未倩倩，趙凌霄，黃 炘，李 津

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

電動化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化的汽車未來發(fā)展趨勢已經(jīng)明確。汽車產(chǎn)業(yè)鏈條上的各方企業(yè)都在加速產(chǎn)品研發(fā)，搶占市場先機。

電動汽車電能補充方式主要分為傳導充電、無線充電和換電3種。換電方式由于其運營成本高、換電模式標準化難和安全風險高等問題，推廣阻礙較大；傳導充電在電能傳輸過程中易引發(fā)安全事故，同時維護困難、靈活性較差，在雨雪等惡劣環(huán)境下充電困難［1］；而無線充電具有更高的靈活性和穩(wěn)定性，同時還可以實現(xiàn)動態(tài)供電，這恰恰解決了目前電動汽車動力電池容量有限而導致續(xù)航能力不足這一關(guān)鍵技術(shù)問題。同時，電動汽車無線充電技術(shù)是無人駕駛技術(shù)的支撐基礎。無人駕駛是近幾年的熱點方向，各大科技公司從谷歌、百度、華為到特斯拉等都把無人駕駛技術(shù)作為最重要的戰(zhàn)略規(guī)劃。真正的無人駕駛汽車，將不僅包含駕駛無人化，同樣將包含能源交互無人化。

本文通過對國內(nèi)外車企、零部件廠商以及研究機構(gòu)的研究進展進行總結(jié)，提出無線充電目前面臨的技術(shù)瓶頸和標準測試進展情況，最后對其發(fā)展做了進一步展望。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

在國際范圍內(nèi)，各大車企聯(lián)合無線充電技術(shù)供應商，加快無線充電技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品化的進程。

寶馬、奔馳、奧迪等廠家主要研發(fā)電磁感應方向的無線充電技術(shù)，由于此技術(shù)方案要求盡可能小的位置偏差，一般配備車型都配置有輔助泊車系統(tǒng)。2018年6月份，寶馬官方發(fā)布，全新寶馬530e iPerformance的消費者可選裝感應式無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的充電功率為3.2 kW，大概需要3.5 h［2］。而奔馳計劃在新款S500e插電混動車型上應用無線充電技術(shù)，充電功率3.6 kW。2017年7月在西班牙巴塞羅奧迪峰會上，奧迪展示了插電混動版本的A8 e-tron quattro，此車型除支持7.2 kW的快充外，還支持3.6 kW無線充電，此車型計劃2019年投放市場。保時捷新推出的Mission E采用Turbo Charging無線充電技術(shù)，搭載800 V的獨有車載充電器，15 min可充80%，續(xù)航里程達400 km。

豐田、通用和日產(chǎn)等汽車公司先后聯(lián)手美國Evatran公司進行無線充電系統(tǒng)方面的研發(fā)，日產(chǎn)Leaf和雪佛蘭Chevy Volt及凱迪拉克ELR電動車上就裝載了Evatran公司3.3kW Plugless L2無線充電系統(tǒng)。WiTricity公司無線充電產(chǎn)品傳輸功率從3.6 kW到11 kW，傳輸效率達90%～93%。在2019國際消費類電子產(chǎn)品展覽會 （簡稱CES）上，本田正式發(fā)布了Wireless Vehicle-to-Grid無線充電技術(shù)。該技術(shù)是基于WiTricity DRIVE 11無線充電平臺和本田的V2G技術(shù)實現(xiàn)的雙向能源管理系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的無線充電技術(shù)，它除了能給車輛充放電外，還增加了向電網(wǎng)回傳電力的功能。此屆CES上，現(xiàn)代現(xiàn)場演示了一種與自動泊車相結(jié)合的無線充電概念技術(shù)，并計劃2025年推出。

在國內(nèi)，中興新能源從2014年和東風汽車公司在湖北襄陽聯(lián)合打造出中國第一條大功率無線充電公交商用示范線［3］開始，截至到現(xiàn)在，已在全國30多個城市開通了無線充電公交線路。國內(nèi)無線充電的技術(shù)應用主要集中商用客車方面，在乘用車方面還未有量產(chǎn)車型上市。在2016年廣州國際新能源汽車充電樁博覽會上，北汽聯(lián)合中惠創(chuàng)智推出國內(nèi)首創(chuàng)基于磁耦合諧振技術(shù)研發(fā)的6.6kW級無線充電樁，傳輸距離達到20 cm （±5），平均傳輸效率達到90%以上。

