為電動(dòng)汽車(chē)充電是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵之一。除了充電站，汽車(chē)行業(yè)還在尋找替代解決方案：無(wú)線(xiàn)充電，它類(lèi)似于智能手機(jī)充電的增強(qiáng)版，但有一些關(guān)鍵區(qū)別?！盁o(wú)線(xiàn)感應(yīng)充電使電動(dòng)汽車(chē) [EV] 無(wú)需電纜即可自動(dòng)充電，”P(pán)lugless Power 首席執(zhí)行官 Michael Rai Anderson 在接受 EEWeb 采訪(fǎng)時(shí)表示。

“從技術(shù)上講，一切都是可擴(kuò)展的；然而，隨著電力傳輸率的提高，電力管理電子設(shè)備的復(fù)雜性和尺寸必須增加，”他補(bǔ)充道?！案匾氖?，隨著功率的增加，還需要考慮一些額外的因素，例如熱損耗和熱管理。效率越高，功率越高，熱損失就越高，并且必須采取更多措施來(lái)管理這些熱量?！?/p>

Yole Développement (Yole) 電力電子和電池首席分析師 Milan Rosina 博士表示，電動(dòng)汽車(chē)充電需要更高的電壓、功率和傳輸?shù)哪芰俊Ｒ虼?，技術(shù)、安全、成本和環(huán)境挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻?！半m然無(wú)線(xiàn)充電器和智能手機(jī)經(jīng)常緊密接觸，但很難將車(chē)輛準(zhǔn)確定位在充電器上方，而且充電器[發(fā)射器]和安裝在車(chē)輛上的接收器之間的距離要大得多，”他說(shuō)。

Rosina 指出，這會(huì)導(dǎo)致實(shí)際情況下能量傳輸效率低下。但要降低成本和熱管理挑戰(zhàn)，以及減少無(wú)線(xiàn)充電對(duì)環(huán)境的影響，需要高效率（圖 1）。

此外，電動(dòng)汽車(chē)充電所需的高電壓和高功率給無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的安全性和成本帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。“無(wú)線(xiàn)充電還需要將額外的充電器集成到車(chē)輛中，這會(huì)增加車(chē)輛成本，”Rosina 說(shuō)?！霸诠矆?chǎng)所安裝電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電器也帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。新一代無(wú)線(xiàn)充電器的升級(jí)比有線(xiàn)充電器更復(fù)雜。自動(dòng)充電往往被呈現(xiàn)為一種方便甚至自動(dòng)化的充電方式。事實(shí)上，自動(dòng)駕駛汽車(chē)將最佳地使用一種自動(dòng)充電，而無(wú)線(xiàn)充電在這里似乎是一個(gè)很有前途的選擇。但有幾家公司也開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化解決方案，例如電池更換、機(jī)械臂充電、或自動(dòng)移動(dòng)充電系統(tǒng)。一旦對(duì)自動(dòng)化解決方案的需求變得緊迫，此類(lèi)解決方案將與無(wú)線(xiàn)充電競(jìng)爭(zhēng)。”

圖 1：無(wú)線(xiàn)充電挑戰(zhàn)（來(lái)源：Yole Développement）

UnitedSiC 業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Andy Wilson 認(rèn)為，無(wú)線(xiàn)充電的早期采用者將是商用車(chē)輛（公共汽車(chē)、送貨車(chē)輛、出租車(chē)），他們希望將無(wú)線(xiàn)充電作為提供快速補(bǔ)充充電以擴(kuò)展車(chē)輛續(xù)航里程的一種方式。“這些補(bǔ)充充電事件發(fā)生在車(chē)輛停在常規(guī)休息點(diǎn)的短時(shí)間內(nèi)，”他說(shuō)。“這種動(dòng)態(tài)將需要比在住宅無(wú)線(xiàn)充電中看到的更高水平的電力傳輸，在這種情況下，充電可以在一夜之間以低得多的功率水平進(jìn)行。

