电动汽车无线充电技术

在电动汽车充电是推动能源转型的关键点的世界中，其他解决方案可以与电动充电站一起出现。一种这样的解决方案是无线充电。无线汽车充电是智能手机充电的增强版，但有几个不同之处。“无线感应充电使电动汽车［EV］ 无需电缆即可自动充电，”Plugless Power 首席执行官 Michael Rai Anderson 在接受《电力电子新闻》采访时表示。

“从技术上讲，一切都是可扩展的；然而，随着功率传输速率的提高，电源管理电子设备的复杂性和尺寸必须增加，”他补充道。“更重要的是，随着功率的增加，需要考虑许多其他因素，例如热损失和热管理。效率越低，功率越大，热量损失就越大，必须采取更多措施来管理热量。”

Yole Développement （Yole） 电力电子和电池首席分析师 Milan Rosina 博士表示，EV 充电需要更高的电压、功率和能量传输量。因此，技术、安全、成本和环境挑战更为严峻。“虽然无线充电器和智能手机经常紧密接触，但很难将车辆准确定位在充电器上方，充电器（发射器）与安装在车辆上的接收器之间的距离要大得多，”他说。

Rosina 指出，这导致实际条件下能量传输效率低下。但是，降低成本和热管理挑战以及减少无线充电对环境的影响需要高效率（图 1）。

此外，电动汽车充电所需的高电压和高功率给无线充电系统的安全性和成本带来了额外的挑战。“无线充电还需要将额外的充电器集成到车辆中，这会增加车辆成本，”罗西娜说。“在公共场所安装电动汽车无线充电器也伴随着许多挑战。新一代无线充电器的升级比有线充电器更复杂。自主充电往往被呈现为一种便捷甚至自动化的充电方式。事实上，自动驾驶汽车最好使用一种自动充电，而无线充电在这里似乎是一个很有前途的选择。但也有几家公司开发了自动化解决方案，例如电池更换、机械臂充电、或自动移动充电系统。一旦对自动化解决方案的需求变得紧迫，此类解决方案将与无线充电竞争。”

图 1：无线充电挑战（来源：Yole Développement）

UnitedSiC 业务发展总监 Andy Wilson 认为，无线充电的早期采用者将是商用车辆（公共汽车、送货车、出租车），它们希望通过无线充电来提供快速补充充电以扩展车辆行驶里程。“这些补充充电事件发生在车辆停在常规休息点的短时间内，”他说。“与住宅无线充电相比，这种动态将需要更高水平的电力传输，在住宅无线充电中，充电可以在低得多的功率水平下在一夜之间发生。

“为了能够支持商业补充充电的高功率要求，共振磁感应必须以相对较高的频率发生，这需要更快的开关设备，”他补充道。“这些要求正好体现了宽带隙 ［WBG］ 半导体器件的优势。”

安森美半导体企业营销和战略经理 Ali Husain 表示，一些无线充电系统声称功率高达 20 kW，从插头到电池的效率为 94%。“谐振频率通常高达 100 kHz，因此 WBG 的快速开关适用于这些系统，”他说。

电动汽车充电解决方案

在谈到电动汽车时，有多种方法可以为车辆“补充”能量，包括电池充电、电池更换和加氢（图 2）。Rosina指出，加氢用于氢燃料电池电动汽车，这在电动汽车市场中占极小的一部分。在更换电池的情况下，通过结合使用计算机视觉和无线通信，该站可以识别要更换的每个电池模块的确切位置。我们在 EE Times 上更深入地介绍了这个主题。

图 2：如何为电动汽车注入能量（来源：Yole Développement）

“为了达到政府严格的 CO 2减排目标，车队的电气化已成为强制性要求，”Rosina 说。“虽然存在不同程度的电气化，但只有通过‘强电气化’——在电动汽车和插电式混合动力电动汽车中，才能实现必要的减排。”

图 3：EV/HEV 分类

通过电缆进行传导充电包括手动连接充电站和车辆之间的导体。根据电缆的尺寸，电流会流过这个有线连接，从而实现非常高的充电容量。这种充电方式的主要优点是：

降低基础设施成本

高功率传输效率

高速充电的可能性（但增加成本）

维护要求低

几乎没有电磁辐射

这种充电方式的主要缺点是：

需要人工干预才能解决没有自动化流程的相关缺点

电缆占用停车区的空间

对于上述所有优点，传导充电肯定会在未来很多年继续用于全电动汽车。根据 Yole Développement 的《2021 年插电式电动汽车直流充电》报告，直流充电器市场将在 2020-2026 年以 15.6% 的复合年增长率增长，到 2026 年将达到约 440，000 台。但是，要克服其劣势，需要很可能在不久的将来，我们还将看到具有与该技术相关的不同类型自动化的系统。

