電動(dòng)汽車無線充電之路

根據(jù)Allied Market Research的數(shù)據(jù)，全球電動(dòng)汽車市場的價(jià)值將從 2019 年的 1623.4 億美元增長到 8028.1 億美元。很多汽車都需要充電（電動(dòng)汽車充電），這就是為什么越來越多的公司正在積極尋求通過提供無線充電解決方案（無線充電）來簡化流程的原因。

事實(shí)上，分析師預(yù)測電動(dòng)汽車無線充電市場將出現(xiàn)顯著增長。例如，研究公司Market Research Future預(yù)測，從 2021 年起，復(fù)合年增長率為 48.82%，到 2027 年將達(dá)到 2.5865 億美元的價(jià)值。也就是說，與更傳統(tǒng)的有線充電器相比，電動(dòng)汽車無線充電市場仍然非常小。這是因?yàn)椴豢煞裾J(rèn)的優(yōu)勢無法彌補(bǔ)電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車無線充電技術(shù)的典型技術(shù)困難。

無線充電在簡單性、可靠性和易用性方面為電動(dòng)汽車車主和基礎(chǔ)設(shè)施提供商提供了許多好處。其中包括無需存儲(chǔ)、記住和插拔沉重和骯臟的充電電纜，消除電線或充電站意外或故意損壞的風(fēng)險(xiǎn)，并提供對灰塵和水進(jìn)入的免疫力。在停車場的空間中增加充電使電動(dòng)汽車充電更容易獲得，而無線解決方案意味著充電可以立即開始，而無需駕駛員離開車輛。當(dāng)然，對于自動(dòng)駕駛電動(dòng)汽車，根據(jù)定義，這些都需要無線充電。

由于上述優(yōu)勢，許多汽車制造商和公司已經(jīng)開發(fā)或正在開發(fā)無線充電解決方案。

例如，寶馬早在 2018 年就為其?530e 插電式混合動(dòng)力轎車提供無線充電系統(tǒng)?，并將其作為汽車租賃協(xié)議的一部分在德國、英國、美國、日本和中國推出. 可供客戶選擇的 BMW 無線充電包括一個(gè)感應(yīng)充電站（“GroundPad”），它可以安裝在車庫或室外，以及一個(gè)輔助組件（“CarPad”），它固定在汽車的底部。車。該系統(tǒng)的充電功率為 3.2 kW，使 530e 的電池能夠在大約三個(gè)半小時(shí)內(nèi)充滿電。

Plugless Power 和 WiTricity 提供售后解決方案來升級電動(dòng)汽車以進(jìn)行無線充電，后者還收購了高通公司的“Halo”無線汽車充電技術(shù)，該技術(shù)最初用于為電動(dòng)方程式比賽中的安全和醫(yī)療汽車充電。

其他涉及電動(dòng)汽車無線充電的公司包括大陸集團(tuán)、Elix Wireless、Hevo Power、東芝公司和 ZRE 公司。

電動(dòng)汽車無線充電的挑戰(zhàn)

圖 1 總結(jié)了 EV 無線充電方案設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)。

圖 1：電動(dòng)汽車無線充電的主要挑戰(zhàn)

應(yīng)對這些挑戰(zhàn)需要重新考慮無線充電架構(gòu)的傳統(tǒng)方法。

如圖2所示，從系統(tǒng)角度來看，傳統(tǒng)的無線充電設(shè)計(jì)包括至少三個(gè)不同的塊，由五個(gè)不同的階段組成：

用于整流輸入線電壓的電源整流器。對于低功率應(yīng)用，這可能只是一個(gè)二極管電橋，但在更復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，如電動(dòng)汽車充電，也需要功率因數(shù)校正階段。

發(fā)射器電壓調(diào)節(jié)器（通常是具有兩個(gè)有源元件和一個(gè)高電流磁性元件的降壓轉(zhuǎn)換器），用于在主無線功率鏈路以固定頻率工作時(shí)管理要傳輸?shù)墓β剩榱斯芾鞥MI，這是汽車領(lǐng)域的常見情況）。

一個(gè) DC/AC 發(fā)射器線圈驅(qū)動(dòng)級，用于為線圈通電。該諧振級可以是具有兩個(gè)有源元件的半橋或具有四個(gè)有源元件的全橋。在這兩種情況下，運(yùn)行都會(huì)看到與負(fù)載相關(guān)的效率曲線，該曲線僅在滿載條件下實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān) (ZVS)，對于較輕的負(fù)載或接收器和發(fā)送器之間的耦合遠(yuǎn)未達(dá)到標(biāo)稱值時(shí)，效率會(huì)降低?？梢蕴砑悠渌兀缯{(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，以提高每個(gè)工作點(diǎn)的效率。