“為了能夠支持商業(yè)補(bǔ)充充電的大功率要求，諧振磁感應(yīng)必須以相對(duì)較高的頻率發(fā)生，這需要更快的開(kāi)關(guān)設(shè)備，”他補(bǔ)充道?！斑@些要求充分發(fā)揮了寬帶隙 [WBG] 半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢(shì)。”

安森美半導(dǎo)體企業(yè)營(yíng)銷(xiāo)和戰(zhàn)略經(jīng)理 Ali Husain 表示，一些無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)聲稱(chēng)功率高達(dá) 20 kW，從插頭到電池的效率為 94%。“諧振頻率通常高達(dá) 100 kHz，因此 WBG 的快速切換適用于這些系統(tǒng)，”他說(shuō)。

電動(dòng)汽車(chē)充電解決方案

在談到電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，有多種方法可以為車(chē)輛“補(bǔ)充”能量，包括電池充電、電池更換和加氫（圖 2）。Rosina 指出，加氫燃料用于氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)，它只占電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的極小部分。在電池更換的情況下，通過(guò)結(jié)合使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和無(wú)線(xiàn)通信，該站可以識(shí)別每個(gè)要更換的電池模塊的確切位置。我們?cè)?EE Times 上更深入地討論了這個(gè)主題。

圖 2：如何為 EV 充滿(mǎn)能量（來(lái)源：Yole Développement）

“為了達(dá)到政府嚴(yán)格的 CO 2減排目標(biāo)，車(chē)隊(duì)的電氣化已成為強(qiáng)制性要求，”Rosina 說(shuō)?！氨M管存在不同程度的電氣化，但只有通過(guò)‘強(qiáng)電氣化’才能實(shí)現(xiàn)必要的減排——在電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中?！?/p>

圖 3：EV/HEV 分類(lèi)（來(lái)源：Yole Développement）

通過(guò)電纜進(jìn)行的導(dǎo)電充電包括手動(dòng)連接充電站和車(chē)輛之間的導(dǎo)體。根據(jù)電纜的大小，電流會(huì)流過(guò)這個(gè)有線(xiàn)連接，從而實(shí)現(xiàn)非常高的充電容量。這種充電方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：

降低基礎(chǔ)設(shè)施成本

高功率傳輸效率

高速充電的可能性（但成本增加）

維護(hù)要求低

幾乎沒(méi)有電磁輻射

這種充電方式的主要缺點(diǎn)是：

需要人工干預(yù)來(lái)解決沒(méi)有自動(dòng)化過(guò)程的相關(guān)缺點(diǎn)

電纜占用停車(chē)區(qū)的空間

對(duì)于上述所有優(yōu)勢(shì)，傳導(dǎo)充電肯定會(huì)在未來(lái)許多年繼續(xù)用于全電動(dòng)汽車(chē)。根據(jù) Yole Développement 的“2021 年插電式電動(dòng)汽車(chē)直流充電”報(bào)告，直流充電器市場(chǎng)將在 2020-2026 年以 15.6% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到 2026 年將達(dá)到約 44 萬(wàn)臺(tái)。很可能在不久的將來(lái)，我們還將看到具有與該技術(shù)相關(guān)的不同類(lèi)型自動(dòng)化的系統(tǒng)。

“無(wú)線(xiàn)充電解決方案仍處于早期開(kāi)發(fā)階段，面臨諸多挑戰(zhàn)，”Rosina 說(shuō)?！霸诳深A(yù)見(jiàn)的未來(lái)，‘線(xiàn)’或‘線(xiàn)’充電解決方案是并將繼續(xù)成為電動(dòng)汽車(chē)的主流充電解決方案。為了避免通過(guò)充電電纜和連接器傳輸非常高的電流所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，我們開(kāi)發(fā)了受電弓解決方案——主要用于電動(dòng)巴士充電?！?/p>

