電動汽車無線充電技術概述

電動汽車無線充電技術概述

1 電動汽車無線充電技術基礎

當前電動汽車電能補給多采用傳導充電方式，在電動汽車傳導充電系統中，充電樁與車載接口通過電纜組件連接，進而實現電動汽車能量補充。

無線充電(Wireless Power Transfer，WPT)技術的發展為電動汽車的能量補給帶來了一種新方式——電動汽車無線充電(Electric Vehicle Wireless Power Transfer，EV WPT)。電動汽車無線充電系統分為地面發射端(簡稱地面端)和車載接收端(簡稱車載端)兩部分，地面端和車載端隔空傳遞能量，如圖1所示。

圖1 電動汽車無線充電系統的原理示意

地面端采用能量變換單元將電網輸入的工頻交流電能轉換為高頻交流電能，進而通過地面端和車載端裝置的非接觸耦合作用，將電能無線傳輸到車載端，再由電能轉換裝置將電能輸送到電池，地面端和車載端可以采用無線通信的方式進行信息交互。

1.1 無線充電技術分類

WPT的技術方案較多，工作機理各異，但系統結構基本相同，均是通過發射端功率發射單元和接收端功率接收單元進行能量無線傳輸。無線充電通用的系統結構如圖2所示，發射端將供電電源能量通過功率變換電路1轉換為功率發射單元需要的形式，如電場、磁場、射頻/微波或者激光等，接收端的功率接收單元接收到電場、磁場、射頻/微波或者激光等，再通過功率變換電路2轉換為負載需要的能量供給負載。

圖2 無線充電通用的系統結構

圖3是不同能量耦合方式WPT的電磁場頻率分布。從能量傳輸距離角度看，無線充電技術可以分為近距離無線充電和遠距離(米級以上)無線充電兩大類。磁場耦合方式和電場耦合方式屬于近距離無線充電，射頻/微波方式、激光方式通常用于遠距離無線充電。

圖3 不同能量耦合方式WPT的電磁場頻率分布

1.1.1近距離無線充電

近距離無線充電主要分為磁場耦合式和電場耦合式兩種。

(1) 磁場耦合式無線充電

磁場耦合式無線電能傳輸技術利用磁諧振或磁感應原理將能量由發射端傳遞至接收端，該方式采用的發射線圈和接收線圈類似于分離變壓器的原邊繞組和副邊繞組，如圖4所示。發射線圈和接收線圈距離一般在幾厘米至幾十厘米，線圈間的耦合系數一般為0.1以上。

圖4 磁耦合WPT與分離變壓器的結構對比

還有一種基于磁齒輪的近距離磁場耦合無線充電技術。在相應系統的發射端用電機帶動磁體運動，利用磁場之間力的相互作用，接收端的磁體會隨之運動，再帶動接收端的發電機發電，從而實現從發射端到接收端之間的能量無線傳遞。與基于磁諧振或磁感應原理的技術相比，該方案的工作頻率更低，通常是幾百赫茲，充電距離二三十厘米，但工作磁場更強。圖5是基于磁齒輪的無線充電原理以及相關充電裝置。

圖5 基于磁齒輪的無線充電技術原理及充電裝置

(2) 電場耦合式無線充電

電場耦合式無線充電系統一般采用分離的兩個極板來形成耦合電容，電容值大小與極板正對面積、極板間距離及介電常數的大小相關。由于空氣的介電常數很小，為了實現較大的功率傳輸，需要較大的極板正對面積、較小的傳輸距離和較高的工作頻率，而實際應用場景難以滿足這些條件，導致電場耦合式在實際中應用比較少，圖6是電場耦合式無線充電系統結構。

圖6 電場耦合式無線充電系統結構

1.1.2遠距離無線充電

利用射頻和微波進行遠距離無線充電時，發射端和接收端都需要用到天線。天線的發射可以是多方向的，也可以是定向的，比較容易實現一對多的充電，充電距離達到米級，頻率越高充電距離越遠。圖7是采用微波和射頻的方式實現遠距離無線充電的場景。