在大功率無線充電方面，中興新能源研發(fā)出了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的電動汽車60 kW大功率無線充電系列產(chǎn)品。美國能源部橡樹嶺國家實驗室 （ORNL）研究出了一款用于車輛的120 kW無線充電系統(tǒng)，效率為97%［3-4］。德國龐巴迪公司200 kW無線充電系統(tǒng)，效率高達92%，并可組合為400 kW。

在動態(tài)充電方面，沃爾沃提出了一種汽車集電器和公路電纜直連，實現(xiàn)直流充電的動態(tài)充電方式，這一充電系統(tǒng)要求車速大于60 km／h，更適合在高速公路上推廣［5］。ElectReon Wireless公司利用自主研發(fā)的實時無線電氣化系統(tǒng)成功地完成雷諾Zoe行駛無線充電測試。測試時采用了多種路況條件，該款無線充電系統(tǒng)的充電傳輸率達到87%。

2 無線充電關(guān)鍵技術(shù)

2.1 技術(shù)種類

無線充電系統(tǒng)一般由電源、低端控制單元、地面發(fā)射板、車載接收板、車載控制器、動力電池等幾個部分組成。常見的無線充電技術(shù)包括電磁感應式、電磁共振式、電磁耦合式和無線電波式。無線充電系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 無線充電系統(tǒng)框圖

1）電磁感應式無線充電

電磁感應式無線充電是目前在電動汽車上應用實例最多的技術(shù)，電磁感應式無線充電的媒介為磁場，利用松耦合變壓器原理，原邊線圈產(chǎn)生高頻變換的磁場，副邊線圈生成感應電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端，來給負載供電。

2）強耦合電磁共振式無線充電技術(shù)

強耦合電磁共振式無線充電技術(shù)以電磁諧振原理為理論基礎，在發(fā)射端和接收端配置相同諧振頻率的諧振線圈，當兩者距離適當時，給發(fā)射端輸送與諧振線圈相同諧振頻率的驅(qū)動信號和能量，兩者產(chǎn)生共振，從而進行能量傳輸。

3）電磁耦合式無線充電技術(shù)

電磁耦合電能傳輸?shù)脑硎窃诎l(fā)射能量側(cè)和接收能量側(cè)分別設置電極，利用金屬板之間的電容效應來實現(xiàn)無線電能的傳輸［6］，此方式可以穿越金屬障礙物，且電磁干擾低。

4）無線電波式無線充電技術(shù)

無線電波式無線充電技術(shù)，是以無線電波即微波為載體在自由空間內(nèi)傳輸能量。無線電波傳輸因具有“定向、可穿透電離層”等特性，故其傳輸距離可以很遠。

2.2 難點問題

傳輸效率是目前無線充電面臨的共性問題。感應式充電方式傳輸功率一般可以達到幾百瓦，但是傳輸距離比較近，通常不超過10 cm。且對充電位置要求較高，當車輛端和設備端線圈位置完全重合時，能量效率達到峰值。共振式充電技術(shù)的傳輸距離比普通感應式更遠一些，可以達到3～4 m，傳輸功率可達幾千瓦，但充電效率較低，一般在50%左右。耦合式無線充電技術(shù)傳輸距離遠于感應耦合方式，可達到幾十厘米以上，且效率可達到60%以上［7］。電波充電方式，傳輸距離遠，甚至可以實現(xiàn)航天器與地面之間的能量傳輸，但是受限于傳輸功率較小，一般不應用在汽車無線充電系統(tǒng)。

電磁輻射也是無線充電需要解決的技術(shù)瓶頸之一。當大功率的車用無線充電設備運行時，電磁波會對周圍的生物和電子設備產(chǎn)生影響，甚至會危害人體健康，資料表明兒童相較于成人，更易受到電磁輻射的影響［4］。目前中國汽車技術(shù)研究中心有限公司正在開展無線充電對心臟起搏器的影響研究。

大功率無線充電和雙向無線充電系統(tǒng)的應用，會造成電網(wǎng)側(cè)電能品質(zhì)變差，造成諧波污染、電網(wǎng)負荷不均勻等問題，使電網(wǎng)環(huán)境變得更加復雜，對供電設施、電動汽車本身都是一個考驗［5，8］。

有效的定位引導、活體檢測和異物檢測存在一定的技術(shù)難點，目前很多高校在進行相關(guān)方面的研究［9-10］，并申請了技術(shù)專利，但對于類似曲別針、大頭釘?shù)刃⌒徒饘傥矬w的檢測還很難做到。

2.3 標準情況

目前全球無線充電技術(shù)標準主要是QI標準、A4WP標準和PMA標準3種［11］，由各企業(yè)聯(lián)盟制定，主要應用在消費電子領域。

國際電動委員會 （IEC）和國際標準化組織 （ISO）的共同工作組“PT61890”，在推進電動汽車領域的無線充電技術(shù)標準化，目前電動汽車無線充電通用要求已于2015年發(fā)布，控制通信的標準和電磁場方式方面的標準正在起草中。