無線接收器 AC/DC 線圈全橋整流級，用于對接收器線圈處的電壓進(jìn)行整流。

一個(gè)可選的 DC/DC 接收器電壓調(diào)節(jié)器（同樣，通常是具有兩個(gè)有源元件和一個(gè)磁性元件的降壓轉(zhuǎn)換器，通常用于大功率應(yīng)用）來調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖 2：傳統(tǒng)的無線設(shè)計(jì)

這意味著用于 EV 和插電式混合動(dòng)力汽車的傳統(tǒng)無線充電系統(tǒng)具有 12 到 16 個(gè)有源設(shè)備、至少兩個(gè)磁性元件、兩個(gè)線圈和一根交流電纜。如此多的元件不僅會(huì)導(dǎo)致高昂的物料清單成本，還會(huì)影響整體系統(tǒng)效率。

然而，現(xiàn)在有一種新方法為解決傳統(tǒng)架構(gòu)的挑戰(zhàn)提供了基礎(chǔ)。

圖 3：無線充電的新方法

圖 3 總結(jié)了新架構(gòu)的關(guān)鍵元素，這是一種混合交流電源解決方案，既是電源又是無線充電器。這種架構(gòu)被稱為 E 2 WATT，基于專有的感應(yīng)技術(shù)，與以前的無線充電設(shè)計(jì)相比，可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更遠(yuǎn)的距離，并支持與最佳傳統(tǒng) AC 有線適配器相媲美的效率水平。因此，它提供了一條從幾瓦到幾十千瓦的無線充電路線。

新架構(gòu)將實(shí)現(xiàn)完整的端到端無線充電系統(tǒng)所需的總階段數(shù)減少到只有兩個(gè)。這要?dú)w功于將多級合并為多功能、單級、零電壓開關(guān)、零電流開關(guān) (ZVS-ZCS) 無線電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

E 2 WATT 無線充電系統(tǒng)的兩個(gè)階段是：

直接由電源供電的發(fā)射器 (AC/AC) 級。該級被建模為無橋交流轉(zhuǎn)換器，能夠使用基于氮化鎵功率 IC 和兩個(gè)二極管的創(chuàng)新專有半橋架構(gòu)來驅(qū)動(dòng)線圈。允許對通過線圈傳輸?shù)哪芰窟M(jìn)行精細(xì)控制的設(shè)計(jì)可確保良好的電壓調(diào)節(jié)，并在必要時(shí)支持功率因數(shù)控制。

一種單級 AC/DC 接收器半橋，僅需要兩個(gè)有源器件，同時(shí)用作次級側(cè)整流器和無耗散輸出穩(wěn)壓器。

在發(fā)射器級，由于 ZVS 和接近 ZCS 條件的組合以及對輸入和負(fù)載變化的魯棒性，開關(guān)功率損耗接近于零。并且由于發(fā)射器級沒有諧振，因此可以在任何負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn) ZVS 操作。因此，在很寬的輸出功率范圍內(nèi)，發(fā)射機(jī)效率仍然很高。

結(jié)果是一個(gè)允許傳輸更高功率水平并提供與有線轉(zhuǎn)換器一樣好的效率的系統(tǒng)。因此，該架構(gòu)適合部署在靜態(tài) EV 無線充電設(shè)計(jì)中。

動(dòng)態(tài)電動(dòng)汽車充電

如果說靜態(tài)無線充電很復(fù)雜，那么車輛在行駛中充電的動(dòng)態(tài)無線充電就非常復(fù)雜。

盡管如此，Market Research Future等分析師甚至表示，動(dòng)態(tài)無線充電領(lǐng)域可能會(huì)在未來主導(dǎo)市場。無論情況是否如此，顯而易見的是，隨著各國政府希望通過無排放駕駛來實(shí)現(xiàn)凈零排放承諾，人們對該領(lǐng)域的興趣和投資越來越多。

動(dòng)態(tài)充電的工作原理是在道路上鋪設(shè)無線充電線圈，為行駛中的電動(dòng)汽車充電。優(yōu)點(diǎn)是明顯的時(shí)間經(jīng)濟(jì)性、需要較小電池的汽車以及無需電線。此外，如果無線電力是雙向的，則無線鏈路可以為汽車供電（當(dāng)它加速時(shí)）或?qū)⒛芰總鬏敾仉娋W(wǎng)（當(dāng)它剎車時(shí)），從而進(jìn)一步減少對大電池的需求。

