電動汽車無線充電產業化當前主要任務及長期目標

電動汽車無線充電產業化當前主要任務及長期目標

隨著國內外各車企的量產規劃時間逐步臨近以及標準化程度的不斷完善，電動汽車無線充電產業化將逐步實現。結合無線充電產業狀態及未來產業演進過程，仍然存在一些問題需要解決，包括當前的系統充電頻率、標準體系、互聯互通等問題，也存在一些長期目標需要不斷地完善，包括了系統效率、安全、成本以及商業模式等。

1 當前主要任務

1.1 確定充電頻率

電動汽車無線充電是通過原、副邊線圈產生的高頻交變電磁場實現電能的無線傳輸，因此，需要在原邊線圈施加高頻電流激勵，該電流的頻率即為充電頻率。根據ISO 19363、IEC 61980系列以及國內開展的電動汽車無線充電標準化工作，電動汽車無線充電行業內達成共識，將79～90 kHz作為乘用車無線充電的充電頻率，該頻率段涉及到頻率劃分問題。

頻率劃分一般是指把某個特定的頻帶列入頻率劃分表，規定該頻帶可在指定的條件下供一種或多種地面或空間無線電通信業務或射電天文業務使用的過程。一般情況下，頻率劃分是針對無線電業務展開，而按照ITU國際無線電規則頻率劃分，目前各種無線業務可以使用的頻率范圍為9 kHz～ 275 GHz。因此，電動汽車無線充電的頻率也屬于頻率劃分的范圍。

頻率劃分作為管理的核心，是無線電頻率管理部門最重要和最基本的頻率管理政策文件，由此而形成的《中華人民共和國頻率劃分規定》是國家進行中長期頻率規劃的重要依據，是利用無線電頻率資源的基礎。為加速使中國無線電頻率劃分適應國際、國內電信新環境，與國際接軌，必須首先保證中國“無線電頻率劃分規定”與國際電聯(ITU)世界無線電通信大會(WRC)確定的國際無線電規則(Radio regulation)相接軌。頻率劃分的原則包括：

(1) 統籌考慮各類無線電業務的實際需求，在規劃新業務、新技術的頻譜需求時，充分考慮我國頻譜使用的現實狀況，盡力做到既鼓勵采用新技術又不脫離實際；

(2) 選擇技術成熟、先進可靠的標準和體制，積極支持頻譜利用率高、協議開放的通信方式，既要保護民族工業又要鼓勵不同廠商、不同體制間的競爭；

(3) 深入研究各類業務之間的電磁兼容特性及頻率共用的可能性，以提高頻譜利用率，同時還要兼顧長遠需求，使同一頻段上的新舊業務之間實現平滑過渡。

因此，無線充電頻率劃分的核心課題為與其他無線電業務之間的共存問題，現有的《中華人民共和國頻率劃分規定》中，與電動汽車無線充電頻率接近的頻率段使用情況如下表所示。

電動汽車無線充電系統的頻率共存問題可分為同頻共存、鄰頻共存以及倍頻共存3類情況。

對于同頻共存，在79～90 kHz，目前的主要業務為無線電導航和水上移動業務，我國在79～90 kHz無具體業務，因此電動汽車無線充電與同頻段業務不存在干擾問題。

對于鄰頻共存，在90～120 kHz，存在LORAN C導航系統業務，經測試驗證，并在ITU會議上討論之后確認，無線充電業務與LORAN C導航業務不存在干擾。

對于倍頻共存，電動汽車無線充電的7～19次諧波與526.5～1 606.5 kHz的廣播業務頻率存在同頻或鄰頻情況，該頻率段的廣播主要為中波廣播業務，目前ITU正在組織開展電動汽車無線充電與中波廣播業務的共存問題研究。

在2015年召開的WRC大會中，明確將無線充電的頻率劃分作為一項重要的研究課題。最終，在2019年10月召開的WRC-19(世界無線電大會2019)上全球范圍內就EV WPT的頻段達成一致意見，在國際電聯的建議書中明確提出EV WPT使用的兩段高功率候選頻段19～25、60 kHz頻段(55～57 kHz和63～65 kHz)，以及一個中功率候選頻段79～90 kHz，并指出只要EV WPT無用發射得到嚴格控制，在各頻段內的操作與現有無線電通信業務，如固定、水上移動、標準頻率和時間信號、無線電導航、無線電定位等是可以兼容的，但仍然需要通過進一步研究來確定確切的限值和減緩技術以及潛在的其他問題。WRC-19大會形成了須保護無線電通信業務不受EV WPT干擾，并在ITU-R 210/1議題繼續開展研究的一致結論。該議題的結論將指導ITU-R在EV WPT方面的研究工作，并促進EV WPT產業進一步健康發展。