美國汽車工程師協(xié)會 （SAE），J2954TM工作組推進無線充電技術(shù)標準化進程，于2014年即已公告針對EV與PHEV的國際無線充電標準J2954與無線充電通信標準J2847-6，標準規(guī)定，標準頻率為85 kHz，頻帶范圍81.38～90.00 kHz；輸出功率分3個等級，即輸出最低功率等級WPT1為3.7 kW，家庭及公共充電場所的WPT2為7.7 kW，用于快充的WPT3為11 kW和22 kW。

中國也在加快電動汽車無線充電技術(shù)的標準化進程，目前正在起草無線充電通用要求、互操作性、通信協(xié)議、電磁兼容等系列標準。

2.4 測試技術(shù)

無論何種技術(shù)方式，原邊到副邊的電能轉(zhuǎn)換效率和X、Y方向的位置偏差、Z方向的隔空間隙以及車輛接收板相對地面發(fā)射板的轉(zhuǎn)角有一定的關(guān)系。因此，一般無線充電系統(tǒng)具備定位引導作用。此外，金屬異物造成的系統(tǒng)發(fā)熱、電子元件老化造成的系統(tǒng)功能失調(diào)等均會對無線充電的功率造成一定的影響。

由于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，除對無線充電系統(tǒng)的EMC限值進行規(guī)定外，一般無線充電系統(tǒng)在開始充電前以及充電過程中實時進行活體監(jiān)測。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。

在互操作性方面，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。

針對以上應用場景，中國第三方測試機構(gòu)陸續(xù)建設無線充電測試能力。中國汽車技術(shù)研究中心有限公司已具備國內(nèi)首個六軸可移動測試平臺，可實現(xiàn)功率效率等關(guān)鍵性能測試、異物檢測功能測試、保護功能測試、機械結(jié)構(gòu)測試等。測試功率可覆蓋3.3 kW、7.7 kW、11 kW、22 kW、30 kW、60 kW甚至更高功率等級。中國電力科學研究院投建無線充電試驗室，并于2018年4月開始進行無線充電產(chǎn)品性能和安全測試，2019年開展部件級和整車級互操作摸底測試。

3 發(fā)展趨勢

1）動態(tài)無線充電技術(shù)研究。道路基面以下布置充電設施，為行進中的汽車充電，從而使汽車行駛消耗的電能得到及時補充，延長汽車續(xù)駛里程。

2）雙向無線充電技術(shù)研究。在雙向無線充放電方面，清華大學、哈爾濱工業(yè)大學等幾所高校有研究［12-13］，但產(chǎn)品化方面仍屬空白。

3）無線充電技術(shù)與智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)深度融合，提高整車駕駛性能和用戶體驗。

4）電磁防護技術(shù)研究。電動汽車無線充電系統(tǒng)工作在高頻磁場變化下，其電磁輻射水平對生物安全性的影響是公眾關(guān)注的重要問題。

5）新技術(shù)新材料應用研究，提高無線充電傳輸效率。如以SiC為代表的第3代半導體，以其高頻、高耐壓和低損耗等特性，為充電設施向高效率、高功率密度和高電壓等級方向發(fā)展提供了器件級基礎。

6）大功率無線充電技術(shù)。電動汽車充電時間是電動汽車性能評價的一個關(guān)鍵技術(shù)指標，提高充電功率，縮短充電時間有助于提升用戶體驗。而大功率充電負荷對電網(wǎng)沖擊分析及應對策略研究是今后研究重點。

4 總結(jié)

本文綜述了目前電動汽車無線充電技術(shù)研究現(xiàn)狀，在對無線充電技術(shù)體系、類別和技術(shù)特點進行總結(jié)和提煉的基礎上，概述了當前的研究熱點，匯總了各大汽車企業(yè)和相關(guān)研究機構(gòu)無線充電技術(shù)研發(fā)進展。該技術(shù)未來發(fā)展趨勢包括動態(tài)充電技術(shù)、與智能網(wǎng)聯(lián)相融合應用、生物安全技術(shù)研究以及新材料應用以及新拓撲電路設計等。電動汽車無線充電系統(tǒng)是一種復雜非線性磁電耦合系統(tǒng)，其性能的進一步提升需要在本質(zhì)科學問題與共性技術(shù)體系方面做出更加深入的分析和探索，歸納更具普遍意義的技術(shù)方案與控制策略。