在電動(dòng)汽車(chē)充電是推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵點(diǎn)的世界中，其他解決方案可以與電動(dòng)充電站一起出現(xiàn)。一種這樣的解決方案是無(wú)線充電。無(wú)線汽車(chē)充電是智能手機(jī)充電的增強(qiáng)版，但有幾個(gè)不同之處?！盁o(wú)線感應(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《電力電子新聞》采訪時(shí)表示。

“從技術(shù)上講，一切都是可擴(kuò)展的；然而，隨著功率傳輸速率的提高，電源管理電子設(shè)備的復(fù)雜性和尺寸必須增加，”他補(bǔ)充道。“更重要的是，隨著功率的增加，需要考慮許多其他因素，例如熱損失和熱管理。效率越低，功率越大，熱量損失就越大，必須采取更多措施來(lái)管理熱量?！?/p>

Yole Développement （Yole） 電力電子和電池首席分析師 Milan Rosina 博士表示，EV 充電需要更高的電壓、功率和能量傳輸量。因此，技術(shù)、安全、成本和環(huán)境挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻?！半m然無(wú)線充電器和智能手機(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，充電器（發(fā)射器）與安裝在車(chē)輛上的接收器之間的距離要大得多，”他說(shuō)。

Rosina 指出，這導(dǎo)致實(shí)際條件下能量傳輸效率低下。但是，降低成本和熱管理挑戰(zhàn)以及減少無(wú)線充電對(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)線充電系統(tǒng)的安全性和成本帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)?！盁o(wú)線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，”羅西娜說(shuō)。“在公共場(chǎng)所安裝電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電器也伴隨著許多挑戰(zhàn)。新一代無(wú)線充電器的升級(jí)比有線充電器更復(fù)雜。自主充電往往被呈現(xiàn)為一種便捷甚至自動(dòng)化的充電方式。事實(shí)上，自動(dòng)駕駛汽車(chē)最好使用一種自動(dòng)充電，而無(wú)線充電在這里似乎是一個(gè)很有前途的選擇。但也有幾家公司開(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)線充電競(jìng)爭(zhēng)?！?/p>

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

UnitedSiC 業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Andy Wilson 認(rèn)為，無(wú)線充電的早期采用者將是商用車(chē)輛（公共汽車(chē)、送貨車(chē)、出租車(chē)），它們希望通過(guò)無(wú)線充電來(lái)提供快速補(bǔ)充充電以擴(kuò)展車(chē)輛行駛里程。“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)?！芭c住宅無(wú)線充電相比，這種動(dòng)態(tài)將需要更高水平的電力傳輸，在住宅無(wú)線充電中，充電可以在低得多的功率水平下在一夜之間發(fā)生。

“為了能夠支持商業(yè)補(bǔ)充充電的高功率要求，共振磁感應(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@些要求正好體現(xiàn)了寬帶隙 ［WBG］ 半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

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 的快速開(kāi)關(guān)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，加氫用于氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)，這在電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)中占極小的一部分。在更換電池的情況下，通過(guò)結(jié)合使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和無(wú)線通信，該站可以識(shí)別要更換的每個(gè)電池模塊的確切位置。我們?cè)?EE Times 上更深入地介紹了這個(gè)主題。

圖 2：如何為電動(dòng)汽車(chē)注入能量（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)。“雖然存在不同程度的電氣化，但只有通過(guò)‘強(qiáng)電氣化’——在電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中，才能實(shí)現(xiàn)必要的減排。”

圖 3：EV/HEV 分類(lèi)

通過(guò)電纜進(jìn)行傳導(dǎo)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)電纜的尺寸，電流會(huì)流過(guò)這個(gè)有線連接，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（但增加成本）