表1 中華人民共和國頻率劃分規定(部分)

2 完善行業標準

電動汽車無線充電系統涉及到充電安全、互操作性、通信協議、功能規范以及系統性能指標等多方面內容。完善的標準體系是支撐產業發展的必要基準，目前正在編制的國家標準為8項，其中已報批的4項標準分別為：

通用要求：包括分類、測量原則、設備安裝方式、環境測試要求、安全要求、結構要求等基礎需求類要求規范。

通信協議：包括充電流程(公共應用、私人應用2類)、接口消息定義、參數定義等充電過程中的架構要求規范。

特殊要求：包括性能要求(效率、功率等級、離地間隙、偏移等)、功能要求(充電功能、待機喚醒、故障處理、人機交互等)、技術要求(電磁環境、電擊防護、絕緣強度、耐碾壓能力等)、測試方法等基礎需求類要求規范。

電磁環境安全：包括電磁環境安全限值、電磁場曝露測試方法、電磁環境安全結果評定等安全要求規范。

另外，在2018—2019年啟動了4項國家標準的編制，分別為電磁兼容性要求及測試方法、互操作性要求及測試方法—地面端、互操作性要求及測試方法—車輛端、商用車應用特殊要求。

結合產業化發展進程，目前正在制定的互操作要求及測試方法的地面端、車輛端2部分標準是保證無線充電在公共應用場合應用的基礎標準。而對于私人應用場景，滿足通用要求、特殊要求、電磁環境安全、電磁兼容性等幾項安全類和性能類標準即可，無需進行互操作性的測試。

《電動汽車充換電設施標準體系(2019版)》中提出了關于無線充電標準體系的規劃，結合目前已立項的標準，體系共包含19項標準，涉及到系統與設備、接口、檢測、服務網絡、建設運營共5大類。我國無線充電標準將按照4步走建設：一是優先制定無線充電的基礎標準，為產業提供發展環境；二是加快制定無線充電互操作標準，為產業提供應用條件；三是制定無線充電產品標準，為產業提供推廣基礎；四是制定無線充電運維標準，為產業提供服務準則。目前。基礎標準基本建立，正在建立互操作標準，試點產品標準，結合無線充電產業化進程，支撐和推動無線充電技術的推廣和應用。

完善的標準體系能夠有效指導無線充電產品的研制、完善產品設備的測試方法、形成產品建設及運營規范、支撐產品應用推廣，因此標準體系的完善是實現電動汽車無線充電產業發展的重要基礎。

3 促進互聯互通

電動汽車無線充電產業的互聯互通包括2類，分別是無線充電系統原、副邊設備之間的互聯互通以及無線充電系統與現有充電運營體系之間的互聯互通。

系統原、副邊設備之間的互聯互通以互操作性相關標準形成的規范為基準，原、副邊設備產品研制和測試參照互操作性標準，可保證不同廠商、不同車型原、副邊設備的互聯互通。原、副邊設備之間的互操作性“接口”規范包括電氣“接口”、通信互操“接口”、磁場“接口”等，由于原、副邊設備之間無物理接觸，因此以上“接口”均為非接觸接口，需通過標準化約定“接口”定義，進而保證原、副邊設備之間的互聯互通。

無線充電與現有傳導充電運營管理之間的互聯互通需區分無線充電與傳導充電的運營管理之間的異同，基于現有的傳導充電運營管理平臺及規則，兼容無線充電運營管理的相同的功能，包括設備監控、計量計費、用戶權限、日志管理、數據庫等，增加無線充電運營管理中特有的因素，包括告警信息管理、人機界面管理、系統性能管理、設備配置管理、設備認證鑒權管理等。目前，《電動汽車充換電服務信息交換》中國電力企業聯合會系列標準包含10個部分，規定了充電設施備、充電服務運營平臺以及不同運營商間的接口及通信協議標準，是實現充電漫游的基礎標準。無線充電與傳導充電的運營管理之間的通信協議標準可在《電動汽車充換電服務信息交換第6部分：充換電設備接入服務平臺接口規范》進行完善，從而實現無線充電與傳導充電都能滿足充電服務互聯互通目標。