微波方式無線充電

射頻方式無線充電

圖7 采用微波和射頻方式實現遠距離的無線充電場景

激光無線充電是以激光為載體，實現能量無線傳輸，在發射端將電能轉換為激光并發射出去，在接收端通過光電轉換再將激光轉換為電能。激光無線充電的相關應用如圖8所示。

圖8 激光無線充電

目前遠距離無線充電技術多處于理論研究和技術驗證階段，在能量傳輸效率和安全性方面還面臨很大的挑戰，距真正規模商業應用還有一定的距離。

1.2 無線充電技術典型應用

無線充電技術在小功率領域已廣泛商用，如手機、手表、電動牙刷、無尾家電、無人機等領域的無線充電。近年來在大功率領域也逐漸開始商用，應用范圍越來越廣，如乘用車無線充電、公交大巴無線充電、無軌電車移動無線充電等。此外無線充電技術在植入式醫療、特種工業機器人以及軍事航天等領域中均逐漸得到應用。圖9為無線充電在各個領域的應用案例。

(a)

(b)

圖9 無線充電的應用場景

2 電動汽車無線充電系統構成

EV WPT屬于近距離無線充電領域，磁耦合方式是目前主流的實現方案，在技術發展初期存在電磁感應和磁共振兩類不同概念。隨著電動汽車對WPT技術需求的明確，規范了工作頻率、傳能距離、功率等級等系統關鍵指標以后，兩類概念在技術方案上已經融合，統一為“磁耦合”的概念。

如圖10所示為EV WPT系統示意圖，地面端和車載端無電纜連接，地面端包括整流和電壓調整電路、逆變電路、發射補償網絡、發射線圈、控制器和通訊模塊，車載端包括車載接收線圈、接收補償網絡、整流電路、負載、控制器和通訊模塊。

地面端的整流和電壓調整電路將工頻交流電轉換為直流電；逆變電路將直流電轉換為高頻交流電；地面端補償網絡對發射線圈提供補償；發射線圈將高頻交流電轉化為高頻交變磁場。

圖10 EV WPT系統示意圖

車載端的接收線圈通過磁耦合的方式接收磁場能量，并將其還原為高頻電能；車載端的補償網絡對接收線圈提供補償；整流電路將高頻交流電轉換為穩定的直流電供給負載。

此外，地面端和車載端間的控制信號通過無線通信進行交互，常用的無線通信方式有WiFi、藍牙、Zigbee等。目前國內和國際的標準中，無線通信方式均采用WiFi方式(IEEE 802.11TM)。

3 電動汽車無線充電核心技術

電動汽車無線充電系統的首要任務是實現高效的電動汽車無線能量補給，因此高效、安全的功率變換和傳輸是無線充電系統的核心。功率變換電路方面主要存在高頻逆變和高頻整流電路設計技術、諧振器優化設計技術以及補償電路優化設計技術等，以上核心技術直接影響電動汽車無線充電系統的功率、效率、電磁環境等整體特性。

電動汽車無線充電相關的控制是實現系統正常運行的重要保障，在系統控制方面的核心技術主要包括功率控制技術、效率優化技術、頻率跟蹤技術、阻抗匹配技術及安全控制技術等。

此外，為了能在全天候場景下實現自動能量補給，電動汽車無線充電系統實現高效率充電只是基礎功能要求，同時還需要具備多項輔助功能以實現安全保障及協助車輛準確泊車。電動汽車無線充電系統主要輔助功能包括異物檢測(Foreign Object Detection，FOD)、活物檢測(Living Object Detection，LOD)、引導對齊(Position Detection，PD)和偏移檢測等。

在EV WPT系統，地面端和車載端設備可能由不同的設備廠家生產(特別是在公共應用場景下)，且車輛根據功率等級和離地間隙存在多種情形，地面端和車載端設備除滿足性能、安全要求外，還需要滿足互操作性要求。互操作涉及硬件結構兼容、系統參數兼容、軟件架構兼容、通信流程兼容、認證鑒權管理等方面。須由統一的標準或者協議來規范，這是當前國內和國際電動汽車無線充電標準制定中的重要工作。

