淺談電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)及性能要求

無(wú)線充電簡(jiǎn)單方便，即停即充，不受惡劣氣候條件的影響，不用擔(dān)心人為破壞，大大提高了用戶體驗(yàn)，更是自動(dòng)駕駛汽車(chē)不可或缺的功能之一。隨著電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)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)線充電發(fā)展明顯加速。

一、系統(tǒng)組成

電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電系統(tǒng)，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)線充電的系統(tǒng)部件，不同廠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(包括線圈和控制器)。根據(jù)需要，地上部分和車(chē)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(dāng)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(chē)載接收板

無(wú)線充電屬弱耦合系統(tǒng)，耦合系數(shù) k≈0.1-0.4。標(biāo)稱(chēng)工作頻率85kHz，頻率范圍81.38-90kHz。

二、線圈結(jié)構(gòu)

在無(wú)線充電系統(tǒng)中，常見(jiàn)線圈結(jié)構(gòu)有CR、DD、及多線圈形(比如Bipolar)。CR結(jié)構(gòu)是單一環(huán)形結(jié)構(gòu)，可以繞制成圓形、橢圓形、或方形等;DD結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一條Liz線從一個(gè)線圈繞到另一個(gè)線圈;而B(niǎo)ipolar是由兩個(gè)獨(dú)立線圈部分重疊而成。

相比傳統(tǒng)的CR結(jié)構(gòu)而言，DD結(jié)構(gòu)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(yīng)用不多呢?問(wèn)題在于，線圈越多控制越復(fù)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(guī)模應(yīng)用。

三、電路拓?fù)?/p>

選用什么樣的電路的拓?fù)?，與線圈結(jié)構(gòu)、功率等級(jí)、隔空間隙等設(shè)計(jì)需求有關(guān)。不同廠家都有自己獨(dú)特設(shè)計(jì)，有的涉及專(zhuān)利技術(shù)及知識(shí)產(chǎn)權(quán)。以下是兩個(gè)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(jí)。SAE J2954 TIR、IEC 61980 PT、及GB國(guó)標(biāo)征求意見(jiàn)稿之間均有不同。以上標(biāo)準(zhǔn)均未正式發(fā)布，以下內(nèi)容來(lái)自SAE J2954 TIR。

標(biāo)準(zhǔn)要求在最大輸入功率時(shí)，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(qǐng)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(tǒng)效率。

效率是一個(gè)很復(fù)雜的概念，哥認(rèn)為至少與以下因素有關(guān)：1、位置對(duì)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(biāo)稱(chēng)值，系統(tǒng)效率均會(huì)有所下降;3、位置轉(zhuǎn)角，即車(chē)身相對(duì)三維坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)不好的系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重，只能降額工作，因此開(kāi)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后效率就下降了;6、壽命階段，隨著服務(wù)時(shí)間的推移，電子元件會(huì)老化，參數(shù)發(fā)生漂移，如果系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)能力有限也會(huì)影響系統(tǒng)效率。7、測(cè)試方法，大家都知道測(cè)試方法的重要性，方法不對(duì)測(cè)試結(jié)果難以令人信服......所以說(shuō)，閉口不談測(cè)試條件的所謂效率都是耍流氓!有人搭出一套系統(tǒng)，測(cè)了測(cè)好象效率還不錯(cuò)，于是便高調(diào)宣稱(chēng)自己的產(chǎn)品效率高達(dá)90%......So what?

五、異物檢測(cè)

交變磁場(chǎng)中的金屬物體，由于渦流熱效應(yīng)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(cè)因涉及到產(chǎn)品安全性而顯得尤為重要。許多廠家聲稱(chēng)自己的產(chǎn)品具備異物檢測(cè)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(cè)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(cè)線圈。當(dāng)有金屬異物落于發(fā)射板上，會(huì)引起相應(yīng)區(qū)域磁場(chǎng)的變化，而這個(gè)變化的磁場(chǎng)將被檢測(cè)到。對(duì)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(cè)到，只能通過(guò)限制磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)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(yīng)強(qiáng)度低，因而安全性也更高。

六、活體保護(hù)

大家都比較擔(dān)心無(wú)線充電系統(tǒng)的電磁輻射，因?yàn)殡姶挪床灰?jiàn)摸不到。在充電板和接收板之間的區(qū)域，磁場(chǎng)強(qiáng)度是最大的。為了防止小動(dòng)物，如貓、狗等，因長(zhǎng)期暴露在高強(qiáng)度電磁場(chǎng)中引發(fā)組織損傷，有的廠家開(kāi)發(fā)出活體保護(hù)功能。當(dāng)小動(dòng)物接近充電板時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到并停止充電;一旦小動(dòng)物離開(kāi)，系統(tǒng)能及時(shí)恢復(fù)充電功能。

七、定位功能

無(wú)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(guò)磁場(chǎng)檢測(cè)來(lái)實(shí)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(lái)檢測(cè)信號(hào)，理論工作范圍達(dá)5m。LPE是復(fù)用功率線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)定位功能，由GA發(fā)射，VA接收，工作范圍在1m以?xún)?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(lèi)型線圈之間能正常匹配，還要求不同功率等級(jí)、不同離地間隙的無(wú)線充電系統(tǒng)能向下兼容。標(biāo)準(zhǔn)都有相應(yīng)規(guī)定。

九、EMC(Electromagnetic Compatibility)

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