互聯互通是無線充電產業能夠在公共應用領域銷售、運行、經營以及維保的關鍵，是推動產業規模化應用的核心環節。

4 長期目標

4.1 降低設備成本

不同品牌的不同車型，對無線充電設備的最低成本要求不同，對于售價越低的車型，其對無線充電設備成本要求越高，因此，為擴大無線充電設備的車型配置范圍，持續推動產業規模增長式發展，在保證產品質量和安全性的前提下，降低設備成本是整個行業發展過程中需要持續關注的重點。

無線充電設備的降成本可分為圖1所示的三個大階段。

圖1 無線充電設備成本趨勢

在行業初期，電動汽車無線充電出貨量較少，且自動泊車以及自動駕駛技術未在電動汽車普及應用，無線充電系統設備成本較高，較大地限制了無線充電系統裝車對象，僅適用于中高端車型。但隨著無線充電設備應用的出現，且出貨量到達萬級別，無線充電設備的部分成本(如結構件開模成本等)均攤壓力減小，且隨出貨量不斷增加，無線充電設備本將快速下降。

隨著行業不斷發展，無線充電設備成本將出現一定幅度的降低，且產業鏈開始逐漸出現規模化訂單，將出現較多無線充電設備的器件及模塊供應商，設備物料將出現一次較大幅度的降低，且設備生產工藝逐漸成熟，生產成本也將出現較大幅度降低，無線充電將適用于部分中端車輛和固定應用場景車輛應用，如AVP、共享汽車等車輛的應用。

在行業穩定階段，隨著無線充電設備的物料和生產成本降低，無線充電系統設備的成本將覆蓋大部分市場中的電動車輛的成本需求，且無線充電行業上下游產業鏈逐漸成熟，設備成本將比較小的幅度下降至趨于穩定。

具體的，無線充電系統設備主要分為生產成本和物料成本，生產成本隨著規模化的展開將逐漸降低，對于物料成本目前系統設備的成本主要集中在以下幾方面。

功率器件：包括SiC開關器件、整流二極管、濾波電感等；

磁芯：包括原、副邊線圈的磁芯；

線圈繞組：包括原、副邊線圈的利茲線繞組；

補償電容：包括原、副邊補償網絡中的補償電容；

結構件相關：包括設備殼體、接插件、灌膠膠水等。

在規模化應用之前，結構件相關材料、線圈繞組、磁芯、補償電容以及SiC器件等幾部分材料的成本較高，隨著設備的規模化銷售，這幾部分設備材料的成本將呈現較大幅度的降低。

4.2 提高充電效率

作為系統的核心指標，系統充電效率的提升是無線充電理論技術研究和工程技術研究不斷追求的目標。足夠高的系統效率將具備以下優勢：

用戶充電成本低；

系統熱損低，部件體積降低；

漏磁減小，電磁環境污染降低。

電動汽車無線充電系統的充電效率是指系統輸出側(一般是指車輛動力電池或電氣設備)的輸出功率與系統輸入側(一般是指AV 50 Hz的電網輸出)輸入功率的比值。

在設定系統效率指標時，一般會分為兩類場景，一類為私人應用場景，即同一個設備廠商提供的固定功率等級、離地間隙的地面設備和車載設備；另一類為公共應用場景，即不同設備廠商提供的不固定功率等級、離地間隙的地面設備和車載設備。在相關國家標準中規定的系統效率為公共應用場景下的系統效率，即需考慮互操作性的系統效率。

2019年6月，在中國電力企業聯合會的組織下，由中國電力科學研究院牽頭完成了國內兩個設備廠商之間互操作性測試，即地面設備、車載設備為兩個不同廠商生產。本次測試的結論是，在任意偏移條件下，輸出功率為滿載、50%載、75%載的情況下，系統效率均在89%～93%，且在滿載輸出狀態下，任意偏移條件下，系統效率平穩，可保持在90%以上。以上測試說明，在公共應用場景下，無線充電系統的效率可最大可達到93%，正常充電狀態下的效率可超過90%，效率逼近傳導充電。

無線充電系統效率的提升需關乎系統各個層面設計，具體如圖2所示。

圖2 與系統效率提升的相關技術

4.3 確保充電安全

無線充電系統安全包括圖3所示的6個部分。

圖3 無線充電安全分類

(1) 熱安全

熱安全是電動汽車充電設施的核心安全問題，相對于傳導充電，無線充電在供電電源和用電設備直接無直接的物理連接，因此，無線充電充電接口的熱安全問題相對更能夠得到有效保障。

