2018年10月，世界上第一辆配备远程无线充电的电动汽车在德国推出，并计划在美国、英国、日本和中国扩大发布。1这款电动汽车代表了数十年来无插电式电动汽车的技术发展，许多人认为这将使我们更接近动态自动充电自动驾驶汽车的未来。

无线技术，包括具有无线电力传输(WPT)的电动汽车，正在迅速发展:ABI Research预测，到2020年，无线充电设备的数量将超过7亿部。电动汽车(包括插电式和无线)的数量预计也将从2017年的155辆增长到2022年的289辆2在全球范围内，严格的碳排放要求和政府授权的举措推动了这种扩张。

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一个经常被提到的阻碍更快采用的因素是对普遍可用的公共充电基础设施的需求。这些基础设施背后的技术团队正在努力工作，以增加目前可用的插电式充电站的数量，并推动技术创新，降低在公共和私人空间提供无线充电基础设施的成本。

本文研究了实现这一目标必须解决的几个技术挑战。首先，让我们大致回顾一下WPT的当前状态，特别是在汽车应用方面。

无线电力传输

目前主流的WPT方法是电磁感应和磁共振。这两种方法都是利用能量接收线圈捕获能量传输线圈产生的磁场来实现非接触式能量传输。

常见的电磁感应例子包括电动剃须刀和无绳电话。虽然电磁感应提供了一个简单的原理和结构，加上低成本的系统可制造性，这些系统也容易出现电力传输效率的急剧下降，因为电力传输和接收线圈之间的距离增加。3.

另一方面，基于磁共振的WPT通过功率传输端和接收端的电容传输功率，形成LC谐振电路，调节双方以相同的频率共振。这使系统能够保持电源馈电，即使线圈之间的距离更大，和/或当线圈的中心有轻微的移动。3.

由于磁共振系统可以提供更大范围的动力传输，并且已经证明了电动汽车电池在运动中充电的潜力，这种WPT技术作为汽车行业的解决方案近年来一直备受关注。

汽车WPT应用目前包括一个外部电源垫，可能位于地面顶部或可能嵌入地面。平板上有一个圆形线圈，可以将交流电转换成电磁波。合作功率放大器控制电流和波频率。在电动汽车内部，位于汽车电源管理系统附近的接收器有一个线圈，它被调谐以接收与源线圈相同频率的电磁波。接收器将磁能转换回电流，储存在汽车的电池中。

这种方法依赖于磁共振，因为它在空气中移动时损失的功率很小(通常为7%至10%)，因此被认为是高效的。4WiTricity已经将一款用于汽车应用的磁共振WPT商业化，TDK在2018年初宣布，它正在与WiTricity和汽车制造商合作，开发一种用于电动汽车的无线充电系统，目标是到2021年实现简单、无电缆充电的商业现实。5

对标准的需求

国际汽车工程师学会(SAE)在世界各地设有工作组，制定汽车无线充电系统可基于的国家标准。这些标准的目标是确保私人和公共充电系统都能与各种不同的电动汽车兼容。6

2017年11月，SAE国际发布了J2954推荐规范(RP)，这是第一个适用于功率不超过11 kW的电动汽车(WPT 3)的全行业WPT规范。7目前的版本解决了从电网到汽车的单向充电问题，并警告说双向能量传输可能会在未来的标准中进行评估。

作为其规范的一部分，RP提供了一个标准化的试验台(首先达到WPT 2功率水平)，为电动汽车制造商和基础设施公司提供了测试其产品和新开发的性能和验证的手段。根据J2954 RP，试验台基于圆形拓扑结构，但也提供了一种方法来演示与其他拓扑结构(如“双D”设计)的兼容性图1和图2)．

图一
图1。圆形WPT3地面总成和车辆总成。

图
图2。DD通用(WPT1-WPT3)地面总成和车辆总成。

J2954指出WPT系统有两个主要组成部分:地面装配(GA)单元和车辆装配(VA)单元。GA包含一个并网功率因数校正(PFC)转换器，接着是一个DC-AC逆变器，一个滤波器和一个阻抗匹配网络(IMN)连接到GA线圈。VA由一个VA线圈连接到IMN和滤波器，整流器和一个可选的阻抗转换器组成，产生合适的电压和电流到连接的电池。在充电过程中，GA线圈产生的磁能耦合到VA线圈。7

所采用的最小公共对准法是通过低功率励磁(LPE)来实现的。LPE是SAE J2954兼容的GA线圈在低电流激励下诱导VA上可检测信号的方法。J2954指定了功率传输启用的车辆离地间隙高达10英寸(250毫米)，左右公差为+/-4英寸(+/- 100毫米)，前后公差为+/-3英寸(+/-75毫米)。这种对齐方式可以帮助司机保持在充电范围内，即使在雨雪等恶劣天气条件下，未来的自动驾驶汽车也能找到停车位。