“无线充电解决方案仍处于早期发展阶段，面临许多挑战，”罗西娜说。“在可预见的未来，‘电线’或‘电线’充电解决方案是并将继续是电动汽车的主流充电解决方案。为了避免与通过充电电缆和连接器传输非常大的电流相关的挑战，已经开发了受电弓解决方案——主要用于电动公交车充电。”

威尔逊指出，无线充电既需要基础设施投资（发射器垫），也需要车辆投资（接收器垫）。“对于日常行驶里程要求超过车辆电池容量的商用车，在日常停车期间全天接收补充充电的能力可以弥补这一差距，”他说。“这个范围扩展价值提供了商业案例来证明支持无线充电所需的投资。对于私人乘用车来说，无线充电的主要价值是方便。对于大多数人来说，他们愿意为便利因素支持的投资相对较少。出于这个原因，我们认为在解决这个市场之前需要大幅降低成本。”

Anderson 指出，目前的方法是基于有线充电设备，“但从长远来看，此类设备并不实用，因为它们固有地会造成旅行危险，容易损坏，并且需要驾驶员插入车辆，即使天气恶劣。

“无线感应充电部署的历史研发主要集中在发射和接收线圈上；然而，目前的研发工作更侧重于通信、用户界面和感官阵列，”他补充道。

与无线充电相关的安全挑战与有线充电相关的安全挑战没有什么不同。需要类似的软件协议和加密来提供系统安全。Anderson 表示，对于给定的功率输出（即 3.3 kW、7.2 kW、11 kW），充电时间将相对相似。

从电动自动驾驶汽车的角度来看，在汽车中实施无线充电的第一个挑战是通过通用标准采用。“现在 SAE 已经发布了它的第一个标准 ［2020 年 10 月］，我们已经迈出了第一步，”安德森说。“我们现在需要消费者要求无线充电可以提供的便利和价值主张，以确保电动汽车 OEM 开始采用“无线就绪”或“无线功能”电动汽车。但是，应该注意的是，无线充电可以实现自主。事实上，人们普遍认为，没有无线充电技术就没有无人驾驶。”

SAE International 发布的 SAE J2954 和 SAE J2846/7 标准制定了规范能量交换的标准，可充电功率高达 11 kW，效率为 94%，板车距离可达 25 cm。相同的系统可以应用于自主基础设施，专为能够自动停车和充电的汽车而设计。

技术

第一个提出“无线”电能传输理论的人是 1896 年的尼古拉·特斯拉。其工作原理类似于变压器，并基于磁感应定律。称为发射器的初级电路会产生随时间变化的磁场。次级电路接收这个字段，称为接收器，它连接到要供电的设备。要考虑的最重要参数当然是两个电路之间的距离及其对齐方式。对齐不良和相对较大的距离会降低性能并使能量传输效率低下。

磁感应充电使用两个垫子之间的能量交换，一个位于地面，另一个位于车辆下方。充电板（在地面上）大约为 1 m 2，而接收板（在车上）则被封闭在一个小装置中。除了可选择安装在车辆上的充电垫外，基础设施还包括感应充电站。

接收器（接收线圈）放置在车辆底部，而几个充当发射器的线圈则嵌入路面。后者由电能供应。其工作原理如下：路面中的线圈通过电流产生磁场。磁场确保车辆上的线圈接收到该磁场并将其转换回电能。产生的能量用于为运行电机的电池充电。

Husain 说，所有主要技术都基于发射线圈和接收线圈之间的谐振耦合。“在这种方法中，接收线圈非常适合发射频率，以最大限度地提高通过无线充电间隙传输的功率，”他说。

安德森指出，接收天线安装在车辆底部。“它的位置需要支持与发射器天线的镜像接口，”他说。“与确保与发射器天线的正确接口相比，汽车下方的实际位置并不重要。实际尺寸由设计功率传输率决定。对于电动汽车的外壳，天线的尺寸范围为 24 × 30 英寸，任何特定尺寸为 ±6 英寸。天线的宽度范围为 1.5 到 4 英寸，具体取决于相关电力电子设备的性质。”