無線充電的熱安全問題主要在于解決各個功率環節的溫升問題，主要包括功率轉換部件和電磁耦合機構部件，通過系統參數及結構設計，設置各部件的輸入輸出電流大小限值，并在地面設備附加風冷和自然冷、在車載設備附加液冷或自然冷的散熱措施，能夠有效保證無線充電的熱安全。

(2) 電氣安全

無線充電的電氣安全主要包括電擊防護、安規等方面，具體包括直接接觸防護、能量存儲(電容)、保護導體、漏電流、絕緣電阻、絕緣強度、防雷擊等方面。無線充電該部分安全要求與常用的充電設備相同，遵循相關標準進行設計即可保障。

(3) 機械安全

無線充電的機械安全主要包括設備的IP等級、原邊設備耐碾壓、車載設備耐振動耐沖擊等方面。

對于原邊的非車載功率組件(壁掛設備)，其IP等級要求不低于IP54，原邊設備(線圈部分)IP等級要求不低于IP67(公共路段不低于IP68)，車載設備的IP等級要求不低于IP68。

原邊設備(含線纜)的耐碾壓按照國家標準規范設計，可保證設備在車輛的碾壓下仍不影響整車使用。

車載設備一般安裝在車輛底盤，因此需安裝車輛部件的標準要求，具備防振動、防沖擊以及防濺射等功能。

(4) 通信安全

無線充電的通信安全主要包括設備可信認證、數據交互安全等幾部分。

設備可信認證是保證無線充電系統各部件設備“身份可信”的核心方法，在公共應用場合，由于無線充電系統原副邊設備無物理接口，因此需要原副邊設備均為通過互操作性測試的設備，才可保證系統充電安全。在充電流程過程中，需從原副邊設備認證流程、兼容性檢測流程兩方面，從運營商、設備兩個層面，以密鑰的方式進行可信認證確保設備身份可信。

無線充電數據交互安全包括原副邊充電流程數據交互、車載設備與車輛數據交互以及地面設備與運營平臺數據交互安全三個層面，進而避免數據交互過程中被偽造、竊聽、拒絕服務以及重放等攻擊。其中原副邊充電的通信通過WIFI進行，車載設備與車輛的通信通過CAN進行，地面設備與運營平臺的數據可通過WIFI或4G/5G進行。對于原副邊設備通信以及地面設備與運營平臺的數據交互，一般可采用傳輸層安全協議(TLS)保證數據交互的安全性。

(5) 電磁安全

電磁安全主要包括EMC和EMF(電磁場曝露)兩部分。

對于EMC，在傳導和高頻輻射要求部分依照現有的充電設備的相關標準設置的限值進行產品設計及測試即可，此外也需考慮本章節的充電頻率中與現有業務之間的共存問題。對于9～50 kHz的低頻段輻射要求，目前CISPR 11正在制定相關的限值要求以及測試方法，無線充電系統在低頻段的輻射要求需滿足該標準設置的限值。

對于EMF，目的是保證人或者內置醫療器械曝露在電磁環境中的安全，具體EMF防護區域分類如圖4所示。

圖4 EMF防護區域分類

其中保護區域1、2，制造商宜采取合理措施，可以采取的措施包括：

(1) 控制主動或被動進入保護區域；

(2) 在進入可能發生這種曝露的區域之前進行檢測和關閉；

(3) 使曝露符合保護區域3a的電磁場限值。

保護區域3、保護區域4和非車載功率組件：電磁場應符合國家標準設置的限值。對于人曝露的限值為27 μT，內置醫療器械的曝露限值為15 μT。

(4) 功能安全

功能安全功能安全是依賴于系統或設備對輸入的正確操作，它是全部安全的一部分。當每一個特定的安全功能獲得實現，并且每一個安全功能必需的性能等級被滿足的時候，功能安全目標就達到了。無線充電的功能安全主要包括故障防護、FOD、LOD三個方面。其中故障防護與其他充電基礎設施類似，包括短路、開路、空載、過流、過壓、過溫等方面。FOD和LOD屬于無線充電特有的功能防護安全類型。

