浅谈电动汽车无线充电技术解决方案

作者：Maurizio Di Paolo Emi 

在电动汽车充电是促进能源转换的关键点的世界中，其他解决方案可以与电动充电站并驾齐驱。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本，具有几个不同之处。“无线感应式充电使电动汽车[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；但是，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也必须提高。”“更重要的是，随着功率上升，还需要考虑许多其他因素，例如热损失和热管理。无效率越高，功率越高，热量损失就越大，并且管理该热量必须要做的更多。”

YoleDéveloppement（Yole）电力电子和电池首席分析师Milan Rosina博士说，EV充电需要更高的电压，功率和更多的能量传递。因此，技术，安全，成本和环境挑战更加严峻。他说：“虽然无线充电器和智能手机经常紧密接触，但很难将车辆精确地定位在充电器上方，并且充电器（发射器）与安装在车辆上的接收器之间的距离要大得多。”

Rosina指出，这导致实际条件下能量传输的效率低下。但是，需要高效率来降低成本和散热管理方面的挑战，并减少无线充电对环境的影响（图1）。

此外，EV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。Rosina说：“无线充电还需要将额外的充电器集成到车辆中，这增加了车辆成本。”“在公共场所安装EV无线充电器也面临许多挑战。与有线充电器相比，新一代无线充电器的升级更为复杂。自主充电通常被视为一种方便甚至自动的充电方式。的确，自动驾驶汽车将最佳地使用一种自动充电功能，而无线充电似乎是一个有前途的选择。但是有几家公司还开发了自动化解决方案，例如电池更换，机械臂充电，或自动移动式充电系统。一旦对自动化解决方案的需求紧迫，此类解决方案将与无线充电竞争。”

图1：无线充电挑战（来源：YoleDéveloppement）

UnitedSiC业务发展总监安迪·威尔逊（Andy Wilson）认为，无线充电的最早采用者将是商用车辆（公共汽车，货车，出租车），他们希望将无线充电作为一种快速补充充电的方式来扩展车辆范围。他说：“这些补充充电事件是在车辆停在常规休息点的短时间内发生的。”“这种动态方式将需要比住宅无线充电中更高的功率传输水平，在住宅无线充电中，充电可以在一整夜以低得多的功率水平进行。

他补充说：“为了能够满足商业补充充电的高功率要求，共振磁感应必须在相对较高的频率下发生，这需要更快的开关设备。”“这些要求充分发挥了宽带隙[WBG]半导体器件的优势。”

安森美半导体公司市场营销和战略经理阿里·侯赛因（Ali Husain）表示，某些无线充电系统声称可提供高达20 kW的功率，从插头到电池的效率高达94％。他说：“谐振频率通常高达100 kHz，因此WBG的快速切换适合这些系统。”

电动汽车充电解决方案

在谈到电动汽车时，有多种方法为汽车“补充”能量，包括电池充电，电池交换和加氢（图2）。Rosina指出，氢气加氢被用于氢燃料电池电动汽车，这在电动汽车市场中只占很小的一部分。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，工作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上更深入地介绍了该主题。

图2：如何为电动汽车充满能量（来源：YoleDéveloppement）

Rosina说：“为了达到政府严格的CO2减排目标，车队的电气化已成为强制性措施。”“尽管存在不同程度的电气化，但只有在电动汽车和插电式混合动力电动汽车中通过‘强电气化’才能实现必要的减排。”

图3：EV / HEV分类（来源：YoleDéveloppement）

通过电缆进行的导电充电包括在充电站和车辆之间手动连接导体。根据电缆的大小，电流会流过此有线连接，从而允许很高的充电容量。这种收费方式的主要优点是：

• 降低基础设施成本
• 功率传输效率高
• 高速充电的可能性（但成本增加）
• 低维护要求
• 几乎没有电磁辐射

这种收费方式的主要缺点是：

需要人工干预以解决没有自动化流程的相关缺点

电缆占用了停车区的空间

由于上面列出的所有优点，导电充电肯定会在未来的许多年内继续在全电动汽车中使用。根据YoleDéveloppement的“ 2021年插入式电动汽车的直流充电”报告，到2020年，直流充电器市场将以15.6％的复合年增长率增长，到2026年将达到约440,000台。在不久的将来，我们很有可能还会看到与该技术相关联的具有不同自动化类型的系统。

Rosina说：“无线充电解决方案仍处于发展初期，并面临许多挑战。”“在可预见的将来，‘绳’或‘线’充电解决方案将一直是电动汽车的主流充电解决方案。为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，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，无线充电需要基础设施投资（发射器垫）和车辆投资（接收器垫）。他说：“对于日程要求超出车辆电池容量的商用车，能够在例行停车期间全天接收补充费用可以弥补这一差距。”“这一范围扩展价值为商业案例提供了依据，以证明支持无线充电所需的投资是合理的。对于私人乘用车，无线充电的主要价值是便利。对于大多数人口而言，他们愿意为便利因素提供的投资相对较少。因此，我们认为，要解决这个市场，成本就必须大大降低。”

Anderson指出，当前的方法基于有线充电设备，“但是这种设备长期不实用，因为它们固有地会造成绊倒危险，容易损坏，并且即使有以下情况，也要求驾驶员将车辆插上电源：天气恶劣。

“无线感应充电技术的历史研发主要集中在发射线圈和接收线圈上；但是，当前的研发工作更多地集中在通信，用户界面和感觉阵列上。”他补充说。

与无线充电相关的安全挑战与与有线充电相关的安全挑战无异。需要类似的软件协议和加密来提供系统安全性。安德森说，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，在汽车中实现无线充电的第一个挑战是通过通用标准的采用。“现在，SAE已发布了其第一批标准[2020年10月]，我们朝着这一标准迈出了第一步，”安德森说。“现在，我们需要消费者要求无线充电可以提供的便利性和价值主张，以确保电动汽车OEM厂商开始采用无线就绪或具有无线功能的电动汽车。但是，应该注意的是，无线充电可以实现自治。实际上，众所周知，没有无线充电技术就不会实现无人驾驶自主。”

