汽车无线充电基础设施的设计挑战

2018年10月，全球首款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、日本和中国推广。¹这款电动汽车代表了数十年来对无插头电动汽车的技术发展，许多人认为它使我们离动态自我充电自动驾驶汽车的未来更近了一步。

无线技术，包括具有无线电力传输(WPT)功能的电动汽车，正在迅速发展:ABI研究公司预测，到2020年，无线充电设备的数量将超过7亿。电动汽车车型(包括插电式和无线)的数量预计也将从2017年的155款增长到2022年的289款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该行业的扩张。

一个经常被提及的阻碍电动汽车更快普及的因素是，需要一个普遍可用的公共充电基础设施。这些基础设施背后的技术团队正在努力增加目前可用的插电式充电站的数量，同时推动技术创新，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，特别是在汽车应用程序中。

无线电力传输

主流的WPT方法是电磁感应和磁共振。两种方法都是利用电力接收线圈捕捉电力传输线圈产生的磁场，实现非接触式电力传输。

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简单的原理和结构，加上低成本的系统可制造性，但随着电力传输和接收线圈之间的距离增加，这些系统也容易出现电力传输效率急剧下降的情况。^3.

另一方面，基于磁共振的WPT通过功率发射侧和接收侧的电容器传输功率，形成LC谐振电路，调谐双方以同一频率谐振。这使得系统能够保持电源馈送，即使更大的线圈之间的距离，和/或当线圈的中心略有移位。^3.

由于磁共振系统提供了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技术近年来作为汽车行业的解决方案备受关注。

目前，汽车WPT应用包括一个外部电源垫，它可能位于地面顶部，也可能嵌入地面。垫或板有一个圆形线圈，可以将交流电转换成电磁波。一个伙伴功率放大器控制这个电流和波频率。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，该线圈可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功率损失很小(通常为7%到10%)，因此被认为是高效率的。⁴WiTricity已经将一种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年实现轻松、无电缆充电的商业现实。⁵

标准的必要性

国际汽车工程师协会(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无数不同的电动汽车型号一起工作。⁶

2017年11月，SAE国际发布了J2954推荐实践(RP)，这是第一个针对电机功率高达11 kW的电动汽车的WPT行业规范(WPT 3)。⁷目前的版本解决了从电网到车辆的单向充电，并警告说双向能量转移可能会在未来的标准中进行评估。

作为其规范的一部分，RP提供了一个标准化测试台(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测试性能和验证其产品和新开发的手段。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的兼容性，例如“双D”设计(参见图1和2）.

图1所示。圆形WPT3地面组件和车辆组件。

图2。DD通用(WPT1-WPT3)地面组件和车辆组件。

J2954声明WPT系统有两个主要组件:地面组件(GA)单元和车辆组件(VA)单元。GA包含一个并网功率因数校正(PFC)转换器，随后是一个DC-AC逆变器，一个滤波器和一个连接到GA线圈的阻抗匹配网络(IMN)。VA由一个连接到IMN和滤波器的VA线圈、一个整流器和一个可选的阻抗变换器组成，该变换器为连接的电池产生合适的电压和电流。在充电过程中，由GA线圈产生的磁能耦合到VA线圈。⁷

采用低功率励磁(LPE)实现最小共向法。LPE是将符合SAE J2954标准的GA线圈以低电流激发，从而在VA上感应到可检测信号的方法。J2954规定了功率传输的车辆离地间隙为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)。这种对齐可以帮助司机保持在充电范围内，未来的自动驾驶汽车甚至可以在雨雪等恶劣天气条件下找到停车位。

SAE International发表了一篇技术论文，其中包含了美国能源部爱达荷国家实验室和TDK对汽车和无线充电供应商进行的台架测试结果。测试报告证实，在匹配和不匹配线圈拓扑结构下，WPT可以在全功率下实现，效率高达93%(电网到电池)，并且可以在不同功率范围(3.7至7.7 kW)之间充电。⁷

在RP宣布后的几个月里，已经进行了额外的测试，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、7.7和11.1 kVA的系统，目前正在考虑22 kVA的系统。最近，120千伏安系统已经在实验室环境中进行了演示。与有线传输相比，无线传输效率已达到90%，尽管标准建议在偏移对齐位置的效率至少为80%。

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:

• 汽车与无线充电板必须有多大的对齐?
• 水泥(车库地板)或沥青(公共场所)等材料如何影响充电板线圈的性能?
• 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?
• 线圈如何在公共场所相互作用(例如，有几个带充电器的停车位)?