基于相同的原理，移动无线充电是固定充电的替代方案。这个想法是在沥青下方几厘米处安装充电线圈，通过非常高频的磁场，可以在汽车行驶时为它们充电。为了使系统工作，车辆必须使用兼容的系统进行改装。

能源管理

充电管理类似于当前的充电方法，通过有线充电器，通过 EV 的电池管理系统。不过，安德森指出，即使在这种情况下，充电管理也可能会因无线充电设备的功率输出情况而略有变化。

“关键是要明白天线之间的通信是基于直流电源；由于来自电网的电力是交流电，因此发射器天线必须将电力转换为直流电，”安德森说。“接收器天线接收直流电源，然后可以转换回交流电以与插入式接口使用的相同电气基础设施接口或保持直流电直接与直流电池管理系统接口。每次必须将电源从交流转换为直流或从直流转换为交流时，效率都会略有下降。因此，大多数无线充电设备将以大约 92%、±2% 的效率运行。然而，这并不比有线充电设备低得多。有线充电往往提供 96%，±2% 的效率。”

Husain 补充道：“在接收天线谐振耦合后，电源是交流电，需要进行转换才能给电池充电。接收天线之后的下一阶段可能是无源（二极管）或有源（MOSFET）整流。有源整流具有较低的损耗，但需要更仔细的控制，并且相对于硅器件而言通常更昂贵。然而，整体系统成本可以更低，因为更低的损耗可以允许更小的散热器或冷却系统。在对电源进行整流后，通常会有一个升压级，它提供隔离并使电压电平与电池及其充电状态保持一致。”

注意事项

电动汽车正逐渐主导电气化，但续航里程仍然是一个非常困难的问题，政府法规的问题也是如此。Husain 说：“无线充电更容易，对用户来说几乎是透明的，但有线充电更直观，人们可能喜欢插入汽车的感觉。无线充电不会比使用车载充电器的交流充电快，通常为 11 kW 至 20 kW，但快速直流充电将达到 300 kW 以提供非常快速的充电。我们还需要很长时间才能让无线充电成为基础设施的一部分，并让每个人都可以选择使用它、付费并感到安全。”

为了让每个人和任何地方都能进行无线电池充电，需要创建感应充电站网络，充电板嵌入路面。驾驶时感应充电是电动汽车的主要选择。今天唯一可以确定的是，快速充电站网络正在不断扩大，随着充电方式的发展，为电动汽车充电将变得越来越容易。

一段时间以来，以色列公司 Electreon Wireless 一直致力于无线充电。在接下来的几个月里，计划在特拉维夫进行第一次正式测试，在 2 公里长的柏油路下安装充电板，电动巴士将能够在行驶中充电。电动卡车在公共道路上的无线充电是无线电动道路技术商业化的一个重要里程碑（图 4）。

 

图 4：沥青下的充电板 

图 5：WiTricity 的磁共振技术（来源：WiTricity）

Genesis 将在其 eG80 型号和代号为 JW 的新项目中看到提供无线充电技术。该技术将通过合作伙伴 WiTricity 实施，并将基于上述最新的 SAE J2954 标准。无线充电器的真正部署可以从 2021 年下半年开始，因为当前的技术需要新的建筑物与当前的摊位分开。Genesis 还在开发 7 千瓦和 11 千瓦的家用充电器，使客户能够在他们的家庭车库中进行无线充电（图 5-6）。

图 6：配备无线充电的 Genesis 汽车

WiTricity 的高效 3.6 至 11 kW EV 充电开发系统为汽车制造商、一级供应商和充电基础设施供应商提供可互操作的无线充电系统设计。WiTricity 的高效设计和架构已被纳入由 SAE International 和 IEC/ISO（国际）牵头的全球标准化工作；DKE 和 STILLE 项目（德国）；和 CATARC（中国）。WiTricity 的首席执行官亚历克斯·格鲁岑 （Alex Gruzen） 在他的网站上指出，自动驾驶电动汽车是个人出行的未来：“但没有司机，谁来给汽车充电？答案很明确：没有插头，没有电线。”　　

      审核编辑：彭静