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)才能解決沒(méi)有自動(dòng)化流程的相關(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)點(diǎn)，傳導(dǎo)充電肯定會(huì)在未來(lái)很多年繼續(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 440，000 臺(tái)。但是，要克服其劣勢(shì)，需要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)線充電解決方案仍處于早期發(fā)展階段，面臨許多挑戰(zhàn)，”羅西娜說(shuō)?！霸诳深A(yù)見(jiàn)的未來(lái)，‘電線’或‘電線’充電解決方案是并將繼續(xù)是電動(dòng)汽車(chē)的主流充電解決方案。為了避免與通過(guò)充電電纜和連接器傳輸非常大的電流相關(guān)的挑戰(zhàn)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了受電弓解決方案——主要用于電動(dòng)公交車(chē)充電。”

威爾遜指出，無(wú)線充電既需要基礎(chǔ)設(shè)施投資（發(fā)射器墊），也需要車(chē)輛投資（接收器墊）。“對(duì)于日常行駛里程要求超過(guò)車(chē)輛電池容量的商用車(chē)，在日常停車(chē)期間全天接收補(bǔ)充充電的能力可以彌補(bǔ)這一差距，”他說(shuō)?！斑@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)線充電所需的投資。對(duì)于私人乘用車(chē)來(lái)說(shuō)，無(wú)線充電的主要價(jià)值是方便。對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，他們?cè)敢鉃楸憷蛩刂С值耐顿Y相對(duì)較少。出于這個(gè)原因，我們認(rèn)為在解決這個(gè)市場(chǎng)之前需要大幅降低成本。”

Anderson 指出，目前的方法是基于有線充電設(shè)備，“但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，此類(lèi)設(shè)備并不實(shí)用，因?yàn)樗鼈児逃械貢?huì)造成旅行危險(xiǎn)，容易損壞，并且需要駕駛員插入車(chē)輛，即使天氣惡劣。

“無(wú)線感應(yīng)充電部署的歷史研發(fā)主要集中在發(fā)射和接收線圈上；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)線充電相關(guān)的安全挑戰(zhàn)與有線充電相關(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。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)施無(wú)線充電的第一個(gè)挑戰(zhàn)是通過(guò)通用標(biāo)準(zhǔn)采用?！艾F(xiàn)在 SAE 已經(jīng)發(fā)布了它的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) ［2020 年 10 月］，我們已經(jīng)邁出了第一步，”安德森說(shuō)?！拔覀儸F(xiàn)在需要消費(fèi)者要求無(wú)線充電可以提供的便利和價(jià)值主張，以確保電動(dòng)汽車(chē) OEM 開(kāi)始采用“無(wú)線就緒”或“無(wú)線功能”電動(dòng)汽車(chē)。但是，應(yīng)該注意的是，無(wú)線充電可以實(shí)現(xiàn)自主。事實(shí)上，人們普遍認(rèn)為，沒(méi)有無(wú)線充電技術(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)，可充電功率高達(dá) 11 kW，效率為 94%，板車(chē)距離可達(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”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，并基于磁感應(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)齊不良和相對(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)充電使用兩個(gè)墊子之間的能量交換，一個(gè)位于地面，另一個(gè)位于車(chē)輛下方。充電板（在地面上）大約為 1 m 2，而接收板（在車(chē)上）則被封閉在一個(gè)小裝置中。除了可選擇安裝在車(chē)輛上的充電墊外，基礎(chǔ)設(shè)施還包括感應(yīng)充電站。

接收器（接收線圈）放置在車(chē)輛底部，而幾個(gè)充當(dāng)發(fā)射器的線圈則嵌入路面。后者由電能供應(yīng)。其工作原理如下：路面中的線圈通過(guò)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)確保車(chē)輛上的線圈接收到該磁場(chǎng)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。

Husain 說(shuō)，所有主要技術(shù)都基于發(fā)射線圈和接收線圈之間的諧振耦合。“在這種方法中，接收線圈非常適合發(fā)射頻率，以最大限度地提高通過(guò)無(wú)線充電間隙傳輸?shù)墓β剩彼f(shuō)。

