淺談電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)解決方案

在電動(dòng)汽車充電是促進(jìn)能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵點(diǎn)的世界中，其他解決方案可以與電動(dòng)充電站并駕齊驅(qū)。一種這樣的解決方案是無線充電。無線汽車充電是智能手機(jī)充電的增強(qiáng)版本，具有幾個(gè)不同之處。“無線感應(yīng)式充電使電動(dòng)汽車[EV]無需電纜即可自動(dòng)充電，” Plugless Power首席執(zhí)行官M(fèi)ichael Rai Anderson在接受《電力電子新聞》采訪時(shí)表示。

“從技術(shù)上講，一切都是可擴(kuò)展的；但是，隨著功率傳輸速率的提高，電源管理電子設(shè)備的復(fù)雜性和尺寸也必須提高?！薄案匾氖?，隨著功率上升，還需要考慮許多其他因素，例如熱損失和熱管理。無效率越高，功率越高，熱量損失就越大，并且管理該熱量必須要做的更多。”

YoleDéveloppement（Yole）電力電子和電池首席分析師Milan Rosina博士說，EV充電需要更高的電壓，功率和更多的能量傳遞。因此，技術(shù)，安全，成本和環(huán)境挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻。他說：“雖然無線充電器和智能手機(jī)經(jīng)常緊密接觸，但很難將車輛精確地定位在充電器上方，并且充電器（發(fā)射器）與安裝在車輛上的接收器之間的距離要大得多?！?/p>

Rosina指出，這導(dǎo)致實(shí)際條件下能量傳輸?shù)男实拖?。但是，需要高效率來降低成本和散熱管理方面的挑?zhàn)，并減少無線充電對(duì)環(huán)境的影響（圖1）。

此外，EV充電所需的高電壓和高功率給無線充電系統(tǒng)的安全性和成本帶來了額外的挑戰(zhàn)。Rosina說：“無線充電還需要將額外的充電器集成到車輛中，這增加了車輛成本。”“在公共場所安裝EV無線充電器也面臨許多挑戰(zhàn)。與有線充電器相比，新一代無線充電器的升級(jí)更為復(fù)雜。自主充電通常被視為一種方便甚至自動(dòng)的充電方式。的確，自動(dòng)駕駛汽車將最佳地使用一種自動(dòng)充電功能，而無線充電似乎是一個(gè)有前途的選擇。但是有幾家公司還開發(fā)了自動(dòng)化解決方案，例如電池更換，機(jī)械臂充電，或自動(dòng)移動(dòng)式充電系統(tǒng)。一旦對(duì)自動(dòng)化解決方案的需求緊迫，此類解決方案將與無線充電競爭?！?/p>

圖1：無線充電挑戰(zhàn)（來源：YoleDéveloppement）

UnitedSiC業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)安迪·威爾遜（Andy Wilson）認(rèn)為，無線充電的最早采用者將是商用車輛（公共汽車，貨車，出租車），他們希望將無線充電作為一種快速補(bǔ)充充電的方式來擴(kuò)展車輛范圍。他說：“這些補(bǔ)充充電事件是在車輛停在常規(guī)休息點(diǎn)的短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的?！薄斑@種動(dòng)態(tài)方式將需要比住宅無線充電中更高的功率傳輸水平，在住宅無線充電中，充電可以在一整夜以低得多的功率水平進(jìn)行。

他補(bǔ)充說：“為了能夠滿足商業(yè)補(bǔ)充充電的高功率要求，共振磁感應(yīng)必須在相對(duì)較高的頻率下發(fā)生，這需要更快的開關(guān)設(shè)備?！薄斑@些要求充分發(fā)揮了寬帶隙[WBG]半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢?！?/p>

安森美半導(dǎo)體公司市場營銷和戰(zhàn)略經(jīng)理阿里·侯賽因（Ali Husain）表示，某些無線充電系統(tǒng)聲稱可提供高達(dá)20 kW的功率，從插頭到電池的效率高達(dá)94％。他說：“諧振頻率通常高達(dá)100 kHz，因此WBG的快速切換適合這些系統(tǒng)。”

電動(dòng)汽車充電解決方案

在談到電動(dòng)汽車時(shí)，有多種方法為汽車“補(bǔ)充”能量，包括電池充電，電池交換和加氫（圖2）。Rosina指出，氫氣加氫被用于氫燃料電池電動(dòng)汽車，這在電動(dòng)汽車市場中只占很小的一部分。在更換電池的情況下，通過結(jié)合使用計(jì)算機(jī)視覺和無線通信，工作站可以識(shí)別要更換的每個(gè)電池模塊的確切位置。我們在EE Times上更深入地介紹了該主題。