威爾遜指出，無(wú)線(xiàn)充電既需要基礎(chǔ)設(shè)施投資（發(fā)射板），也需要車(chē)輛投資（接收板）。他說(shuō)：“對(duì)于日常續(xù)航里程要求超過(guò)車(chē)輛電池容量的商用車(chē)，能夠在日常停車(chē)期間全天接收補(bǔ)充費(fèi)用可以彌補(bǔ)這一差距。” “這個(gè)范圍擴(kuò)展價(jià)值提供了商業(yè)案例來(lái)證明支持無(wú)線(xiàn)充電所需的投資是合理的。對(duì)于私人乘用車(chē)而言，無(wú)線(xiàn)充電的首要價(jià)值在于便利性。對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，他們?cè)敢庵С值谋憷蛩氐耐顿Y相對(duì)較少。出于這個(gè)原因，我們認(rèn)為在這個(gè)市場(chǎng)得到解決之前，成本需要大幅下降?！?/p>

安德森指出，目前的方法是基于有線(xiàn)充電設(shè)備，“但這些設(shè)備從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看并不實(shí)用，因?yàn)樗鼈児逃械貢?huì)造成絆倒危險(xiǎn)，容易損壞，并且需要駕駛員將車(chē)輛插入，甚至如果有惡劣天氣。

“無(wú)線(xiàn)感應(yīng)充電部署的歷史研發(fā)主要集中在發(fā)射和接收線(xiàn)圈；然而，目前的研發(fā)工作更側(cè)重于通信、用戶(hù)界面和感官陣列，”他補(bǔ)充道。

與無(wú)線(xiàn)充電相關(guān)的安全挑戰(zhàn)與與有線(xiàn)充電相關(guān)的安全挑戰(zhàn)沒(méi)有什么不同。需要類(lèi)似的軟件協(xié)議和加密來(lái)提供系統(tǒng)安全性。Anderson表示，對(duì)于給定的功率輸出（即3.3 kW、7.2 kW、11 kW），充電時(shí)間將相對(duì)相似。

從電動(dòng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的角度來(lái)看，在汽車(chē)中實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)充電的第一個(gè)挑戰(zhàn)是通過(guò)通用標(biāo)準(zhǔn)采用。“現(xiàn)在 SAE 已經(jīng)發(fā)布了它的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) [2020 年 10 月]，我們朝著這個(gè)目標(biāo)邁出了第一步，”安德森說(shuō)。“我們現(xiàn)在需要消費(fèi)者要求無(wú)線(xiàn)充電可以提供的便利和價(jià)值主張，以確保 EV OEM 開(kāi)始采用‘無(wú)線(xiàn)就緒’或‘無(wú)線(xiàn)功能’的電動(dòng)汽車(chē)。但是，應(yīng)該注意的是，無(wú)線(xiàn)充電可以實(shí)現(xiàn)自治。事實(shí)上，眾所周知，沒(méi)有無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)就沒(méi)有無(wú)人駕駛?！?/p>

SAE International 發(fā)布的 SAE J2954 和 SAE J2846/7 標(biāo)準(zhǔn)制定了規(guī)范能量交換的標(biāo)準(zhǔn)，該能量交換能夠充電高達(dá) 11 kW，效率為 94%，板到車(chē)輛的距離高達(dá) 25 cm。相同的系統(tǒng)可以應(yīng)用于自主基礎(chǔ)設(shè)施，專(zhuān)為能夠自動(dòng)停車(chē)和充電的汽車(chē)而設(shè)計(jì)。

技術(shù)

第一個(gè)提出“無(wú)線(xiàn)”電能傳輸理論的人是 1896 年的尼古拉·特斯拉。其工作原理類(lèi)似于變壓器，基于磁感應(yīng)定律。稱(chēng)為發(fā)射器的初級(jí)電路會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)。次級(jí)電路接收這個(gè)字段，稱(chēng)為接收器，它連接到要供電的設(shè)備。要考慮的最重要參數(shù)當(dāng)然是兩個(gè)電路之間的距離及其對(duì)齊方式。對(duì)準(zhǔn)不良和相對(duì)較大的距離會(huì)降低性能并使能量傳輸效率低下。