这些问题的答案在汽车WPT的以下几个方面。我们将描述每种方法的工作原理，概述当前的技术障碍，并提供测试数据的快照，显示克服挑战的进展。

核磁共振⁸

WPT的磁共振方法有助于克服电力传输线圈和电力接收线圈之间的距离增加时效率下降的问题。发射侧和接收侧的磁耦合程度用耦合系数或k表示。若电力发射线圈和电力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:

耦合系数取值范围为0≦k≦1，在无漏磁的情况下，理想值为1(=100%传输效率)。⁷在磁共振法中，在功率发送和功率接收两侧都插入电容器，形成LC(电感和电容器)谐振电路(见图3）.通过匹配两侧的谐振频率来传递功率。因此，即使耦合系数较低，通常<0.5，也可以获得较高的传输效率。

在磁共振法中，最大传输效率表示为线圈的耦合系数(k)与质量因子(Q) (kQ积)乘积的函数。即使耦合系数较低，提高线圈的q值也可以获得较高的传输效率。但是，要实现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或增加线圈的匝数来增加电感，那么理论上，Q会增加。然而，由于电阻分量在这种情况下也会增加，因此有必要在线圈设计期间优化线圈的形状和尺寸，以平衡两者。

此外，在磁共振方法中，当功率发送线圈和功率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，减少这个距离可能会导致传输效率下降而不是增加。这是由于互感系数M变化时偏离最佳距离，导致耦合系数和谐振频率发生变化。此外，线圈周围物体的杂散电容也会影响谐振频率，导致系统未调谐，未优化。因此，通常需要一种特殊的电路来自动跟踪和调整电路以获得最大的效率。有各种各样的技术来补偿谐振频率的这些波动，但这是磁共振方法中最重要的技术考虑，以及线圈设计技术。

模拟和实测数据无法提供，但WPT系统的典型谐振频率为81.38 - 90khz。电磁场由国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP) 2010年标准管理。场强因WPT系统指定的区域而异。在驾驶员区和车辆周围，它被限制在21.2微特斯拉。场强由ICNIRP 2010标准管理。图4和5显示标称频率样品方位角测量与样品频谱分析仪和电磁干扰测量显示在表1和表2．

图4。线圈匹配[0,0]对齐，标称频率采样方位角测量。

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

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

电磁兼容性(EMC)

电磁兼容性(Electromagnetic compatibility, EMC)是指设备与其所在的电磁环境兼容(即不受电磁环境的干扰)，并且设备发射的电磁能量不会对附近的其他设备造成电磁干扰(EMI)。WPT领域的EMC包括车辆中电子设备的兼容性，以便能够在WPT系统产生的强磁场存在下正常工作。此外，这些信号对车内人员可能产生的负面影响(如果有的话)在这里值得一提。

电动汽车组件级系统中越来越多的先进电子设备需要在设计时考虑到EMC，以确保车辆的可靠性和安全运行。每个系统组件需要在EV系统作为一个整体引入的EM环境中共存(参见图6）.这些电气系统组件自身会产生辐射或传导的电磁能量。例如，故意散热器，如WPT系统发射机(例如，传输线圈)可以在特定的操作频率上产生强信号，该信号可能与其他车辆电子系统，如导航和通信系统耦合，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，是为每个系统组件设计的，以减轻任何潜在的EMI。这些电路包括电容器、电感器、电阻器及其组合。其他有助于减轻这种干扰的电子元件是铁氧体材料，其形式包括磁珠、夹子、环面、片和专门设计用于布线的铁氧体材料。

WPT系统根据VA线圈相对于GA线圈在所需范围内的位置，以特定的速率供电。在任何超出规格的情况下，电源转移将停止。此外，功率传输需要满足满额定功率时的效率目标。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
  • 调控与通讯
• 整车装配机构:
  • 接收线圈
  • 过滤器
  • 整流器
  • 调控与通讯
• 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

图6。单个WPT充电站的框图。

结论

许多人认为，无插头电动汽车将是实现无处不在的自动充电汽车未来的关键。为了实现大规模采用，需要有一个配套的、普遍可用的公共充电基础设施。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诸如充电板和电动汽车之间必要的对准精度、材料对EMC的影响、最佳线圈角度以及公共空间中多个线圈相互作用的后果等问题。他们正在考虑电磁信号对无线电动汽车内和周围的人可能产生的影响。追求持续的研究，开发和测试新方法，材料和设计，世界各地的工程师正在竞相解决汽车行业WPT的复杂问题。

汽车WPT的优缺点总结:

优点:

1. 方便:无需手动充电，也无需连接/断开电缆。
2. 更低的寿命成本:有更少的机械部件可能会发生故障，需要维修/更换。减少了电缆或插座因天气而生锈或腐蚀的可能性。
3. 安全:无外露高压插座或电源插座。
4. 自动:自动驾驶汽车是自动充电的。

缺点:

1. 效率较低:目前，WPT的效率低于有线选项。
2. 充电时间更长:WPT目前需要比有线充电时间更长的充电时间。
3. 前期或安装成本高:如上所述，更新电力基础设施、安装地面组件等都有成本。
4. 对天气的敏感性: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. 汽车无线充电终于到来了吗?， Nathan Hurst著，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. 将无线充电技术引入电动汽车的小公司， Mark Sullivan, Fast Company, 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. Schneider, J.， Kamichi, K.， Mikat, D.， Sutton, R.等。基于SAE J2954的7.7kW无线功率传输台架测试验证，见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，新闻发布会，11-29-17
8. https://product.tdk.com/info/en/techlibrary/developing/wireless/index.html