淺談電動汽車無線充電系統(tǒng)及性能要求

無線充電簡單方便，即停即充，不受惡劣氣候條件的影響，不用擔心人為破壞，大大提高了用戶體驗，更是自動駕駛汽車不可或缺的功能之一。隨著電動汽車大規(guī)模普及和無人駕駛技術的高速發(fā)展，感覺最近汽車無線充電發(fā)展明顯加速。

一、系統(tǒng)組成

電動汽車的無線充電系統(tǒng)，基本上由電源盒、地面發(fā)射板、車載接收板、車載控制器共4個部分組成。目前的無線充電主要是單向Grid to Vehicle(G2V)供電，以后必然發(fā)展為雙向供電，即G2V + V2G。為方便起見，本文仍稱之為“地面發(fā)射板”和“車載接收板”。

無線充電的系統(tǒng)部件，不同廠商定義了不同的名稱，Qualcomm稱之為Power Supply Unit(PSU)、Base Pad (BP)、Vehicle Pad (VP)、Vehicle Control Unit (VCU)。Evatran稱之為Control Panel, Parking Pad, Vehicle Adapter(包括線圈和控制器)。根據(jù)需要，地上部分和車載部分的線圈和控制器既可以做成分體式，也可以做成一體式。當前大部分系統(tǒng)是直流輸出到電池，也有少部分是交流輸出到OBC。系統(tǒng)框圖如下：

GA–Ground Assembly, 即地面發(fā)射板;VA–Vehicle Assemble, 即車載接收板

無線充電屬弱耦合系統(tǒng)，耦合系數(shù) k≈0.1-0.4。標稱工作頻率85kHz，頻率范圍81.38-90kHz。

二、線圈結構

在無線充電系統(tǒng)中，常見線圈結構有CR、DD、及多線圈形(比如Bipolar)。CR結構是單一環(huán)形結構，可以繞制成圓形、橢圓形、或方形等;DD結構實際上是一條Liz線從一個線圈繞到另一個線圈;而Bipolar是由兩個獨立線圈部分重疊而成。

相比傳統(tǒng)的CR結構而言，DD結構更小、更輕、效率更高、位置敏感度低、互操作性更好。

如下圖，Bipolar可以靈活配置成大CR、小CR或DD形。大家不禁要問，既然Bipolar如此完美，為什么應用不多呢?問題在于，線圈越多控制越復雜，成本及價格也越高，因此在產(chǎn)業(yè)化初期不會大規(guī)模應用。

三、電路拓撲

選用什么樣的電路的拓撲，與線圈結構、功率等級、隔空間隙等設計需求有關。不同廠家都有自己獨特設計，有的涉及專利技術及知識產(chǎn)權。以下是兩個典型示例：

四、功率及效率

WPT(Wireless Power Transfer)系統(tǒng)可劃分為不同的功率等級。SAE J2954 TIR、IEC 61980 PT、及GB國標征求意見稿之間均有不同。以上標準均未正式發(fā)布，以下內(nèi)容來自SAE J2954 TIR。

標準要求在最大輸入功率時，系統(tǒng)效率高于85%;在左右偏差±100mm、前后偏差±75mm、上下偏差?的情況下，不得低于80%。請注意：這是所說的效率是從交流輸入(1)到直流輸出(2)的全系統(tǒng)效率。

效率是一個很復雜的概念，哥認為至少與以下因素有關：1、位置對中，即X、Y方向的位置偏差，但正中位置并不總是效率最高點;2、隔空間隙，高于或低于標稱值，系統(tǒng)效率均會有所下降;3、位置轉角，即車身相對三維坐標軸的轉角偏差，偏差越大，效率越低;4、輸出功率，一般來說隨輸出功率提高，效率會先升后降;5、工作溫度，設計不好的系統(tǒng)發(fā)熱嚴重，只能降額工作，因此開機運行一段時間后效率就下降了;6、壽命階段，隨著服務時間的推移，電子元件會老化，參數(shù)發(fā)生漂移，如果系統(tǒng)自動調節(jié)能力有限也會影響系統(tǒng)效率。7、測試方法，大家都知道測試方法的重要性，方法不對測試結果難以令人信服......所以說，閉口不談測試條件的所謂效率都是耍流氓!有人搭出一套系統(tǒng)，測了測好象效率還不錯，于是便高調宣稱自己的產(chǎn)品效率高達90%......So what?

五、異物檢測

交變磁場中的金屬物體，由于渦流熱效應或磁滯損耗會發(fā)熱。如果溫度過高，在某些極端情況下會引燃充電板附近的可燃物體。所以，異物檢測因涉及到產(chǎn)品安全性而顯得尤為重要。許多廠家聲稱自己的產(chǎn)品具備異物檢測功能，但具體性能如何尚不得而知。常見的金屬異物有：

異物檢測模塊通常安裝在地面發(fā)射板中。在主線圈之外，布置了矩陣式檢測線圈。當有金屬異物落于發(fā)射板上，會引起相應區(qū)域磁場的變化，而這個變化的磁場將被檢測到。對于極小的金屬物體，比如紙張上的訂書訂，這種方法一般很難檢測到，只能通過限制磁感應強度來保證安全性。在同等功率條件下，DD形線圈相比CR形線圈磁感應強度低，因而安全性也更高。

六、活體保護

大家都比較擔心無線充電系統(tǒng)的電磁輻射，因為電磁波看不見摸不到。在充電板和接收板之間的區(qū)域，磁場強度是最大的。為了防止小動物，如貓、狗等，因長期暴露在高強度電磁場中引發(fā)組織損傷，有的廠家開發(fā)出活體保護功能。當小動物接近充電板時，系統(tǒng)檢測到并停止充電;一旦小動物離開，系統(tǒng)能及時恢復充電功能。

七、定位功能

無線充電系統(tǒng)位置偏差越小，系統(tǒng)性能越高。常用的定位方法有MV(Magnetic Vector)及LPE(Low Power Excitation)。MV是利用幾組輔助線圈通過磁場檢測來實現(xiàn)的，VA上的X/Y兩組輔助線圈發(fā)出120-140kHz的電磁波，GA上的三組X/Y/Z線圈用來檢測信號，理論工作范圍達5m。LPE是復用功率線圈來實現(xiàn)定位功能，由GA發(fā)射，VA接收，工作范圍在1m以內(nèi)。相比MV方式，LPE精度低，但成本優(yōu)越明顯。

八、互操作性

互操作不僅要求不同類型線圈之間能正常匹配，還要求不同功率等級、不同離地間隙的無線充電系統(tǒng)能向下兼容。標準都有相應規(guī)定。

九、EMC(Electromagnetic Compatibility)

同其它任何汽車電子零部件一樣，無線充電系統(tǒng)都要符合Vehicle Level及Component Level的EMC要求。