電動汽車無線充電技術(shù)

在電動汽車充電是推動能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵點的世界中，其他解決方案可以與電動充電站一起出現(xiàn)。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，但有幾個不同之處?！盁o線感應(yīng)充電使電動汽車［EV］ 無需電纜即可自動充電，”Plugless Power 首席執(zhí)行官 Michael Rai Anderson 在接受《電力電子新聞》采訪時表示。

“從技術(shù)上講，一切都是可擴(kuò)展的；然而，隨著功率傳輸速率的提高，電源管理電子設(shè)備的復(fù)雜性和尺寸必須增加，”他補(bǔ)充道。“更重要的是，隨著功率的增加，需要考慮許多其他因素，例如熱損失和熱管理。效率越低，功率越大，熱量損失就越大，必須采取更多措施來管理熱量。”

Yole Développement （Yole） 電力電子和電池首席分析師 Milan Rosina 博士表示，EV 充電需要更高的電壓、功率和能量傳輸量。因此，技術(shù)、安全、成本和環(huán)境挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻?！半m然無線充電器和智能手機(jī)經(jīng)常緊密接觸，但很難將車輛準(zhǔn)確定位在充電器上方，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，”他說。

Rosina 指出，這導(dǎo)致實際條件下能量傳輸效率低下。但是，降低成本和熱管理挑戰(zhàn)以及減少無線充電對環(huán)境的影響需要高效率（圖 1）。

此外，電動汽車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)。“無線充電還需要將額外的充電器集成到車輛中，這會增加車輛成本，”羅西娜說。“在公共場所安裝電動汽車無線充電器也伴隨著許多挑戰(zhàn)。新一代無線充電器的升級比有線充電器更復(fù)雜。自主充電往往被呈現(xiàn)為一種便捷甚至自動化的充電方式。事實上，自動駕駛汽車最好使用一種自動充電，而無線充電在這里似乎是一個很有前途的選擇。但也有幾家公司開發(fā)了自動化解決方案，例如電池更換、機(jī)械臂充電、或自動移動充電系統(tǒng)。一旦對自動化解決方案的需求變得緊迫，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：Yole Développement）

UnitedSiC 業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Andy Wilson 認(rèn)為，無線充電的早期采用者將是商用車輛（公共汽車、送貨車、出租車），它們希望通過無線充電來提供快速補(bǔ)充充電以擴(kuò)展車輛行駛里程。“這些補(bǔ)充充電事件發(fā)生在車輛停在常規(guī)休息點的短時間內(nèi)，”他說?！芭c住宅無線充電相比，這種動態(tài)將需要更高水平的電力傳輸，在住宅無線充電中，充電可以在低得多的功率水平下在一夜之間發(fā)生。

“為了能夠支持商業(yè)補(bǔ)充充電的高功率要求，共振磁感應(yīng)必須以相對較高的頻率發(fā)生，這需要更快的開關(guān)設(shè)備，”他補(bǔ)充道?！斑@些要求正好體現(xiàn)了寬帶隙 ［WBG］ 半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢?！?/p>

安森美半導(dǎo)體企業(yè)營銷和戰(zhàn)略經(jīng)理 Ali Husain 表示，一些無線充電系統(tǒng)聲稱功率高達(dá) 20 kW，從插頭到電池的效率為 94%?！爸C振頻率通常高達(dá) 100 kHz，因此 WBG 的快速開關(guān)適用于這些系統(tǒng)，”他說。

電動汽車充電解決方案

在談到電動汽車時，有多種方法可以為車輛“補(bǔ)充”能量，包括電池充電、電池更換和加氫（圖 2）。Rosina指出，加氫用于氫燃料電池電動汽車，這在電動汽車市場中占極小的一部分。在更換電池的情況下，通過結(jié)合使用計算機(jī)視覺和無線通信，該站可以識別要更換的每個電池模塊的確切位置。我們在 EE Times 上更深入地介紹了這個主題。