SAE国际发布了一篇技术论文，介绍了汽车和无线充电供应商在美国能源部(DOE)爱达荷国家实验室和TDK进行的台架测试结果。测试报告证实，在匹配和不匹配的线圈拓扑以及不同功率范围(3.7至7.7 kW)充电的情况下，WPT可以在全功率下实现，效率高达93%(从电网到电池)。7

在RP宣布后的几个月里，进行了额外的测试，包括车载现场测试，以进行最终验证。到目前为止，已经根据SAE标准测试了3.7 kVA、7.7 kVA和11.1 kVA系统，22 kVA机组正在考虑中。最近，120kva系统已经在实验室环境中进行了演示。与有线电力传输相比，无线电力传输率已经达到了90%的效率，尽管标准建议在对齐的偏移位置至少有80%的效率。

开发最佳WPT的工程师，特别是在公共领域，正在努力解决以下问题:

  • 一辆汽车必须与无线充电板对齐多少?
  • 水泥(在车库地板)或沥青(在公共空间)等材料是如何影响充电板线圈的性能的?
  • 当与充电板线圈对齐时，电动汽车线圈的角度如何影响其充电能力?
  • 线圈在公共场所(例如，有几个带充电器的停车位)如何相互作用?

这些问题的答案在于汽车WPT的以下几个方面。我们将介绍每种技术的工作原理，概述当前的技术障碍，并提供测试数据快照，展示克服挑战的进展。

核磁共振8

WPT的磁共振方法有助于克服电力传输线圈与电力接收线圈之间距离增加时效率下降的问题。发射端和接收端的磁耦合程度用耦合系数或k来表示，若功率发射线圈和功率接收线圈的电感分别为L1和L2，互感为M，则耦合系数k用下式表示:

Eq1

就知道耦合系数为0≦k≦1范围内的值，在无泄漏磁通的情况下理想等于1(=100%传动效率)。7在磁共振方法中，电容器被插入电力传输和电力接收两侧，形成一个LC(电感和电容器)谐振电路(见图3)．通过匹配两边的谐振频率来传递功率。因此，即使耦合系数较低(一般为<0.5)，也能获得较高的传输效率。

磁共振方法中的最大传输效率表示为耦合系数(k)和线圈的质量因子(Q)的乘积(kQ乘积)的函数。即使耦合系数较低，也可以通过增加线圈的q来获得较高的传输效率。然而，实现WPT的磁共振方法还需要克服几个问题。

抑制剂

线圈的Q值表示为Q=2πfL/R(其中f为谐振频率，L为线圈电感，R为线圈的交流电阻分量)。根据这个公式，如果通过扩大线圈的直径来增加电感，或者通过增加线圈的匝数来增加电感，那么理论上，Q将会增加。然而，由于在这种情况下电阻分量也会增加，在线圈设计过程中，为了平衡两者，有必要优化线圈的形状和尺寸。

此外，在磁共振方法中，当电力传输线圈和电力接收线圈彼此放置在最佳距离时，可以获得最大的传输效率。然而，缩短这一距离可能会导致传输效率下降而不是增加。这是由于当互感M发生变化时，偏离了最佳距离，导致耦合系数和谐振频率发生变化。此外，来自线圈周围物体的杂散电容也会影响谐振频率，导致未调谐、未优化的系统。因此，通常需要一个特殊的电路来自动跟踪和调整电路，以获得最大的效率。有各种技术来补偿共振频率的这些波动，但这是磁共振方法中最重要的技术考虑因素，以及线圈设计技术。

无法提供模拟和实测数据，但WPT系统的典型谐振频率为81.38 - 90 kHz。电磁场是由国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP) 2010标准管理的。场强根据WPT系统指定的区域而变化。在驾驶员区域和车辆周围，它被限制在21.2微特斯拉。现场强度由ICNIRP 2010标准管理。图4和图5显示样本频谱分析仪和EMI测量的标称频率样本方位角测量值表1和表2．

图三
图4。线圈匹配[0,0]对准，标称频率采样方位角测量。


图
图5。测试设置俯视图。6

EMI (dBµ/ m)

角(°)

马克斯·Hx：

43.94

306

马克斯·Hy：

36.51

36

马克斯·Hz：

32.56

298
表1。线圈匹配[0,0]对准，标称频率采样频谱分析仪测量。

探测器

Hx跟踪(dBµV)

CF钢筋混凝土(dB)

HxEMI (dBµ/ m)

Pk

53.40

-10.17

43.23

QP

53.00

-10.17

42.83

Avg

53.30

-10.17

43.13

探测器

Hy跟踪(dBµV)

CF钢筋混凝土(dB)

HyEMI (dBµ/ m)