FOD是防止在高頻電磁場區域內產生溫升甚至燃火的物體在傳能區域內發生溫升、燃火的風險。典型的異物類型在SAE J2954和IEC 61980-3中已經規定，FOD功能是無線充電系統必須具備的功能，當檢測到由溫升或者燃火物體在傳能區域內，應采取停機或者降低功率傳輸的措施。

LOD是防止活物特別是人進入EMF保護區域1、2的功能，是無線充電推廣過程中宜具備的功能，但建議系統需具備的功能。當檢測到有活物進入EMF超過限值的區域，應采取停機或者降低功率傳輸的措施。

另一個方面，對于車載設備，應由設備制造商和車企共同協商，基于ISO 26262《道路車輛功能安全》的規范，開展功能安全設計相關工作。

5 探索商業模式

在行業初期，無線充電系統的成本較高，需探索合適的商業模式推動無線充電的市場推動。

在電動汽車無線充電產業化逐漸完善，形成規模之后，可能存在的商業模式包括以下幾個方面：

(1) 無線充電設備銷售

在行業初期可能存在兩類設備銷售模式，第一類為私人應用場景下地面設備和車載設備綁定銷售，另一類為公共應用場景下地面設備和車載設備分別銷售。對于設備銷售模式，參與者為設備制造商、車廠、4S店以及用戶，瓶頸在于產業化前期設備成本較高。

(2) 無線充電設備運營

對于公共應用場景，地面設備需進行局部統一運營。而在行業初期，無線充電地面設備成本較高，且充電功率較小，該模式的盈利方法需要進一步探索。

(3) 專用場合定制

在AVP、共享汽車等車輛運營領域，對無線充電的需求較為明確，且存在運營統一、需求一致、車型相對統一、充電集中等特征，可對無線充電進行定制，部分無線充電系統功能可簡化，無線充電設備的成本可降低，是無線充電行業初期能夠規模推動的一種模式。

(4) 知識產權運營

該商業模式僅對于行業內少數基礎知識產權積累豐富的公司適用，該模式下，有兩種盈利模式，第一類為技術方案的銷售，第二類為設備銷售時收取專利費用。

技術方案銷售模式的成立，這是由電動汽車無線充電系統較龐大且技術門檻較高決定的。對于一個需要快速進入無線充電行業，且沒有無線充電技術開發經驗的公司，為降低技術開發周期，提高產業開發成熟度，將對成熟的無線充電技術方案形成較大的需求，因此行業內可形成技術方案銷售商的公司模式。

對于第二類專利費用收取的盈利模式，需要運營主體具備強大的專利積累，且運營主體的專利技術是市場中銷售的產品必然會用到的技術。此外運營主體還需要強大的技術支撐團隊以及法規團隊負責知識產權的持續運營。

(5) 充電設備租賃及共享

對于車載設備和地面設備分開銷售的場景，由于地面設備的成本較高，用戶可通過地面設備租賃或共享的方式進行使用。

在地面設備租賃模式下，用戶可分期承擔部分設備費用，也可通過充電量抵扣設備租賃費用的模式降低用戶的租賃費用。而對于地面設備租賃和充電運營企業，可通過以上模式增加車輛采用無線充電的充電量，可將地面設備部分費用壓力向用戶轉移，且設備所有權仍保留。

在地面設備共享模式下，多個用戶共同承擔地面設備的購買費用，共同享有設備所有權，對于地面設備銷售及運營企業，需做好共享人群的規劃(如按地域規劃、按工作場所規劃等)，并做好設備的運營。

(6) 發展支撐領域

電動汽車無線充電系統是電網、整車緊關聯的系統，其系統較龐大，涉及功能較多，產業鏈相對較長。除設備整機的生產、銷售之外，還存在標準化、模塊化的功能產品支撐的應用，如引導對齊功能可與自動泊車功能模塊相互支撐，異物/生物檢測模塊可形成標準化模塊生產銷售等。

此外，系統的測試也需要較多的支撐設備，如互操作性測試需要自動化數字化的測試臺架、線圈損耗部分需特定頻率段的高精度功率分析儀、異物/生物檢測需要智能測試臺架等，以上的支撐設備也具有較大的市場需求。

在電動汽車無線充電產業化前期，車輛、地面設備布局完善需要較長的周期、系統設備成本較高等問題，需要探索更多的商業模式，保障消費者的利益，降低設備生產、銷售及運營商的投資風險，進一步推動消費者購買無線充電車輛的意愿，促進更多企業加入無線充電行業，有效加速產業化進程。