圖 2：如何為電動汽車注入能量（來源：Yole Développement）

“為了達(dá)到政府嚴(yán)格的 CO 2減排目標(biāo)，車隊的電氣化已成為強(qiáng)制性要求，”Rosina 說?！半m然存在不同程度的電氣化，但只有通過‘強(qiáng)電氣化’——在電動汽車和插電式混合動力電動汽車中，才能實現(xiàn)必要的減排。”

圖 3：EV/HEV 分類

通過電纜進(jìn)行傳導(dǎo)充電包括手動連接充電站和車輛之間的導(dǎo)體。根據(jù)電纜的尺寸，電流會流過這個有線連接，從而實現(xiàn)非常高的充電容量。這種充電方式的主要優(yōu)點是：

降低基礎(chǔ)設(shè)施成本

高功率傳輸效率

高速充電的可能性（但增加成本）

維護(hù)要求低

幾乎沒有電磁輻射

這種充電方式的主要缺點是：

需要人工干預(yù)才能解決沒有自動化流程的相關(guān)缺點

電纜占用停車區(qū)的空間

對于上述所有優(yōu)點，傳導(dǎo)充電肯定會在未來很多年繼續(xù)用于全電動汽車。根據(jù) Yole Développement 的《2021 年插電式電動汽車直流充電》報告，直流充電器市場將在 2020-2026 年以 15.6% 的復(fù)合年增長率增長，到 2026 年將達(dá)到約 440，000 臺。但是，要克服其劣勢，需要很可能在不久的將來，我們還將看到具有與該技術(shù)相關(guān)的不同類型自動化的系統(tǒng)。

“無線充電解決方案仍處于早期發(fā)展階段，面臨許多挑戰(zhàn)，”羅西娜說。“在可預(yù)見的未來，‘電線’或‘電線’充電解決方案是并將繼續(xù)是電動汽車的主流充電解決方案。為了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)，已經(jīng)開發(fā)了受電弓解決方案——主要用于電動公交車充電?！?/p>

威爾遜指出，無線充電既需要基礎(chǔ)設(shè)施投資（發(fā)射器墊），也需要車輛投資（接收器墊）?！皩τ谌粘Ｐ旭偫锍桃蟪^車輛電池容量的商用車，在日常停車期間全天接收補(bǔ)充充電的能力可以彌補(bǔ)這一差距，”他說。“這個范圍擴(kuò)展價值提供了商業(yè)案例來證明支持無線充電所需的投資。對于私人乘用車來說，無線充電的主要價值是方便。對于大多數(shù)人來說，他們愿意為便利因素支持的投資相對較少。出于這個原因，我們認(rèn)為在解決這個市場之前需要大幅降低成本。”

Anderson 指出，目前的方法是基于有線充電設(shè)備，“但從長遠(yuǎn)來看，此類設(shè)備并不實用，因為它們固有地會造成旅行危險，容易損壞，并且需要駕駛員插入車輛，即使天氣惡劣。

“無線感應(yīng)充電部署的歷史研發(fā)主要集中在發(fā)射和接收線圈上；然而，目前的研發(fā)工作更側(cè)重于通信、用戶界面和感官陣列，”他補(bǔ)充道。

與無線充電相關(guān)的安全挑戰(zhàn)與有線充電相關(guān)的安全挑戰(zhàn)沒有什么不同。需要類似的軟件協(xié)議和加密來提供系統(tǒng)安全。Anderson 表示，對于給定的功率輸出（即 3.3 kW、7.2 kW、11 kW），充電時間將相對相似。