許多國家正在對動(dòng)態(tài)無線充電方案進(jìn)行測試。例如，2021 年，瑞典成功測試了一輛全電動(dòng)長途卡車的無線充電，而在意大利，Stellantis 在意大利 A35 高速公路附近建造的閉路中安裝了動(dòng)態(tài)無線電力傳輸（DWPT）技術(shù)。這條公路帶被稱為 Arena del Futuro（“未來的競技場”），是一條 1,050 米長的軌道，由 1 兆瓦 DWPT 系統(tǒng)供電，菲亞特 500 Electric 和依維柯 E-Way 巴士將用于測試條帶的感應(yīng)充電能力。

除了感應(yīng)式解決方案外，還值得考慮電容式充電解決方案，該解決方案有可能提供優(yōu)化動(dòng)態(tài)無線充電方案充電能力所需的位置自由度。

圖 4：電容式解決方案可以解決動(dòng)態(tài)無線充電問題。

電容系統(tǒng)比電感系統(tǒng)具有潛在的優(yōu)勢，因?yàn)殡妶龅南鄬Ψ较蛐越档土藢﹄姶艌銎帘蔚男枨?。此外，由于電容式無線電力傳輸 (WPT) 系統(tǒng)不使用鐵氧體，它們可以在更高的頻率下工作，從而使其更小、更薄且更便宜。因此，電容式 WPT 可以使動(dòng)態(tài) EV 充電成為現(xiàn)實(shí)。

然而，由于道路和車輛板之間的電容非常小，與感應(yīng)無線電力相比，有效的電力傳輸只能在相對較高的頻率下發(fā)生，這使得這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性。隨著最近可實(shí)現(xiàn)更高頻率運(yùn)行的寬帶隙（GaN 和碳化硅）功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，大功率中等范圍電容 WPT 系統(tǒng)變得可行（Regensburger 等人，2017 年；? Zhang 等人，2016 年）。

Eggtronic 一直在對一種新的無位置電容技術(shù)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，該技術(shù)可以通過確保零電壓和零電流操作來解決這些挑戰(zhàn)，從而顯著降低功率半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)損耗（隨著工作頻率的提高，這是關(guān)鍵問題之一）?；谟蓭讉€(gè)彼此獨(dú)立工作的低成本電容焊盤組成的薄傳輸層，這些電容焊盤與嵌入被充電系統(tǒng)的薄接收焊盤耦合，該系統(tǒng)有可能以低成本傳輸數(shù)千瓦平方米。一種創(chuàng)新的控制算法，基于動(dòng)態(tài)改變激活的傳輸墊的數(shù)量，意味著系統(tǒng)的固有頻率不斷調(diào)整，以控制傳輸?shù)杰囕v的動(dòng)力始終以固定頻率工作。

充電距離

今天的大多數(shù)無線充電系統(tǒng)都基于多個(gè)線圈（用于增加位置自由度和改善耦合）和動(dòng)態(tài)調(diào)諧（基于額外的電抗元件）。

相比之下，有一些專利和研究基于減少發(fā)射器和接收器之間的距離，其機(jī)制是在電力傳輸過程中使發(fā)射器和接收器更靠近。

圖 5：充電距離的機(jī)械縮短

如果這可以自動(dòng)完成，它將在效率、充電速度和成本方面為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)無線電源帶來好處。它還降低了 EMI 性能不佳的可能性，并且無需檢測是否有異物卡在接收器和發(fā)射器之間。

這種方法的主要障礙是需要集成的機(jī)械、電子（在動(dòng)態(tài)無線電力的情況下，還包括空氣動(dòng)力學(xué)）協(xié)同設(shè)計(jì)。

標(biāo)準(zhǔn)

除了解決靜態(tài)和動(dòng)態(tài)無線電動(dòng)汽車充電的技術(shù)挑戰(zhàn)外，協(xié)調(diào)系統(tǒng)以確保加速技術(shù)推廣所需的真正互操作性也很重要。事實(shí)上，缺乏一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)仍然是現(xiàn)有有線充電基礎(chǔ)設(shè)施面臨的挑戰(zhàn)之一，這也是汽車工程師協(xié)會(huì) (SAE) 創(chuàng)建第一個(gè)全球電動(dòng)汽車無線充電標(biāo)準(zhǔn)的原因。

圖 6：SAE J2954 標(biāo)準(zhǔn)功能圖

該標(biāo)準(zhǔn)被稱為 SAE J2954，適用于高達(dá) 11 kW 的充電系統(tǒng)，并滿足自動(dòng)駕駛汽車在無需人工干預(yù)的情況下自行充電的要求。該標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)起點(diǎn)，因?yàn)殡妱?dòng)和插電式混合動(dòng)力汽車的無線電力解決方案仍處于制定規(guī)則的早期階段。隨著我們向前發(fā)展，將需要不斷更新以提供必要的兼容性，而不會(huì)成為性能和功能的瓶頸。

審核編輯 黃昊宇