根據上述描述，電動汽車無線充電的核心技術進行如下分類。

圖11 電動汽車無線充電核心技術分類

4 電動汽車無線充電系統關鍵環節

按照系統設備功能模塊劃分，EV WPT系統關鍵環節可分為功率變換電路、系統控制以及輔助功能三個環節。

4.1 功率變換電路環節

EV WPT系統的功率變換電路包括地面端和車載端兩部分。地面端功率變換電路部分包括輸入電源、整流調壓電路、逆變電路、地面端補償網絡和發射線圈，車載端功率變換電路包括接收線圈、車載端補償網絡、整流電路，其中發射線圈、接收線圈及其附件統稱為磁耦合機構。車載端安裝在車上，對設備的體積和重量較敏感。在系統功率變換電路中，高頻電力電子電路(高頻逆變、高頻整流)、磁耦合機構以及補償電路是其中的關鍵環節。

(1) 高頻電力電子電路

EV WPT系統電力電子電路主要涉及發射端的功率因數校正(Power Factor Correction， PFC)模塊、高頻逆變模塊以及接收端的高頻整流模塊、調壓模塊。各電路模塊的高效穩定電能變換是整體系統高效安全運行的重要基礎，電力電子電路的設計也是電動汽車無線充電系統整體效率突破的重點方向之一。新型電路拓撲和軟開關技術的不斷發展有利于提升各模塊的電能變換效率，這也是目前電動汽車無線充電系統在電力電子電路方面的重點攻關方向。

此外，由常規半導體材料(如Si、GaAs等)制成的功率半導體器件在許多方面已接近材料自身的本征極限，開關頻率和功率水平關系的局限性如圖12所示。

圖12 半導體材料的開關頻率和功率水平關系

由于電動汽車無線充電系統工作頻段較高，因此對大功率高頻逆變和高頻整流等電力電子電路提出了較高的要求，未來新型高頻電力電子開關器件的應用也為進一步提升系統效率提供了新的思路。如圖13所示，為了降低高頻開關下的器件損耗，包括SiC、GaN等高開關頻率低開關損耗的電力電子器件在電動汽車無線充電系統中逐漸得到應用。

圖13 新型高頻電力電子開關器件在電動汽車無線充電系統中的應用

以SiC材料為例，與目前應用廣泛的Si材料相比，SiC材料具有耐高溫工作、高阻斷電壓、低開關損耗、高開關頻率等優點，因此在未來電動汽車無線充電應用中極具潛力，如圖14所示為基于SiC材料的整流二極管和MOSFET。

圖14 基于SiC材料的整流二極管和MOSFET

SiC MOSFET器件特性不同于IGBT，SiC MOSFET對回路參數更敏感，易產生波形的振蕩過沖，柵極電壓的安全閾值比IGBT要小，柵極氧化層容易擊穿，在驅動保護電路設計上比IGBT更加困難，因此相關器件驅動電路設計也是電動汽車無線充電系統高頻電力電子電路設計的關鍵。

(2) 磁耦合機構

發射線圈、接收線圈及其附件組成了無線充電系統的磁耦合機構，除了實現磁場的能量傳遞外，磁耦合機構的性能還關系到電磁環境的優劣、磁耦合機構本體發熱程度、散熱設計、不同系統兼容性以及經濟成本等。

常見的磁耦合機構線圈結構存在圓形和雙D(DD)等，其繞線方式如圖15所示。此外，根據應用場景的需求，如需要較大的偏移量、需要較均勻的磁場分布等，線圈結構也可采用其他的繞線方式。

圓形

雙D(DD)

圖15 不同磁耦合機構結構示意圖

考慮到高頻情形下導體的集膚效應和鄰近效應，常用銅制實芯導線一般難以滿足EV WPT系統高頻工作的需求，為了降低磁耦合機構中的損耗、提升系統整體工作性能、降低磁耦合機構散熱需求，空心銅管以及利茲線陸續被應用于電動汽車無線充電系統的磁耦合機構中，并逐漸成為業界共識。

磁芯材料有多種類型，如鐵氧體、非晶材料等。鐵氧體容易定制各種不同形狀，與其他類型的磁材相比成本更低，是制作線圈的主流磁材，不同結構的磁芯用鐵氧體材料如圖16所示。磁芯結構的設計和排布也是磁耦合機構設計的關鍵，它涉及到整體磁耦合機構的耦合性能、電磁環境水平、重量和成本等技術經濟參數。