從電動自動駕駛汽車的角度來看，在汽車中實施無線充電的第一個挑戰(zhàn)是通過通用標(biāo)準(zhǔn)采用。“現(xiàn)在 SAE 已經(jīng)發(fā)布了它的第一個標(biāo)準(zhǔn) ［2020 年 10 月］，我們已經(jīng)邁出了第一步，”安德森說?！拔覀儸F(xiàn)在需要消費者要求無線充電可以提供的便利和價值主張，以確保電動汽車 OEM 開始采用“無線就緒”或“無線功能”電動汽車。但是，應(yīng)該注意的是，無線充電可以實現(xiàn)自主。事實上，人們普遍認(rèn)為，沒有無線充電技術(shù)就沒有無人駕駛?！?/p>

SAE International 發(fā)布的 SAE J2954 和 SAE J2846/7 標(biāo)準(zhǔn)制定了規(guī)范能量交換的標(biāo)準(zhǔn)，可充電功率高達(dá) 11 kW，效率為 94%，板車距離可達(dá) 25 cm。相同的系統(tǒng)可以應(yīng)用于自主基礎(chǔ)設(shè)施，專為能夠自動停車和充電的汽車而設(shè)計。

技術(shù)

第一個提出“無線”電能傳輸理論的人是 1896 年的尼古拉·特斯拉。其工作原理類似于變壓器，并基于磁感應(yīng)定律。稱為發(fā)射器的初級電路會產(chǎn)生隨時間變化的磁場。次級電路接收這個字段，稱為接收器，它連接到要供電的設(shè)備。要考慮的最重要參數(shù)當(dāng)然是兩個電路之間的距離及其對齊方式。對齊不良和相對較大的距離會降低性能并使能量傳輸效率低下。

磁感應(yīng)充電使用兩個墊子之間的能量交換，一個位于地面，另一個位于車輛下方。充電板（在地面上）大約為 1 m 2，而接收板（在車上）則被封閉在一個小裝置中。除了可選擇安裝在車輛上的充電墊外，基礎(chǔ)設(shè)施還包括感應(yīng)充電站。

接收器（接收線圈）放置在車輛底部，而幾個充當(dāng)發(fā)射器的線圈則嵌入路面。后者由電能供應(yīng)。其工作原理如下：路面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)生的能量用于為運行電機(jī)的電池充電。

Husain 說，所有主要技術(shù)都基于發(fā)射線圈和接收線圈之間的諧振耦合?！霸谶@種方法中，接收線圈非常適合發(fā)射頻率，以最大限度地提高通過無線充電間隙傳輸?shù)墓β?，”他說。

安德森指出，接收天線安裝在車輛底部?！八奈恢眯枰С峙c發(fā)射器天線的鏡像接口，”他說。“與確保與發(fā)射器天線的正確接口相比，汽車下方的實際位置并不重要。實際尺寸由設(shè)計功率傳輸率決定。對于電動汽車的外殼，天線的尺寸范圍為 24 × 30 英寸，任何特定尺寸為 ±6 英寸。天線的寬度范圍為 1.5 到 4 英寸，具體取決于相關(guān)電力電子設(shè)備的性質(zhì)。”

基于相同的原理，移動無線充電是固定充電的替代方案。這個想法是在瀝青下方幾厘米處安裝充電線圈，通過非常高頻的磁場，可以在汽車行駛時為它們充電。為了使系統(tǒng)工作，車輛必須使用兼容的系統(tǒng)進(jìn)行改裝。

能源管理

充電管理類似于當(dāng)前的充電方法，通過有線充電器，通過 EV 的電池管理系統(tǒng)。不過，安德森指出，即使在這種情況下，充電管理也可能會因無線充電設(shè)備的功率輸出情況而略有變化。

“關(guān)鍵是要明白天線之間的通信是基于直流電源；由于來自電網(wǎng)的電力是交流電，因此發(fā)射器天線必須將電力轉(zhuǎn)換為直流電，”安德森說。“接收器天線接收直流電源，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)施接口或保持直流電直接與直流電池管理系統(tǒng)接口。每次必須將電源從交流轉(zhuǎn)換為直流或從直流轉(zhuǎn)換為交流時，效率都會略有下降。因此，大多數(shù)無線充電設(shè)備將以大約 92%、±2% 的效率運行。然而，這并不比有線充電設(shè)備低得多。有線充電往往提供 96%，±2% 的效率?！?/p>

