案设计人员面临的主要挑战。

图 1：电动汽车无线充电的主要挑战

应对这些挑战需要重新考虑无线充电架构的传统方法。

如图2所示，从系统角度来看，传统的无线充电设计包括至少三个不同的块，由五个不同的阶段组成：

用于整流输入线电压的电源整流器。对于低功率应用，这可能只是一个二极管电桥，但在更复杂的设计中，如电动汽车充电，也需要功率因数校正阶段。

发射器电压调节器（通常是具有两个有源元件和一个高电流磁性元件的降压转换器），用于在主无线功率链路以固定频率工作时管理要传输的功率（为了管理EMI，这是汽车领域的常见情况）。

一个 DC/AC 发射器线圈驱动级，用于为线圈通电。该谐振级可以是具有两个有源元件的半桥或具有四个有源元件的全桥。在这两种情况下，运行都会看到与负载相关的效率曲线，该曲线仅在满载条件下实现零电压开关 (ZVS)，对于较轻的负载或接收器和发送器之间的耦合远未达到标称值时，效率会降低。可以添加其他元素，例如调谐网络，以提高每个工作点的效率。

无线接收器 AC/DC 线圈全桥整流级，用于对接收器线圈处的电压进行整流。

一个可选的 DC/DC 接收器电压调节器（同样，通常是具有两个有源元件和一个磁性元件的降压转换器，通常用于大功率应用）来调节输出电压。

图 2：传统的无线设计

这意味着用于 EV 和插电式混合动力汽车的传统无线充电系统具有 12 到 16 个有源设备、至少两个磁性元件、两个线圈和一根交流电缆。如此多的元件不仅会导致高昂的物料清单成本，还会影响整体系统效率。

然而，现在有一种新方法为解决传统架构的挑战提供了基础。

图 3：无线充电的新方法

图 3 总结了新架构的关键元素，这是一种混合交流电源解决方案，既是电源又是无线充电器。这种架构被称为 E 2 WATT，基于专有的感应技术，与以前的无线充电设计相比，可实现更高的功率密度和更远的距离，并支持与最佳传统 AC 有线适配器相媲美的效率水平。因此，它提供了一条从几瓦到几十千瓦的无线充电路线。

新架构将实现完整的端到端无线充电系统所需的总阶段数减少到只有两个。这要归功于将多级合并为多功能、单级、零电压开关、零电流开关 (ZVS-ZCS) 无线电源的拓扑结构。

E 2 WATT 无线充电系统的两个阶段是：

直接由电源供电的发射器 (AC/AC) 级。该级被建模为无桥交流转换器，能够使用基于氮化镓功率 IC 和两个二极管的创新专有半桥架构来驱动线圈。允许对通过线圈传输的能量进行精细控制的设计可确保良好的电压调节，并在必要时支持功率因数控制。

一种单级 AC/DC 接收器半桥，仅需要两个有源器件，同时用作次级侧整流器和无耗散输出稳压器。

在发射器级，由于 ZVS 和接近 ZCS 条件的组合以及对输入和负载变化的鲁棒性，开关功率损耗接近于零。并且由于发射器级没有谐振，因此可以在任何负载条件下实现 ZVS 操作。因此，在很宽的输出功率范围内，发射机效率仍然很高。

结果是一个允许传输更高功率水平并提供与有线转换器一样好的效率的系统。因此，该架构适合部署在静态 EV 无线充电设计中。

动态电动汽车充电

如果说静态无线充电很复杂，那么车辆在行驶中充电的动态无线充电就非常复杂。

尽管如此，Market Research Future等分析师甚至表示，动态无线充电领域可能会在未来主导市场。无论情况是否如此，显而易见的是，随着各国政府希望通过无排放驾驶来实现净零排放承诺，人们对该领域的兴趣和投资越来越多。

动态充电的工作原理是在道路上铺设无线充电线圈，为行驶中的电动汽车充电。优点是明显的时间经济性、需要较小电池的汽车以及无需电线。此外，如果无线电力是双向的，则无线链路可以为汽车供电（当它加速时）或将能量传输回电网（当它刹车时），从而进一步减少对大电池的需求。

许多国家正在对动态无线充电方案进行测试。例如，2021 年，瑞典成功测试了一辆全电动长途卡车的无线充电，而在意大利，Stellantis 在意大利 A35 高速公路附近建造的闭路中安装了动态无线电力传输（DWPT）技术。这条公路带被称为 Arena del Futuro（“未来的竞技场”），是一条 1,050 米长的轨道，由 1 兆瓦 DWPT 系统供电，菲亚特 500 Electric 和依维柯 E-Way 巴士将用于测试条带的感应充电能力。

除了感应式解决方案外，还值得考虑电容式充电解决方案，该解决方案有可能提供优化动态无线充电方案充电能力所需的位置自由度。

图 4：电容式解决方案可以解决动态无线充电问题。

电容系统比电感系统具有潜在的优势，因为电场的相对方向性降低了对电磁场屏蔽的需求。此外，由于电容式无线电力传输 (WPT) 系统不使用铁氧体，它们可以在更高的频率下工作，从而使其更小、更薄且更便宜。因此，电容式 WPT 可以使动态 EV 充电成为现实。

然而，由于道路和车辆板之间的电容非常小，与感应无线电力相比，有效的电力传输只能在相对较高的频率下发生，这使得这些系统的设计极具挑战性。随着最近可实现更高频率运行的宽带隙（GaN 和碳化硅）功率半导体器件的出现，大功率中等范围电容 WPT 系统变得可行（Regensburger 等人，2017 年；  Zhang 等人，2016 年）。

Eggtronic 一直在对一种新的无位置电容技术进行原型设计，该技术可以通过确保零电压和零电流操作来解决这些挑战，从而显着降低功率半导体的动态损耗（随着工作频率的提高，这是关键问题之一）。基于由几个彼此独立工作的低成本电容焊盘组成的薄传输层，这些电容焊盘与嵌入被充电系统的薄接收焊盘耦合，该系统有可能以低成本传输数千瓦平方米。一种创新的控制算法，基于动态改变激活的传输垫的数量，意味着系统的固有频率不断调整，以控制传输到车辆的动力始终以固定频率工作。

充电距离

今天的大多数无线充电系统都基于多个线圈（用于增加位置自由度和改善耦合）和动态调谐（基于额外的电抗元件）。

相比之下，有一些专利和研究基于减少发射器和接收器之间的距离，其机制是在电力传输过程中使发射器和接收器更靠近。

图 5：充电距离的机械缩短

如果这可以自动完成，它将在效率、充电速度和成本方面为静态和动态无线电源带来好处。它还降低了 EMI 性能不佳的可能性，并且无需检测是否有异物卡在接收器和发射器之间。

这种方法的主要障碍是需要集成的机械、电子（在动态无线电力的情况下，还包括空气动力学）协同设计。

标准

除了解决静态和动态无线电动汽车充电的技术挑战外，协调系统以确保加速技术推广所需的真正互操作性也很重要。事实上，缺乏一个通用标准仍然是现有有线充电基础设施面临的挑战之一，这也是汽车工程师协会 (SAE) 创建第一个全球电动汽车无线充电标准的原因。

图 6：SAE J2954 标准功能图

该标准被称为 SAE J2954，适用于高达 11 kW 的充电系统，并满足自动驾驶汽车在无需人工干预的情况下自行充电的要求。该标准是一个起点，因为电动和插电式混合动力汽车的无线电力解决方案仍处于制定规则的早期阶段。随着我们向前发展，将需要不断更新以提供必要的兼容性，而不会成为性能和功能的瓶颈。

审核编辑 黄昊宇