圖16 不同結構的磁芯用鐵氧體材料

在磁耦合機構設計中，為了實現更好的電磁環境特性，還需要考慮屏蔽材料的選擇和安裝結構。目前鋁板為較常用的磁耦合機構電磁屏蔽材料，線圈、磁芯和鋁板等部件的協同組合式設計是實現高性能磁耦合機構的關鍵。

(3) 補償電路

EV WPT系統中收發端的補償電路主要用于實現收發線圈的頻率補償，保證收發端諧振頻率接近，提升系統性能。不同的補償拓撲具有不同的系統特性，如圖17所示為電動汽車無線充電系統典型補償電路拓撲。此外不同類型的補償電容或補償電感電壓電流應力存在很大差異，因此補償電路的拓撲選擇和器件選型是該環節的設計重點。

圖17 電動汽車無線充電系統典型補償電路拓撲

4.2 系統控制環節

系統控制包括功率控制、效率優化、頻率跟蹤、阻抗匹配、通信控制、安全控制等，其中地面端控制實現了對發射端整流調壓電路、逆變電路、地面磁耦合機構等環節的控制和保護，車載端控制實現了對接收端磁耦合機構、整流電路和負載等環節的控制和保護。

地面端和車載端的控制主要有兩種方式：單邊控制和雙邊控制。所謂的單邊控制是指系統輸出功率等關鍵參數的調節由地面端或者車載端單獨完成，另一端不參與調節。雙邊控制是指地面端和車載端同時參與系統整體調節。

雙邊控制把地面端和車載端的控制相對解耦，便于實現互操作。圖18給出一種雙邊控制方法的結構示意圖。圖中車載端可實現對輸出電流(或輸出電壓)的控制，地面端可實現對地面線圈電流(或逆變器輸出電壓)的控制。雙邊控制一般通過無線通信(WiFi)方式實現數據交互。

圖18 雙邊控制無線充電系統的拓撲和控制結構

4.3 輔助功能環節

電動汽車無線充電主要的輔助功能主要包括異物檢測(FOD)、活物檢測(LOD)、引導對齊(PD)以及偏移檢測等，如圖19所示為各輔助功能示意圖。

異物檢測主要是檢測EV WPT充電區域內的金屬等異物，避免這些物體由于渦流效應引起高溫和起火的風險。生物檢測是為了避免人或寵物等生命體由于進入充電區域(該區域的電磁環境限值可以適當放寬)引起安全風險。導引入位是為了增加使用的便利性，如導引停車入庫，可以為車輛或駕駛者實時提供地面設備和車載設備的相對位置，引導車輛停在可充電區域。位置檢測是檢測車載線圈和地面線圈的相對位置，保證車輛停在適合充電的位置范圍內。以上輔助功能是為了實現EV WPT安全高效充電以及充電便捷性而配置的。輛停在可充電區域。位置檢測是檢測車載線圈和地面線圈的相對位置，保證車輛停在適合充電的位置范圍內。以上輔助功能是為了實現EV WPT安全高效充電以及充電便捷性而配置的。

圖19 不同輔助功能示意圖

電動汽車無線充電系統各關鍵環節總結如表1所示。

5 電動汽車無線充電技術優勢及推廣應用中面臨的挑戰

與傳導充電方式相比，EV WPT存在以下優勢：

(1) 無連接器和線纜的磨損，更加安全可靠。傳導充電設施需要線纜和充電插頭，充電插頭和線纜在不斷拔插使用的過程中容易磨損，為防止老化故障還需要定期更換連接器和線纜。無線充電可以有效避免上述安全隱患，并節約運維成本。

(2) 充電更加便利，無需駕駛人員手動拖拽插拔電纜，用戶體驗較好。

(3) 可以全天候使用，EV WPT可適應多種惡劣環境和天氣，即使在雷雨天氣下使用也無觸電危險。

(4) 可實現無人值守的自動充電，可有效支撐自動駕駛的全程無人化操作，是配合自動泊車/自主代客泊車系統(Auto Valet Parking，AVP)的最佳商用充電方案。

