淺談電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統及性能要求

無(wú)線(xiàn)充電簡(jiǎn)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(hù)體驗，更是自動(dòng)駕駛汽車(chē)不可或缺的功能之一。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)大規模普及和無(wú)人駕駛技術(shù)的高速發(fā)展，感覺(jué)最近汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電發(fā)展明顯加速。

一、系統組成

電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)充電系統，基本上由電源盒、地面發(fā)射板、車(chē)載接收板、車(chē)載控制器共4個(gè)部分組成。目前的無(wú)線(xiàn)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(jiàn)，本文仍稱(chēng)之為“地面發(fā)射板”和“車(chē)載接收板”。

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

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

無(wú)線(xiàn)充電屬弱耦合系統，耦合系數 k≈0.1-0.4。標稱(chēng)工作頻率85kHz，頻率范圍81.38-90kHz。

二、線(xiàn)圈結構

在無(wú)線(xiàn)充電系統中，常見(jiàn)線(xiàn)圈結構有CR、DD、及多線(xiàn)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(shí)際上是一條Liz線(xiàn)從一個(gè)線(xiàn)圈繞到另一個(gè)線(xiàn)圈;而B(niǎo)ipolar是由兩個(gè)獨立線(xiàn)圈部分重疊而成。

相比傳統的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(wèn)，既然Bipolar如此完美，為什么應用不多呢?問(wèn)題在于，線(xiàn)圈越多控制越復雜，成本及價(jià)格也越高，因此在產(chǎn)業(yè)化初期不會(huì )大規模應用。

三、電路拓撲

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

四、功率及效率

WPT(Wireless Power Transfer)系統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(jiàn)稿之間均有不同。以上標準均未正式發(fā)布，以下內容來(lái)自SAE J2954 TIR。

標準要求在最大輸入功率時(shí)，系統效率高于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(shuō)的效率是從交流輸入(1)到直流輸出(2)的全系統效率。

效率是一個(gè)很復雜的概念，哥認為至少與以下因素有關(guān)：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(diǎn);2、隔空間隙，高于或低于標稱(chēng)值，系統效率均會(huì )有所下降;3、位置轉角，即車(chē)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(lái)說(shuō)隨輸出功率提高，效率會(huì )先升后降;5、工作溫度，設計不好的系統發(fā)熱嚴重，只能降額工作，因此開(kāi)機運行一段時(shí)間后效率就下降了;6、壽命階段，隨著(zhù)服務(wù)時(shí)間的推移，電子元件會(huì )老化，參數發(fā)生漂移，如果系統自動(dòng)調節能力有限也會(huì )影響系統效率。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(shuō)，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，測了測好象效率還不錯，于是便高調宣稱(chēng)自己的產(chǎn)品效率高達90%......So what?

五、異物檢測

交變磁場(chǎng)中的金屬物體，由于渦流熱效應或磁滯損耗會(huì )發(fā)熱。如果溫度過(guò)高，在某些極端情況下會(huì )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(chǎng)家聲稱(chēng)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(jiàn)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(xiàn)圈之外，布置了矩陣式檢測線(xiàn)圈。當有金屬異物落于發(fā)射板上，會(huì )引起相應區域磁場(chǎng)的變化，而這個(gè)變化的磁場(chǎng)將被檢測到。對于極小的金屬物體，比如紙張上的訂書(shū)訂，這種方法一般很難檢測到，只能通過(guò)限制磁感應強度來(lái)保證安全性。在同等功率條件下，DD形線(xiàn)圈相比CR形線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電系統的電磁輻射，因為電磁波看不見(jiàn)摸不到。在充電板和接收板之間的區域，磁場(chǎng)強度是最大的。為了防止小動(dòng)物，如貓、狗等，因長(cháng)期暴露在高強度電磁場(chǎng)中引發(fā)組織損傷，有的廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)出活體保護功能。當小動(dòng)物接近充電板時(shí)，系統檢測到并停止充電;一旦小動(dòng)物離開(kāi)，系統能及時(shí)恢復充電功能。

七、定位功能

無(wú)線(xiàn)充電系統位置偏差越小，系統性能越高。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(xiàn)圈通過(guò)磁場(chǎng)檢測來(lái)實(shí)現的，VA上的X/Y兩組輔助線(xiàn)圈發(fā)出120-140kHz的電磁波，GA上的三組X/Y/Z線(xiàn)圈用來(lái)檢測信號，理論工作范圍達5m。LPE是復用功率線(xiàn)圈來(lái)實(shí)現定位功能，由GA發(fā)射，VA接收，工作范圍在1m以?xún)?。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(lèi)型線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電系統能向下兼容。標準都有相應規定。

九、EMC(Electromagnetic Compatibility)

同其它任何汽車(chē)電子零部件一樣，無(wú)線(xiàn)充電系統都要符合Vehicle Level及Component Level的EMC要求。