圖2：如何為電動(dòng)汽車充滿能量（來源：YoleDéveloppement）

Rosina說：“為了達(dá)到政府嚴(yán)格的CO2減排目標(biāo)，車隊(duì)的電氣化已成為強(qiáng)制性措施?！薄氨M管存在不同程度的電氣化，但只有在電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中通過'強(qiáng)電氣化'才能實(shí)現(xiàn)必要的減排?！?/p>

圖3：EV / HEV分類（來源：YoleDéveloppement）

通過電纜進(jìn)行的導(dǎo)電充電包括在充電站和車輛之間手動(dòng)連接導(dǎo)體。根據(jù)電纜的大小，電流會(huì)流過此有線連接，從而允許很高的充電容量。這種收費(fèi)方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：

• 降低基礎(chǔ)設(shè)施成本
• 功率傳輸效率高
• 高速充電的可能性（但成本增加）
• 低維護(hù)要求
• 幾乎沒有電磁輻射

這種收費(fèi)方式的主要缺點(diǎn)是：

需要人工干預(yù)以解決沒有自動(dòng)化流程的相關(guān)缺點(diǎn)

電纜占用了停車區(qū)的空間

由于上面列出的所有優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)電充電肯定會(huì)在未來的許多年內(nèi)繼續(xù)在全電動(dòng)汽車中使用。根據(jù)YoleDéveloppement的“ 2021年插入式電動(dòng)汽車的直流充電”報(bào)告，到2020年，直流充電器市場將以15.6％的復(fù)合年增長率增長，到2026年將達(dá)到約440,000臺(tái)。在不久的將來，我們很有可能還會(huì)看到與該技術(shù)相關(guān)聯(lián)的具有不同自動(dòng)化類型的系統(tǒng)。

Rosina說：“無線充電解決方案仍處于發(fā)展初期，并面臨許多挑戰(zhàn)?！薄霸诳深A(yù)見的將來，'繩'或'線'充電解決方案將一直是電動(dòng)汽車的主流充電解決方案。為避免與通過充電電纜和連接器傳輸非常大的電流相關(guān)的挑戰(zhàn)，開發(fā)了受電弓解決方案-主要用于電動(dòng)公交車充電?！?/p>

威爾遜指出，無線充電需要基礎(chǔ)設(shè)施投資（發(fā)射器墊）和車輛投資（接收器墊）。他說：“對(duì)于日程要求超出車輛電池容量的商用車，能夠在例行停車期間全天接收補(bǔ)充費(fèi)用可以彌補(bǔ)這一差距。”“這一范圍擴(kuò)展價(jià)值為商業(yè)案例提供了依據(jù)，以證明支持無線充電所需的投資是合理的。對(duì)于私人乘用車，無線充電的主要價(jià)值是便利。對(duì)于大多數(shù)人口而言，他們愿意為便利因素提供的投資相對(duì)較少。因此，我們認(rèn)為，要解決這個(gè)市場，成本就必須大大降低?！?/p>

Anderson指出，當(dāng)前的方法基于有線充電設(shè)備，“但是這種設(shè)備長期不實(shí)用，因?yàn)樗鼈児逃械貢?huì)造成絆倒危險(xiǎn)，容易損壞，并且即使有以下情況，也要求駕駛員將車輛插上電源：天氣惡劣。

“無線感應(yīng)充電技術(shù)的歷史研發(fā)主要集中在發(fā)射線圈和接收線圈上；但是，當(dāng)前的研發(fā)工作更多地集中在通信，用戶界面和感覺陣列上?！彼a(bǔ)充說。

與無線充電相關(guān)的安全挑戰(zhàn)與與有線充電相關(guān)的安全挑戰(zhàn)無異。需要類似的軟件協(xié)議和加密來提供系統(tǒng)安全性。安德森說，對(duì)于給定的功率輸出（即3.3 kW，7.2 kW，11 kW），充電時(shí)間將相對(duì)相似。

