淺析電動汽車無線充電系統測試技術

孔治國，張寶強，李 川，黃 炘，王朝暉，趙凌霄，蘭 昊

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

1 引言

近年來，能源與環境危機問題越來越成為人們關注的重點，而生產和使用新能源電動汽車則是解決這些問題的重要途徑之一。電動汽車即由電動機驅動的汽車，其驅動電能來源于車載動力電池。類似于傳統汽車通過加油的方式來續航，由于電池容量的限制，電動汽車必須進行充電操作。

當前電動汽車多采用傳導充電方式進行充電，充電樁與車載充電接口通過電纜組件連接，實現電能由電網傳輸并存儲到電動汽車動力電池里。但由于其有線傳輸的方式，傳導充電存在許多局限性，比如充電接口部分易磨損、插拔時可能產生電火花、須采用人工操作和維護等［1］。而無線電能傳輸 （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。相比于傳導充電，無線充電可以有效解決裸露導體造成的用電安全隱患、插拔時的電火花和磨損等，并能夠在潮濕、水下、含易燃易爆氣體等較為惡劣的工作環境中實現電能傳輸，具有廣闊的應用場景［2］。

中國政府高度重視電動汽車無線充電相關技術及產業發展，國家發改委、能源局、工信部、財政部等部委紛紛制定政策，推進電動汽車無線充電系統發展和普及。2020年4月28日國家標準化管理委員會公告發布了4項基礎通用標準［3］，分別為電動汽車無線充電系統的通用要求GB/T 38775.1—2020、通信協議GB/T 38775.2—2020、特殊要求GB/T 38775.3—2020和電磁環境限制與測試方法GB/T 38775.4—2020。這4項國家標準是《電動汽車無線充電系統》標準體系中重要的通用基礎標準，是我國首批發布的電動汽車無線充電標準，填補了我國在電動汽車無線充電領域國家標準規范的空白。但是，電動汽車無線充電系統更細化的試驗方法及測試規范仍在預研中，嚴重制約了電動汽車無線充電系統的研發測試、產品檢測認證和產業化。

本文主要介紹電動汽車無線充電測試技術的現狀，并指出亟待解決的問題，為無線充電測試技術的后續研究提供方向。

2 電動汽車無線充電系統

2.1 基本原理簡介

典型的電動汽車無線充電系統分為地面發射端 （簡稱地面端）和車載接收端兩部分 （簡稱車載端）［4］，如圖1所示，主要包括原副邊的功率變換器、補償網絡、控制器和通信模塊。地面端與市電相連，作為無線充電的供電部分；車載端與車輛電池相連，把從地面端接收到的能量轉化為電池需要的電能，地面端和車載端通過無線通信的方式進行信息交互。

圖1 電動汽車無線充電系統示意圖

2.2 國內外無線充電標準設備現狀

無線充電標準設備是指在類型、規格、尺寸、技術參數等方面按統一標準制造出來的設備，可作為其他同類設備的參考。無線充電標準設備的確定，為無線充電技術的發展提供重要的支撐和保障，有利于設計標準化，促進無線充電設備產業化發展。國內外電動汽車無線充電技術路線有所區別［5］，體現在標準設備方面其主要技術特征對比見表1。

表1 國內外無線充電標準設備技術特征對比

由表1可知，國內外無線充電標準設備在多個技術特征方面都有所不同。下面以補償網絡和控制方式為例進行說明。在補償網絡方面，國內采用LCC方式，固定電感、電容，設計簡單，成本較低；國外采用阻抗可調的諧振網絡，設計和控制要求更高。在控制方式方面，國內無線充電標準設備電路采用雙邊控制，對輸出的控制和保護不依賴通信，輸出電流/電壓的閉環控制可單獨在接收端完成，安全性高；國外采用單邊控制，VA端采用布控方式，結構簡單，成本低，可靠性好，輸出保護依賴于通信。

2.3 國內外電動汽車無線充電標準現狀

標準的制定對無線充電技術在電動汽車上的實際應用和商業化進展非常重要。國內電動汽車無線充電標準工作組于2017年6月成立，其中中國電力企業聯合會 （CEC）負責無線充電系統地面端的主要內容編制，中國汽車技術與研究中心 （CATARC）負責無線充電系統車輛端的主要內容編制。目前，國內電動汽車無線充電國家標準［3］共立項8項，其中4項已發布，3項正在征求意見，1項正在起草；團體標準1項［6］、地方標準12項［7］，已發布實施。具體情況見表2。

從表2可以看出，現有已發布的標準基本完成了電動汽車無線充電系統的技術要求，而相關測試規范還處于征求意見或起草階段，相對滯后。

國外制定電動汽車無線充電標準比較有影響力的組織主要有3個，分別為國際標準化組織 （ISO）、國際電工委員會（IEC）和美國汽車工程師協會 （SAE），已形成了較為完整的技術標準體系。表3列出了國外主要的電動汽車無線充電標準情況。

2.4 電動汽車無線充電系統的主要應用場景

根據不同的技術要求，可以將電動汽車無線充電系統應用場景分為兩大類：一類是需要滿足互操作性要求的應用場景，另一類是不需要滿足互操作性要求的應用場景。

需要滿足互操作性要求的應用場景主要是公共場所的公共充電設備使用，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。

不需要滿足互操作性要求的應用場景主要有私人充電設備使用、專用充電設備使用、立體車庫無線充電場景等。這類場景下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。

3 電動汽車無線充電測試技術

電動汽車無線充電因其特殊的供電方式，給測試帶來了極大的挑戰。根據產品應用場景的不同，其測試項目和重點也不盡相同。圖2給出了電動汽車無線充電測試的分類，包括性能測試、功能測試和可靠性測試。下面詳細介紹每類測試的內容。