磁感應(yīng)充電利用兩個(gè)墊子之間的能量交換，一個(gè)位于地面上，一個(gè)位于車(chē)輛下方。充電墊（在地面上）約為 1 m 2，而接收墊（在汽車(chē)上）被封閉在一個(gè)小裝置中。除了可選地安裝在車(chē)輛上的墊外，基礎(chǔ)設(shè)施還包括感應(yīng)充電站。

接收器（接收線(xiàn)圈）放置在車(chē)輛底部，而幾個(gè)充當(dāng)發(fā)射器的線(xiàn)圈則嵌入路面。后者由電能供應(yīng)。其工作原理如下：路面中的線(xiàn)圈通過(guò)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)確保車(chē)輛上的線(xiàn)圈接收到此信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換回電能。產(chǎn)生的能量用于為運(yùn)行電機(jī)的電池充電。

侯賽因說(shuō)，所有主要技術(shù)都是基于發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的諧振耦合?！霸谶@種方法中，接收線(xiàn)圈可以很好地調(diào)整到發(fā)射頻率，以最大限度地提高通過(guò)無(wú)線(xiàn)充電間隙傳遞的功率，”他說(shuō)。

安德森指出，接收天線(xiàn)安裝在車(chē)輛底部。“它的位置需要支持與發(fā)射器天線(xiàn)的鏡像接口，”他說(shuō)?！捌?chē)下方的實(shí)際位置不如確保與發(fā)射器天線(xiàn)的正確接口重要。實(shí)際尺寸由設(shè)計(jì)功率傳輸率決定。對(duì)于 EV，天線(xiàn)的尺寸范圍為 24 × 30 英寸，任何特定尺寸的 ±6 英寸。天線(xiàn)的寬度將在 1.5 到 4 英寸之間，具體取決于相關(guān)電力電子設(shè)備的性質(zhì)。”

移動(dòng)中的無(wú)線(xiàn)充電是基于相同原理的固定充電的替代方案。這個(gè)想法是在瀝青下方幾厘米處安裝充電線(xiàn)圈，通過(guò)非常高頻的磁場(chǎng)，可以在汽車(chē)行駛時(shí)為汽車(chē)充電。為了使系統(tǒng)正常工作，必須使用兼容系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行修改。

能源管理

通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)，充電管理類(lèi)似于當(dāng)前的充電方法，通過(guò)有線(xiàn)充電器進(jìn)行。然而，安德森指出，即使在這種情況下，充電管理也可能會(huì)根據(jù)無(wú)線(xiàn)充電設(shè)備的功率輸出情況略有變化。

“關(guān)鍵是要明白，天線(xiàn)之間的通信是基于直流電源；由于來(lái)自電網(wǎng)的電力是交流電，因此必須將電力轉(zhuǎn)換為直流電供發(fā)射器天線(xiàn)使用，”Anderson 說(shuō)?！敖邮掌魈炀€(xiàn)接收直流電，然后可以轉(zhuǎn)換回交流電，以與插入式接口使用的相同電氣基礎(chǔ)設(shè)施連接，或者留在直流電以直接與直流電池管理系統(tǒng)連接。每次必須將電源從交流轉(zhuǎn)換為直流或從直流轉(zhuǎn)換為交流時(shí)，效率都會(huì)略有下降。因此，大多數(shù)無(wú)線(xiàn)充電設(shè)備將以大約 92%、±2% 的效率運(yùn)行。但是，這并不比有線(xiàn)充電設(shè)備低很多。有線(xiàn)充電往往提供 96%、±2% 的效率?！?/p>

Husain 補(bǔ)充說(shuō)：“接收天線(xiàn)中的諧振耦合后，電源為交流電，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能為電池充電。接收天線(xiàn)之后的下一個(gè)階段可能是無(wú)源（二極管）或有源（MOSFET）整流。有源整流具有較低的損耗，但需要更仔細(xì)的控制，并且相對(duì)于硅器件通常更昂貴。然而，整體系統(tǒng)成本可以更低，因?yàn)楦偷膿p耗可以允許更小的散熱器或冷卻系統(tǒng)。在對(duì)電源進(jìn)行整流后，通常會(huì)有一個(gè)升壓級(jí)，它提供隔離，并使電壓水平與電池及其充電狀態(tài)保持一致。”

