淺析電動汽車無線充電技術現狀及發展趨勢

未倩倩，趙凌霄，黃 炘，李 津

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

電動化、智能化和網聯化的汽車未來發展趨勢已經明確。汽車產業鏈條上的各方企業都在加速產品研發，搶占市場先機。

電動汽車電能補充方式主要分為傳導充電、無線充電和換電3種。換電方式由于其運營成本高、換電模式標準化難和安全風險高等問題，推廣阻礙較大；傳導充電在電能傳輸過程中易引發安全事故，同時維護困難、靈活性較差，在雨雪等惡劣環境下充電困難［1］；而無線充電具有更高的靈活性和穩定性，同時還可以實現動態供電，這恰恰解決了目前電動汽車動力電池容量有限而導致續航能力不足這一關鍵技術問題。同時，電動汽車無線充電技術是無人駕駛技術的支撐基礎。無人駕駛是近幾年的熱點方向，各大科技公司從谷歌、百度、華為到特斯拉等都把無人駕駛技術作為最重要的戰略規劃。真正的無人駕駛汽車，將不僅包含駕駛無人化，同樣將包含能源交互無人化。

本文通過對國內外車企、零部件廠商以及研究機構的研究進展進行總結，提出無線充電目前面臨的技術瓶頸和標準測試進展情況，最后對其發展做了進一步展望。

1 國內外現狀分析

在國際范圍內，各大車企聯合無線充電技術供應商，加快無線充電技術研發和產品化的進程。

寶馬、奔馳、奧迪等廠家主要研發電磁感應方向的無線充電技術，由于此技術方案要求盡可能小的位置偏差，一般配備車型都配置有輔助泊車系統。2018年6月份，寶馬官方發布，全新寶馬530e iPerformance的消費者可選裝感應式無線充電系統，該系統的充電功率為3.2 kW，大概需要3.5 h［2］。而奔馳計劃在新款S500e插電混動車型上應用無線充電技術，充電功率3.6 kW。2017年7月在西班牙巴塞羅奧迪峰會上，奧迪展示了插電混動版本的A8 e-tron quattro，此車型除支持7.2 kW的快充外，還支持3.6 kW無線充電，此車型計劃2019年投放市場。保時捷新推出的Mission E采用Turbo Charging無線充電技術，搭載800 V的獨有車載充電器，15 min可充80%，續航里程達400 km。

豐田、通用和日產等汽車公司先后聯手美國Evatran公司進行無線充電系統方面的研發，日產Leaf和雪佛蘭Chevy Volt及凱迪拉克ELR電動車上就裝載了Evatran公司3.3kW Plugless L2無線充電系統。WiTricity公司無線充電產品傳輸功率從3.6 kW到11 kW，傳輸效率達90%～93%。在2019國際消費類電子產品展覽會 （簡稱CES）上，本田正式發布了Wireless Vehicle-to-Grid無線充電技術。該技術是基于WiTricity DRIVE 11無線充電平臺和本田的V2G技術實現的雙向能源管理系統，相比傳統的無線充電技術，它除了能給車輛充放電外，還增加了向電網回傳電力的功能。此屆CES上，現代現場演示了一種與自動泊車相結合的無線充電概念技術，并計劃2025年推出。

在國內，中興新能源從2014年和東風汽車公司在湖北襄陽聯合打造出中國第一條大功率無線充電公交商用示范線［3］開始，截至到現在，已在全國30多個城市開通了無線充電公交線路。國內無線充電的技術應用主要集中商用客車方面，在乘用車方面還未有量產車型上市。在2016年廣州國際新能源汽車充電樁博覽會上，北汽聯合中惠創智推出國內首創基于磁耦合諧振技術研發的6.6kW級無線充電樁，傳輸距離達到20 cm （±5），平均傳輸效率達到90%以上。

在大功率無線充電方面，中興新能源研發出了具有完全自主知識產權的電動汽車60 kW大功率無線充電系列產品。美國能源部橡樹嶺國家實驗室 （ORNL）研究出了一款用于車輛的120 kW無線充電系統，效率為97%［3-4］。德國龐巴迪公司200 kW無線充電系統，效率高達92%，并可組合為400 kW。