圖2 電動汽車無線充電系統測試分類

表2 國內電動汽車無線充電標準

表3 國外電動汽車無線充電標準

3.1 性能測試

電動汽車無線充電性能測試可分為電性能測試、機械性能測試、材料性能測試、基本性能指標測試和測試性能指標測試。其中，電性能測試包括接觸電阻、溫升測試、耐電壓測試、絕緣電阻測試、介電強度測試等；機械性能測試包括振動測試、機械沖擊測試、跌落測試、碰撞測試等；材料性能測試包括鐵氧體零件測試、電感電容測試、利茲線測試等；基本功能測試包括輸入電壓范圍測試、輸入頻率范圍測試、輸入諧波電流限值測試、輸入沖擊電流測試、源效應測試、負載效應測試、輸出電壓穩壓精度測試、輸出電壓紋波測試等；測試性能指標包括副邊水平偏移、垂直移動下系統效率及功率因數測試和副邊旋轉、傾斜和偏航下系統效率及功率因數測試。

圖3給出了電動汽車無線充電系統效率及功率因數自動測試路徑示意圖。自動化測試中，改變測試路徑將改變樣品的工作穩定性——部分測試點工作不穩定，會極大地影響測試速度，在這種情況下，需要為樣品制定盡量使它可以連續運行不超限的移動路徑。目前采用的測試路徑有3種：蛇形、回字形1和2，3種路徑測試的點的數量和系統運行穩定性均有差別。

圖3 電動汽車無線充電系統效率及功率因數自動測試路徑

3.2 功能測試

電動汽車無線充電功能測試主要為保護功能的測試。保護功能測試包括輸入過壓保護測試、輸入欠壓保護測試、輸入電網頻率保護測試、輸入過流保護測試、輸出過壓保護測試、輸出欠壓保護測試、輸出短路保護功能測試、急停保護功能測試、輸出反接保護功能測試、系統過溫保護功能測試、拋負載測試等。

根據電動汽車無線充電產品的應用場景不同，功能測試還可能包括主動保護輔助功能測試、通信協議一致性測試和互操作性測試。主動保護輔助功能測試包括異物檢測測試和活物檢測測試，要求無線充電系統具備異物檢測和活物檢測功能，且能夠根據情況執行對應的保護動作。通信協議一致性測試是指在一定的網絡環境下，利用一組測試序列對被測協議進行測試，檢測協議實現的差異性。通信協議一致性測試是互操作性測試的基礎，只有通過協議一致性測試的產品，才有意義進行互操作性測試。互操作性測試是檢測相同或不同型號、版本的無線充電系統地面設備與車載設備通過信息交互和過程控制，實現電動汽車無線充電互聯互通的能力。

3.3 可靠性測試

電動汽車無線充電可靠性測試包括環境測試、篩選測試、壽命測試和電磁兼容測試。其中，環境測試包括氣候條件類測試 （如高溫、低溫、高低溫循環工作、鹽霧、溫熱等測試）、機械條件類測試 （如振動、沖擊、離心、碰撞、跌落等測試）和輻射條件類測試 （如太陽輻射測試）；篩選測試包括X射線檢測、紅外線檢測等；電磁兼容測試包括電磁干擾測試和電磁敏感度測試。

4 現階段存在的問題以及研究方向

目前，國內外科研機構、設備廠商更關注電動汽車無線充電系統的性能和功能研發，而在測試技術方面還存在不少問題尚待解決。

1）完善無線充電系統關鍵性能測試評價方法

傳統無線充電系統的測試方案，主要采用分立儀器進行測量。為了測試地面端與車載端對齊及錯位情況的系統性能，需通過先手工調節線圈相對位置。這種方式不僅工作效率低下，無法實現對一些需要實時控制線圈位置的充電測試，而且對無線充電系統的測試覆蓋率小，比如只能測試功率電路部分而缺乏相關控制信號和控制時序的測試，很難做到各個環節多路數據 （如各環節電壓電流信號等）的同步記錄。

2）加強無線充電通信協議一致性及互操作性測試評價方法的研究

無線充電互操作性是支撐公共應用場景下不同生產廠家、不同型號規格的地面設備和車載設備互聯互通的基礎。互操作性測試核心內容包括互操作性測試參考設備設計及互操作性測試評價方法。通信協議一致性測試則是互操作性測試的基礎，只有通過協議一致性測試，才有意義進行互操作性測試。2020年4月發布的GB/T 38775系列 （共4部分）中尚未包含互操作性測試的標準，通信協議標準也不夠完善，在通信協議一致性的測試及評價方面處于缺失狀態。

3）加強無線充電電磁環境安全及主動防護測試評價方法的研究

無線充電電磁環境安全是支撐其應用的關鍵，包括電磁環境限值要求的被動安全以及金屬異物檢測、活物檢測功能的主動防護安全。電磁環境安全及主動防護功能的測試及評價方法目前處于缺失狀態，亟待進一步解決。

5 結語

當前國內大部分的電動汽車無線充電系統在互操作性、輔助功能、電磁兼容性等方面性能尚未完善，成為無線充電技術在電動汽車產業中推廣應用的制約因素之一。電動汽車無線充電測試技術的研究和發展，將能夠全面測試評估無線充電系統存在的安全隱患，實現不同品牌型號的電動汽車無線充電系統的互聯互通，有效解決電動汽車無線充電系統檢不了、檢不出、檢不準的問題，進一步支撐我國新能源汽車行業的發展和普及。