注意事項(xiàng)

電動(dòng)汽車(chē)正在逐漸主導(dǎo)電氣化，但續(xù)航里程仍然是一個(gè)非常困難的問(wèn)題，政府法規(guī)問(wèn)題也是如此。Husain 說(shuō)：“無(wú)線(xiàn)充電更容易，對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)幾乎是透明的，但有線(xiàn)充電更直觀(guān)，人們可能會(huì)喜歡插在車(chē)上的感覺(jué)。無(wú)線(xiàn)充電不會(huì)比使用車(chē)載充電器的交流充電快，通常為 11 kW 至 20 kW，但快速直流充電將高達(dá) 300 kW，以提供非?？焖俚某潆?。我們還需要很長(zhǎng)時(shí)間才能將無(wú)線(xiàn)充電作為基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，并讓每個(gè)人都可以選擇使用它、付費(fèi)并感到安全?！?/p>

為了讓每個(gè)人和任何地方都可以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電池充電，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)感應(yīng)充電站網(wǎng)絡(luò)，并將充電板嵌入路面。駕駛時(shí)感應(yīng)充電是電動(dòng)汽車(chē)的主要選擇。今天唯一可以確定的是，快速充電站網(wǎng)絡(luò)正在不斷擴(kuò)大，隨著充電選項(xiàng)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)的充電將變得越來(lái)越容易。

一段時(shí)間以來(lái)，以色列公司 Electreon Wireless 一直致力于移動(dòng)無(wú)線(xiàn)充電。在接下來(lái)的幾個(gè)月中，計(jì)劃在特拉維夫進(jìn)行首次官方測(cè)試，在 2 公里長(zhǎng)的道路瀝青下安裝充電板，電動(dòng)巴士將能夠在行駛中充電。電動(dòng)卡車(chē)在公共道路上的無(wú)線(xiàn)充電是無(wú)線(xiàn)電動(dòng)道路技術(shù)商業(yè)化的一個(gè)重要里程碑（圖 4）。

圖 4：瀝青下的充電板（來(lái)源：Electreon Wireless）

圖 5：WiTricity 的磁共振技術(shù)（來(lái)源：WiTricity）

圖 6：帶有無(wú)線(xiàn)充電功能的寶馬汽車(chē)（來(lái)源：Plugless Power）

Genesis 將在其 eG80 型號(hào)和代號(hào)為 JW 的新項(xiàng)目中看到無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。該技術(shù)將通過(guò)合作伙伴 WiTricity 實(shí)施，并將基于上述最新的 SAE J2954 標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線(xiàn)充電器的真正部署可以從 2021 年下半年開(kāi)始，因?yàn)楫?dāng)前的技術(shù)需要新的建筑物與當(dāng)前的攤位分開(kāi)。Genesis 還在開(kāi)發(fā) 7 kW 和 11 kW 家用充電器，以使客戶(hù)能夠在其家庭車(chē)庫(kù)中進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電（圖 5）。

WiTricity 的高效 3.6 至 11 kW 電動(dòng)汽車(chē)充電開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為汽車(chē)制造商、一級(jí)供應(yīng)商和充電基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商提供可互操作的無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。WiTricity 的高效設(shè)計(jì)和架構(gòu)已被納入 SAE International 和 IEC/ISO（國(guó)際）領(lǐng)導(dǎo)的全球標(biāo)準(zhǔn)化工作；DKE 和 Project STILLE（德國(guó)）；和 CATARC（中國(guó)）。WiTricity 的首席執(zhí)行官 Alex Gruzen 在他的網(wǎng)站上指出，自動(dòng)駕駛電動(dòng)汽車(chē)是個(gè)人出行的未來(lái)：“但是沒(méi)有司機(jī)，誰(shuí)來(lái)給汽車(chē)充電呢？答案很明確：沒(méi)有插頭，沒(méi)有電線(xiàn)?！?br />
審核編輯 黃昊宇