Husain 補(bǔ)充道：“在接收天線諧振耦合后，電源是交流電，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能給電池充電。接收天線之后的下一階段可能是無源（二極管）或有源（MOSFET）整流。有源整流具有較低的損耗，但需要更仔細(xì)的控制，并且相對于硅器件而言通常更昂貴。然而，整體系統(tǒng)成本可以更低，因為更低的損耗可以允許更小的散熱器或冷卻系統(tǒng)。在對電源進(jìn)行整流后，通常會有一個升壓級，它提供隔離并使電壓電平與電池及其充電狀態(tài)保持一致?！?/p>

注意事項

電動汽車正逐漸主導(dǎo)電氣化，但續(xù)航里程仍然是一個非常困難的問題，政府法規(guī)的問題也是如此。Husain 說：“無線充電更容易，對用戶來說幾乎是透明的，但有線充電更直觀，人們可能喜歡插入汽車的感覺。無線充電不會比使用車載充電器的交流充電快，通常為 11 kW 至 20 kW，但快速直流充電將達(dá)到 300 kW 以提供非?？焖俚某潆?。我們還需要很長時間才能讓無線充電成為基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，并讓每個人都可以選擇使用它、付費并感到安全。”

為了讓每個人和任何地方都能進(jìn)行無線電池充電，需要創(chuàng)建感應(yīng)充電站網(wǎng)絡(luò)，充電板嵌入路面。駕駛時感應(yīng)充電是電動汽車的主要選擇。今天唯一可以確定的是，快速充電站網(wǎng)絡(luò)正在不斷擴(kuò)大，隨著充電方式的發(fā)展，為電動汽車充電將變得越來越容易。

一段時間以來，以色列公司 Electreon Wireless 一直致力于無線充電。在接下來的幾個月里，計劃在特拉維夫進(jìn)行第一次正式測試，在 2 公里長的柏油路下安裝充電板，電動巴士將能夠在行駛中充電。電動卡車在公共道路上的無線充電是無線電動道路技術(shù)商業(yè)化的一個重要里程碑（圖 4）。

圖 4：瀝青下的充電板

圖 5：WiTricity 的磁共振技術(shù)（來源：WiTricity）

Genesis 將在其 eG80 型號和代號為 JW 的新項目中看到提供無線充電技術(shù)。該技術(shù)將通過合作伙伴 WiTricity 實施，并將基于上述最新的 SAE J2954 標(biāo)準(zhǔn)。無線充電器的真正部署可以從 2021 年下半年開始，因為當(dāng)前的技術(shù)需要新的建筑物與當(dāng)前的攤位分開。Genesis 還在開發(fā) 7 千瓦和 11 千瓦的家用充電器，使客戶能夠在他們的家庭車庫中進(jìn)行無線充電（圖 5-6）。

圖 6：配備無線充電的 Genesis 汽車

WiTricity 的高效 3.6 至 11 kW EV 充電開發(fā)系統(tǒng)為汽車制造商、一級供應(yīng)商和充電基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商提供可互操作的無線充電系統(tǒng)設(shè)計。WiTricity 的高效設(shè)計和架構(gòu)已被納入由 SAE International 和 IEC/ISO（國際）牽頭的全球標(biāo)準(zhǔn)化工作；DKE 和 STILLE 項目（德國）；和 CATARC（中國）。WiTricity 的首席執(zhí)行官亞歷克斯·格魯岑 （Alex Gruzen） 在他的網(wǎng)站上指出，自動駕駛電動汽車是個人出行的未來：“但沒有司機(jī)，誰來給汽車充電？答案很明確：沒有插頭，沒有電線?！?/p>