安德森指出，接收天線安裝在車(chē)輛底部?！八奈恢眯枰С峙c發(fā)射器天線的鏡像接口，”他說(shuō)。“與確保與發(fā)射器天線的正確接口相比，汽車(chē)下方的實(shí)際位置并不重要。實(shí)際尺寸由設(shè)計(jì)功率傳輸率決定。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的外殼，天線的尺寸范圍為 24 × 30 英寸，任何特定尺寸為 ±6 英寸。天線的寬度范圍為 1.5 到 4 英寸，具體取決于相關(guān)電力電子設(shè)備的性質(zhì)?！?/p>

基于相同的原理，移動(dòng)無(wú)線充電是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圈，通過(guò)非常高頻的磁場(chǎng)，可以在汽車(chē)行駛時(shí)為它們充電。為了使系統(tǒng)工作，車(chē)輛必須使用兼容的系統(tǒng)進(jìn)行改裝。

能源管理

充電管理類(lèi)似于當(dāng)前的充電方法，通過(guò)有線充電器，通過(guò) EV 的電池管理系統(tǒng)。不過(guò)，安德森指出，即使在這種情況下，充電管理也可能會(huì)因無(wú)線充電設(shè)備的功率輸出情況而略有變化。

“關(guān)鍵是要明白天線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，因此發(fā)射器天線必須將電力轉(zhuǎn)換為直流電，”安德森說(shuō)。“接收器天線接收直流電源，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)施接口或保持直流電直接與直流電池管理系統(tǒng)接口。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)線充電設(shè)備將以大約 92%、±2% 的效率運(yùn)行。然而，這并不比有線充電設(shè)備低得多。有線充電往往提供 96%，±2% 的效率?！?/p>

Husain 補(bǔ)充道：“在接收天線諧振耦合后，電源是交流電，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能給電池充電。接收天線之后的下一階段可能是無(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)于硅器件而言通常更昂貴。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電平與電池及其充電狀態(tài)保持一致?！?/p>

注意事項(xiàng)

電動(dòng)汽車(chē)正逐漸主導(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)的問(wèn)題也是如此。Husain 說(shuō)：“無(wú)線充電更容易，對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)幾乎是透明的，但有線充電更直觀，人們可能喜歡插入汽車(chē)的感覺(jué)。無(wú)線充電不會(huì)比使用車(chē)載充電器的交流充電快，通常為 11 kW 至 20 kW，但快速直流充電將達(dá)到 300 kW 以提供非常快速的充電。我們還需要很長(zhǎng)時(shí)間才能讓無(wú)線充電成為基礎(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)人和任何地方都能進(jìn)行無(wú)線電池充電，需要?jiǎng)?chuàng)建感應(yīng)充電站網(wǎng)絡(luò)，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，隨著充電方式的發(fā)展，為電動(dòng)汽車(chē)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 一直致力于無(wú)線充電。在接下來(lái)的幾個(gè)月里，計(jì)劃在特拉維夫進(jìn)行第一次正式測(cè)試，在 2 公里長(zhǎng)的柏油路下安裝充電板，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)線充電是無(wú)線電動(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

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

Genesis 將在其 eG80 型號(hào)和代號(hào)為 JW 的新項(xiàng)目中看到提供無(wú)線充電技術(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 千瓦和 11 千瓦的家用充電器，使客戶(hù)能夠在他們的家庭車(chē)庫(kù)中進(jìn)行無(wú)線充電（圖 5-6）。

圖 6：配備無(wú)線充電的 Genesis 汽車(chē)

WiTricity 的高效 3.6 至 11 kW EV 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)已被納入由 SAE International 和 IEC/ISO（國(guó)際）牽頭的全球標(biāo)準(zhǔn)化工作；DKE 和 STILLE 項(xiàng)目（德國(guó)）；和 CATARC（中國(guó)）。WiTricity 的首席執(zhí)行官亞歷克斯·格魯岑 （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)：“但沒(méi)有司機(jī)，誰(shuí)來(lái)給汽車(chē)充電？答案很明確：沒(méi)有插頭，沒(méi)有電線。”