從電動(dòng)自動(dòng)駕駛汽車的角度來看，在汽車中實(shí)現(xiàn)無線充電的第一個(gè)挑戰(zhàn)是通過通用標(biāo)準(zhǔn)的采用?！艾F(xiàn)在，SAE已發(fā)布了其第一批標(biāo)準(zhǔn)[2020年10月]，我們朝著這一標(biāo)準(zhǔn)邁出了第一步，”安德森說?！艾F(xiàn)在，我們需要消費(fèi)者要求無線充電可以提供的便利性和價(jià)值主張，以確保電動(dòng)汽車OEM廠商開始采用'無線就緒'或'具有無線功能的電動(dòng)汽車。但是，應(yīng)該注意的是，無線充電可以實(shí)現(xiàn)自治。實(shí)際上，眾所周知，沒有無線充電技術(shù)就不會(huì)實(shí)現(xiàn)無人駕駛自主?！?/p>

SAE International發(fā)布的SAE J2954和SAE J2846 / 7標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制定了標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范能量交換，該能量交換能夠以高達(dá)94％的效率和高達(dá)25 cm的板間距離對(duì)高達(dá)11 kW的充電進(jìn)行充電。相同的系統(tǒng)可以應(yīng)用于自主基礎(chǔ)設(shè)施，這些基礎(chǔ)設(shè)施是為能夠自動(dòng)停車和充電的汽車設(shè)計(jì)的。

技術(shù)

關(guān)于“無線”電能傳輸?shù)牡谝粋€(gè)理論依據(jù)是Nicola Tesla（1896年）。其工作原理類似于變壓器，其工作原理是基于磁感應(yīng)定律的。稱為發(fā)射器的初級(jí)電路會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁場。次級(jí)電路接收稱為接收器的該場，該場連接到要供電的設(shè)備。當(dāng)然，要考慮的最重要的參數(shù)是兩個(gè)電路之間的距離及其對(duì)齊方式。對(duì)準(zhǔn)不良和相對(duì)較大的距離會(huì)降低性能，并使能量傳輸效率低下。

磁感應(yīng)充電使用兩個(gè)墊之間的能量交換，一個(gè)墊位于地面上，另一個(gè)墊位于車輛下方。充電板（在地面上）約為1 m2，而接收板（在汽車上）則封裝在小型設(shè)備中。除了可選安裝在車輛上的護(hù)墊外，基礎(chǔ)設(shè)施還包括一個(gè)感應(yīng)充電站。

接收器（接收線圈）放置在車輛底部，而幾個(gè)用作發(fā)送器的線圈則嵌入路面。后者被供應(yīng)電能。其工作原理如下：人行道中的線圈通過電流產(chǎn)生磁場。磁場確保車輛上的線圈接收到該磁場并將其轉(zhuǎn)換回電能。產(chǎn)生的能量用于為運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的電池充電。

侯賽因說，所有主要技術(shù)都是基于發(fā)射線圈和接收線圈之間的共振耦合。他說：“采用這種方法，接收線圈可以很好地調(diào)整到發(fā)射頻率，以最大化通過無線充電間隙傳遞的功率?！?/p>

安德森指出，接收器天線安裝在車輛底部。他說：“其位置需要支持與發(fā)射器天線的鏡像接口?！薄霸谄囅路降膶?shí)際位置比確保與發(fā)射器天線正確連接并不重要。實(shí)際尺寸由設(shè)計(jì)功率傳輸速率決定。有了外殼，對(duì)于電動(dòng)汽車，天線的尺寸范圍為24×30英寸，任何特定尺寸的±6英寸。天線的寬度將在1.5到4英寸之間，具體取決于相關(guān)電力電子設(shè)備的性質(zhì)?！?/p>

基于相同的原理，移動(dòng)無線充電是固定充電的替代方法。想法是在瀝青下方幾厘米處安裝充電線圈，通過非常高的磁場強(qiáng)度，充電線圈可以在汽車行駛時(shí)為汽車充電。為了使系統(tǒng)正常工作，必須使用兼容的系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行改裝。

能源管理

充電管理類似于通過有線充電器，電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行的當(dāng)前充電方法。但是，安德森指出，即使在這種情況下，充電管理也可能會(huì)根據(jù)無線充電設(shè)備的功率輸出條件而略有變化。

“關(guān)鍵是要了解天線之間的通信是基于直流電源的；由于來自電網(wǎng)的電能是交流電，因此對(duì)于發(fā)射器天線，必須將其轉(zhuǎn)換為直流電。”安德森說?！敖邮掌魈炀€以直流電的形式接收電力，然后可以轉(zhuǎn)換回交流電，以與插入式接口使用的相同電氣基礎(chǔ)設(shè)施相接，或者留在直流電中以直接與直流電池管理系統(tǒng)相接。每次必須將電源從AC轉(zhuǎn)換為DC或從DC轉(zhuǎn)換為AC時(shí)，效率都會(huì)略有下降。這樣，大多數(shù)無線充電設(shè)備將以大約92％（±2％）的效率工作。但是，這并不比有線充電設(shè)備低很多。有線充電傾向于提供96％±2％的效率。”