在動態充電方面，沃爾沃提出了一種汽車集電器和公路電纜直連，實現直流充電的動態充電方式，這一充電系統要求車速大于60 km／h，更適合在高速公路上推廣［5］。ElectReon Wireless公司利用自主研發的實時無線電氣化系統成功地完成雷諾Zoe行駛無線充電測試。測試時采用了多種路況條件，該款無線充電系統的充電傳輸率達到87%。

2 無線充電關鍵技術

2.1 技術種類

無線充電系統一般由電源、低端控制單元、地面發射板、車載接收板、車載控制器、動力電池等幾個部分組成。常見的無線充電技術包括電磁感應式、電磁共振式、電磁耦合式和無線電波式。無線充電系統框圖如圖1所示。

圖1 無線充電系統框圖

1）電磁感應式無線充電

電磁感應式無線充電是目前在電動汽車上應用實例最多的技術，電磁感應式無線充電的媒介為磁場，利用松耦合變壓器原理，原邊線圈產生高頻變換的磁場，副邊線圈生成感應電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端，來給負載供電。

2）強耦合電磁共振式無線充電技術

強耦合電磁共振式無線充電技術以電磁諧振原理為理論基礎，在發射端和接收端配置相同諧振頻率的諧振線圈，當兩者距離適當時，給發射端輸送與諧振線圈相同諧振頻率的驅動信號和能量，兩者產生共振，從而進行能量傳輸。

3）電磁耦合式無線充電技術

電磁耦合電能傳輸的原理是在發射能量側和接收能量側分別設置電極，利用金屬板之間的電容效應來實現無線電能的傳輸［6］，此方式可以穿越金屬障礙物，且電磁干擾低。

4）無線電波式無線充電技術

無線電波式無線充電技術，是以無線電波即微波為載體在自由空間內傳輸能量。無線電波傳輸因具有“定向、可穿透電離層”等特性，故其傳輸距離可以很遠。

2.2 難點問題

傳輸效率是目前無線充電面臨的共性問題。感應式充電方式傳輸功率一般可以達到幾百瓦，但是傳輸距離比較近，通常不超過10 cm。且對充電位置要求較高，當車輛端和設備端線圈位置完全重合時，能量效率達到峰值。共振式充電技術的傳輸距離比普通感應式更遠一些，可以達到3～4 m，傳輸功率可達幾千瓦，但充電效率較低，一般在50%左右。耦合式無線充電技術傳輸距離遠于感應耦合方式，可達到幾十厘米以上，且效率可達到60%以上［7］。電波充電方式，傳輸距離遠，甚至可以實現航天器與地面之間的能量傳輸，但是受限于傳輸功率較小，一般不應用在汽車無線充電系統。

電磁輻射也是無線充電需要解決的技術瓶頸之一。當大功率的車用無線充電設備運行時，電磁波會對周圍的生物和電子設備產生影響，甚至會危害人體健康，資料表明兒童相較于成人，更易受到電磁輻射的影響［4］。目前中國汽車技術研究中心有限公司正在開展無線充電對心臟起搏器的影響研究。

大功率無線充電和雙向無線充電系統的應用，會造成電網側電能品質變差，造成諧波污染、電網負荷不均勻等問題，使電網環境變得更加復雜，對供電設施、電動汽車本身都是一個考驗［5，8］。

有效的定位引導、活體檢測和異物檢測存在一定的技術難點，目前很多高校在進行相關方面的研究［9-10］，并申請了技術專利，但對于類似曲別針、大頭釘等小型金屬物體的檢測還很難做到。

2.3 標準情況

目前全球無線充電技術標準主要是QI標準、A4WP標準和PMA標準3種［11］，由各企業聯盟制定，主要應用在消費電子領域。

國際電動委員會 （IEC）和國際標準化組織 （ISO）的共同工作組“PT61890”，在推進電動汽車領域的無線充電技術標準化，目前電動汽車無線充電通用要求已于2015年發布，控制通信的標準和電磁場方式方面的標準正在起草中。