SAE International发布的SAE J2954和SAE J2846 / 7标准已经制定了标准，以规范能量交换，该能量交换能够以高达94％的效率和高达25 cm的板间距离对高达11 kW的充电进行充电。相同的系统可以应用于自主基础设施，这些基础设施是为能够自动停车和充电的汽车设计的。

技术

关于“无线”电能传输的第一个理论依据是Nicola Tesla（1896年）。其工作原理类似于变压器，其工作原理是基于磁感应定律的。称为发射器的初级电路会产生随时间变化的磁场。次级电路接收称为接收器的该场，该场连接到要供电的设备。当然，要考虑的最重要的参数是两个电路之间的距离及其对齐方式。对准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之间的能量交换，一个垫位于地面上，另一个垫位于车辆下方。充电板（在地面上）约为1 m2，而接收板（在汽车上）则封装在小型设备中。除了可选安装在车辆上的护垫外，基础设施还包括一个感应充电站。

接收器（接收线圈）放置在车辆底部，而几个用作发送器的线圈则嵌入路面。后者被供应电能。其工作原理如下：人行道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动机的电池充电。

侯赛因说，所有主要技术都是基于发射线圈和接收线圈之间的共振耦合。他说：“采用这种方法，接收线圈可以很好地调整到发射频率，以最大化通过无线充电间隙传递的功率。”

安德森指出，接收器天线安装在车辆底部。他说：“其位置需要支持与发射器天线的镜像接口。”“在汽车下方的实际位置比确保与发射器天线正确连接并不重要。实际尺寸由设计功率传输速率决定。有了外壳，对于电动汽车，天线的尺寸范围为24×30英寸，任何特定尺寸的±6英寸。天线的宽度将在1.5到4英寸之间，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法。想法是在沥青下方几厘米处安装充电线圈，通过非常高的磁场强度，充电线圈可以在汽车行驶时为汽车充电。为了使系统正常工作，必须使用兼容的系统对车辆进行改装。

能源管理

充电管理类似于通过有线充电器，电动汽车的电池管理系统进行的当前充电方法。但是，安德森指出，即使在这种情况下，充电管理也可能会根据无线充电设备的功率输出条件而略有变化。

“关键是要了解天线之间的通信是基于直流电源的；由于来自电网的电能是交流电，因此对于发射器天线，必须将其转换为直流电。”安德森说。“接收器天线以直流电的形式接收电力，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相接，或者留在直流电中以直接与直流电池管理系统相接。每次必须将电源从AC转换为DC或从DC转换为AC时，效率都会略有下降。这样，大多数无线充电设备将以大约92％（±2％）的效率工作。但是，这并不比有线充电设备低很多。有线充电倾向于提供96％±2％的效率。”

侯赛因补充说：“在接收天线中进行共振耦合后，电源是交流电，需要转换以给电池充电。接收天线之后的下一个阶段可能是无源（二极管）或有源（MOSFET）整流。有源整流具有较低的损耗，但是需要更仔细的控制，并且相对于硅器件而言通常更昂贵。但是，由于较低的损耗可以允许使用较小的散热器或冷却系统，因此总体系统成本可以较低。整流电源后，通常会有一个升压级，该级提供隔离，并使电压电平与电池及其充电状态保持一致。”

注意事项

电动汽车正逐渐占据电气化的主导地位，但是续航里程仍然是一个非常困难的问题，政府法规也是如此。侯赛因说：“无线充电更容易并且对用户几乎是透明的，但是有线充电更直观，人们可能会喜欢插入汽车的感觉。无线充电不会比使用车载充电器的AC充电快，通常为11 kW到20 kW，但是快速DC充电将高达300 kW，以提供非常快的充电。我们要花很长时间才能使无线充电成为基础架构的一部分，并为每个人提供一种选择使用，付费并感到安全的方式。”

为了使所有人和任何地方都可以进行无线电池充电，需要创建感应充电站网络，并将充电板嵌入路面。驾驶时的感应充电是电动汽车的主要选择。今天唯一可以确定的是，快速充电站的网络正在不断扩大，随着电动汽车充电选项的发展，电动汽车的充电将变得越来越容易。

以色列公司Electreon Wireless从事移动无线充电已有一段时间了。在接下来的几个月中，计划在特拉维夫进行首次正式测试，在2公里长的柏油路上的沥青下方安装充电板，电动公交车将在行驶中对其进行充电。在公共道路上对电动卡车进行无线充电是无线道路技术商业化的重要里程碑（图4）。

图5：WiTricity的磁共振技术（来源：WiTricity）

Genesis将在其eG80模型和代号JW的新项目中看到无线充电技术。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。无线充电器的实际部署可以在2021年下半年开始，因为当前的技术要求将新的建筑物与当前的摊位分开。Genesis还在开发7 kW和11 kW家用充电器，以使客户能够在其家用车库中进行无线充电（图5-6）。

图6：带有无线充电功能的Genesis汽车（来源：WiTricity）

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了可互操作的无线充电系统设计。WiTricity的高效设计和体系结构已包括在SAE International和IEC / ISO（国际）领导的全球标准化工作中；DKE和STILLE项目（德国）；和CATARC（中国）。WiTricity首席执行官Alex Gruzen在他的网站上指出，自动驾驶电动车是个人出行的未来：“但是，如果没有驾驶员，谁会为汽车充电呢？答案很明确：没有插头，没有电线。”