Pk

46.80

-10.16

36.64

QP

46.30

-10.16

36.14

Avg

46.60

-10.16

36.44

探测器

Hz跟踪(dBµV)

CF钢筋混凝土(dB)

HzEMI (dBµ/ m)

Pk

43.00

-10.16

32.84

QP

40.20

-10.16

30.04

Avg

41.10

-10.16

30.94
表2。线圈匹配[0,0]对准，标称频率样本EMI接收机测量。

电磁兼容性(EMC)

电磁兼容(EMC)是指设备与其所处的电磁环境兼容(即不产生干扰)，并且不会向附近的其他设备发射产生电磁干扰(EMI)的电磁能量。WPT世界中的EMC包括车辆中电子产品的兼容性，以便在WPT系统产生的强磁场存在时能够正常工作。此外，这些信号对车内人员的潜在负面影响(如果有的话)值得在这里提及。

电动汽车组件级系统中越来越先进的电子设备在设计时必须考虑到EMC，以确保车辆的可靠性和安全运行。每个系统组件都需要在电动汽车系统引入的EM环境中作为一个整体共存图6)．这些电气系统组件引入它们自己的辐射或传导电磁能量。例如，WPT系统发射器(例如，传输线圈)等有意散热器可以在特定的操作频率下产生强信号，该信号可能与其他车辆电子系统(例如导航和通信系统)耦合，从而导致操作故障。这些类型的干扰是通过线束或PCB走线的耦合引入的。EMC电路，如滤波器，为每个系统组件设计，以减轻任何潜在的EMI。这些电路包括电容器、电感器、电阻及其组合。其他有助于减轻这种干扰的电子元件是铁素体材料，如珠子、夹子、环体、片，以及专门为布线应用设计的铁素体材料。

WPT系统根据VA线圈相对于GA线圈在所需范围内的位置以特定速率提供电源。电力转移将停止在任何超出规格的情况下。此外，功率传输需要在完全指定的额定功率下满足效率目标。WPT机制由以下组件组成:

  • 地面装配机制:
    • 高频功率逆变器
    • 过滤器
    • 发射线圈
    • 调控与沟通
  • 车辆装配机构:
    • 接收线圈
    • 过滤器
    • 整流器
    • 调控与沟通
  • 二次储能机制:
    • 二次储能系统
    • 电池管理系统组件
    • 车载通信模块

我明白
图6。单个WPT充电站的框图。

结论

许多人认为，无插拔式电动汽车将是实现未来无所不在的自动充电自动驾驶汽车的关键。为了实现大规模采用，需要有一个普遍可用的配套公共充电基础设施。包括TDK在内的全球行业领导者正在努力定义一套明确的WPT标准，包括管理EMC的标准。为公共空间开发最佳WPT的工程师们正在努力解决一些问题，如充电板和电动汽车之间的必要对准精度，材料对EMC的影响，最佳线圈角度，以及公共空间中靠近的多个线圈之间相互作用的后果。他们正在考虑电磁信号可能对无线电动汽车内和周围的人产生什么影响。全球的工程师们正在不断地研究、开发和测试新方法、新材料和新设计，为汽车行业解决WPT的复杂问题而努力。

汽车WPT利弊总结:

优点:

  1. 便捷性:无需手动充电，无需连接/断开线缆。
  2. 更低的寿命成本:有更少的机械零件，有可能发生故障，需要维修/更换。电缆或插座因天气原因而生锈或腐蚀的可能性降低。
  3. 安全:无外露高压或电源插座。
  4. 自动:自动驾驶汽车是自动充电的。

缺点:

  1. 低效率:目前，WPT的效率低于有线选项。
  2. 更长的充电时间:WPT目前需要比有线充电更长的充电时间。
  3. 高昂的前期或安装成本:如上所述，更新电力基础设施、安装地面组件等都需要成本。
  4. 易受天气影响:极端天气条件可能会影响充电效率和/或一般充电能力。

引用:

  1. 汽车无线充电终于来了吗?，内森·赫斯特，Smithsonian.com, 10-22-18
  2. 彭博新能源财经2018年电动汽车报告
  3. https://product.tdk.com/info/en/products/wireless-charge/technote/tpo/index.html
  4. 为电动汽车带来无线充电的小公司， Mark Sullivan，快公司，02-27-18
  5. TDK开发电动汽车无线充电系统，日经亚洲评论，11-23-18
  6. SAE标准J2954
    1. 施耐德，J.， Kamichi, K.， Mikat, D.， Sutton, R.等人，”基于SAE J2954的7.7kW无线功率传输台架测试验证，”sae 2017-01-2448
    2. SAE J2954推荐实践
  7. SAE国际发布J2954推荐实践，使无线充电达到11kW，新闻稿，11-29-17
  8. https://product.tdk.com/info/en/techlibrary/developing/wireless/index.html