侯賽因補(bǔ)充說：“在接收天線中進(jìn)行共振耦合后，電源是交流電，需要轉(zhuǎn)換以給電池充電。接收天線之后的下一個(gè)階段可能是無源（二極管）或有源（MOSFET）整流。有源整流具有較低的損耗，但是需要更仔細(xì)的控制，并且相對(duì)于硅器件而言通常更昂貴。但是，由于較低的損耗可以允許使用較小的散熱器或冷卻系統(tǒng)，因此總體系統(tǒng)成本可以較低。整流電源后，通常會(huì)有一個(gè)升壓級(jí)，該級(jí)提供隔離，并使電壓電平與電池及其充電狀態(tài)保持一致。”

注意事項(xiàng)

電動(dòng)汽車正逐漸占據(jù)電氣化的主導(dǎo)地位，但是續(xù)航里程仍然是一個(gè)非常困難的問題，政府法規(guī)也是如此。侯賽因說：“無線充電更容易并且對(duì)用戶幾乎是透明的，但是有線充電更直觀，人們可能會(huì)喜歡插入汽車的感覺。無線充電不會(huì)比使用車載充電器的AC充電快，通常為11 kW到20 kW，但是快速DC充電將高達(dá)300 kW，以提供非常快的充電。我們要花很長時(shí)間才能使無線充電成為基礎(chǔ)架構(gòu)的一部分，并為每個(gè)人提供一種選擇使用，付費(fèi)并感到安全的方式?！?/p>

為了使所有人和任何地方都可以進(jìn)行無線電池充電，需要?jiǎng)?chuàng)建感應(yīng)充電站網(wǎng)絡(luò)，并將充電板嵌入路面。駕駛時(shí)的感應(yīng)充電是電動(dòng)汽車的主要選擇。今天唯一可以確定的是，快速充電站的網(wǎng)絡(luò)正在不斷擴(kuò)大，隨著電動(dòng)汽車充電選項(xiàng)的發(fā)展，電動(dòng)汽車的充電將變得越來越容易。

以色列公司Electreon Wireless從事移動(dòng)無線充電已有一段時(shí)間了。在接下來的幾個(gè)月中，計(jì)劃在特拉維夫進(jìn)行首次正式測試，在2公里長的柏油路上的瀝青下方安裝充電板，電動(dòng)公交車將在行駛中對(duì)其進(jìn)行充電。在公共道路上對(duì)電動(dòng)卡車進(jìn)行無線充電是無線道路技術(shù)商業(yè)化的重要里程碑（圖4）。

圖5：WiTricity的磁共振技術(shù)（來源：WiTricity）

Genesis將在其eG80模型和代號(hào)JW的新項(xiàng)目中看到無線充電技術(shù)。該技術(shù)將通過合作伙伴WiTricity實(shí)施，并將基于上述最新的SAE J2954標(biāo)準(zhǔn)。無線充電器的實(shí)際部署可以在2021年下半年開始，因?yàn)楫?dāng)前的技術(shù)要求將新的建筑物與當(dāng)前的攤位分開。Genesis還在開發(fā)7 kW和11 kW家用充電器，以使客戶能夠在其家用車庫中進(jìn)行無線充電（圖5-6）。

圖6：帶有無線充電功能的Genesis汽車（來源：WiTricity）

WiTricity的高效3.6至11 kW EV充電開發(fā)系統(tǒng)為汽車制造商，一級(jí)供應(yīng)商和充電基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商提供了可互操作的無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。WiTricity的高效設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)已包括在SAE International和IEC / ISO（國際）領(lǐng)導(dǎo)的全球標(biāo)準(zhǔn)化工作中；DKE和STILLE項(xiàng)目（德國）；和CATARC（中國）。WiTricity首席執(zhí)行官Alex Gruzen在他的網(wǎng)站上指出，自動(dòng)駕駛電動(dòng)車是個(gè)人出行的未來：“但是，如果沒有駕駛員，誰會(huì)為汽車充電呢？答案很明確：沒有插頭，沒有電線?！?/p>

編輯：hfy