(5) 無線充電能量發射裝置建設在車位下方，可有效緩解由于大量建設充電站導致的土地和空間資源占用。

表1 電動汽車無線充電系統關鍵環節

(6) 智能化的無線充電方式可以實現“無感”充電，整個充電過程可以無需人為介入。

(7) 更有利于實現電動汽車和電網的互動，發揮電動汽車的移動儲能作用。

目前電動汽車無線充電技術在推廣應用中的挑戰主要來自以下幾個方面：

(1) 目前系統設備成本較高。無線充電同傳導充電相比系統更復雜，加上還未實現規模化大批量生產，產業鏈尚未完善，部分元器件需定制，導致系統設備成本偏高，這給無線充電市場推廣帶來了一定障礙。但隨著無線充電技術的不斷發展和規模商用，產品的成本必將大幅降低。

(2) 系統效率有待進一步提升。無線充電經過電能的多次轉換以及磁場空間耦合，目前端到端的效率和傳導充電相比有3%左右的差異。當前主流技術方案和產品可以做到最大92%左右的端到端充電效率，可以滿足應用需求。

(3) 互操作性等標準體系還未完成建立。目前電動汽車無線充電的國際國內標準尚在制訂中，在線圈形式、電路、控制、通信方案上，各設備廠家采用的技術方案不同，性能各異，不能完全實現互聯互通，影響了EV WPT 技術的推廣使用。

(4) 公眾對于電動汽車無線充電系統的電磁環境可能會存在擔憂，因此如何普及電磁環境相關概念及標準，打消公眾對于電磁環境顧慮也是未來電動汽車無線充電技術推廣應用中面臨的挑戰之一。

(5) 由于傳導充電方式發展早于無線充電方式，在推廣無線充電技術中可能會涉及到充電樁基礎設施改造，如何實現兩種充電方式兼容并存也是目前面臨的挑戰之一。

6 電動汽車無線充電技術典型應用場景

電動汽車無線充電的應用場景主要有：① 私人充電設備使用；② 公共場所的公共充電設備使用；③ 專用充電設備使用；④ 立體車庫無線充電；⑤ 其他應用場景。幾種場景根據不用的應用對象，在技術細節方面的要求有所不同。

私人應用場所如自家車庫安裝無線充電系統，地面端和車載端的匹配要求相對固定，除了必須滿足性能要求和安全要求以外，互操作等要求可以適當降低。同時家用電動汽車無線充電系統通常功率等級不大，因此對于系統設計中的器件選型、電路拓撲、關鍵部件等要求不苛刻。

公共場所應用場景(如公共充電樁)，地面發射端固定安裝在充電位，需滿足搭載不同車載端電動汽車的無線充電需求，地面端和車載端可能來自不同供應商，地面端和車載端的功率等級、離地高度等級可能不同，通信和控制方式也可能存在差異，為保證互聯互通，必須滿足互操作性的要求。同時，在公共場所應用場景下，還涉及充電設備的鑒權、認證、計費等管理過程。

作為專用充電設備使用的時候，例如企業作業場所、工廠廠區、旅游景區、游樂場所、機場、港口或碼頭等特定區域使用的電動車輛，無線充電的地面端和車載端多采用一一對應的模式，充電設備具有專用屬性，不涉及多種設備之間的兼容操作，因此互操作等要求也可以適當降低。該種應用場景下，也可以選擇動態無線充電方案。

對于立體停車庫應用場景，由于其整體自動化水平高、安全要求較高等特點，電動汽車充電時若采用傳導充電方式，勢必增加充電難度，因此在立體車庫應用場景下無線充電技術是較佳的選擇。該場景下的無線充電除滿足性能要求和安全要求外，線圈形式可多樣化，互操作要求不高，FOD、LOD、PD要求可簡化。

其他應用場景，比如紅綠燈路口或公交站臺等電動汽車短暫停留場合，可以采用無線充電方式進行短時大功率補電。這種方式屬于電動汽車的機會充電(Opportunity Charging)，是增加續航里程的重要手段。