美國汽車工程師協會 （SAE），J2954TM工作組推進無線充電技術標準化進程，于2014年即已公告針對EV與PHEV的國際無線充電標準J2954與無線充電通信標準J2847-6，標準規定，標準頻率為85 kHz，頻帶范圍81.38～90.00 kHz；輸出功率分3個等級，即輸出最低功率等級WPT1為3.7 kW，家庭及公共充電場所的WPT2為7.7 kW，用于快充的WPT3為11 kW和22 kW。

中國也在加快電動汽車無線充電技術的標準化進程，目前正在起草無線充電通用要求、互操作性、通信協議、電磁兼容等系列標準。

2.4 測試技術

無論何種技術方式，原邊到副邊的電能轉換效率和X、Y方向的位置偏差、Z方向的隔空間隙以及車輛接收板相對地面發射板的轉角有一定的關系。因此，一般無線充電系統具備定位引導作用。此外，金屬異物造成的系統發熱、電子元件老化造成的系統功能失調等均會對無線充電的功率造成一定的影響。

由于在充電板和接收板之間的區域，磁場強度是最大的。為了防止小動物，如貓、狗等，因長期暴露在高強度電磁場中引發組織損傷，除對無線充電系統的EMC限值進行規定外，一般無線充電系統在開始充電前以及充電過程中實時進行活體監測。當小動物接近充電板時，系統檢測到并停止充電；一旦小動物離開，系統能及時恢復充電功能。

在互操作性方面，要求不同類型線圈之間能正常匹配，還要求不同功率等級、不同離地間隙的無線充電系統能向下兼容。

針對以上應用場景，中國第三方測試機構陸續建設無線充電測試能力。中國汽車技術研究中心有限公司已具備國內首個六軸可移動測試平臺，可實現功率效率等關鍵性能測試、異物檢測功能測試、保護功能測試、機械結構測試等。測試功率可覆蓋3.3 kW、7.7 kW、11 kW、22 kW、30 kW、60 kW甚至更高功率等級。中國電力科學研究院投建無線充電試驗室，并于2018年4月開始進行無線充電產品性能和安全測試，2019年開展部件級和整車級互操作摸底測試。

3 發展趨勢

1）動態無線充電技術研究。道路基面以下布置充電設施，為行進中的汽車充電，從而使汽車行駛消耗的電能得到及時補充，延長汽車續駛里程。

2）雙向無線充電技術研究。在雙向無線充放電方面，清華大學、哈爾濱工業大學等幾所高校有研究［12-13］，但產品化方面仍屬空白。

3）無線充電技術與智能網聯技術深度融合，提高整車駕駛性能和用戶體驗。

4）電磁防護技術研究。電動汽車無線充電系統工作在高頻磁場變化下，其電磁輻射水平對生物安全性的影響是公眾關注的重要問題。

5）新技術新材料應用研究，提高無線充電傳輸效率。如以SiC為代表的第3代半導體，以其高頻、高耐壓和低損耗等特性，為充電設施向高效率、高功率密度和高電壓等級方向發展提供了器件級基礎。

6）大功率無線充電技術。電動汽車充電時間是電動汽車性能評價的一個關鍵技術指標，提高充電功率，縮短充電時間有助于提升用戶體驗。而大功率充電負荷對電網沖擊分析及應對策略研究是今后研究重點。

4 總結

本文綜述了目前電動汽車無線充電技術研究現狀，在對無線充電技術體系、類別和技術特點進行總結和提煉的基礎上，概述了當前的研究熱點，匯總了各大汽車企業和相關研究機構無線充電技術研發進展。該技術未來發展趨勢包括動態充電技術、與智能網聯相融合應用、生物安全技術研究以及新材料應用以及新拓撲電路設計等。電動汽車無線充電系統是一種復雜非線性磁電耦合系統，其性能的進一步提升需要在本質科學問題與共性技術體系方面做出更加深入的分析和探索，歸納更具普遍意義的技術方案與控制策略。