在電動汽車充電是促進能源轉換的關鍵點的世界中，其他解決方案可以與電動充電站并駕齊驅。一種這樣的解決方案是無線充電。無線汽車充電是智能手機充電的增強版本，具有幾個不同之處?！盁o線感應式充電使電動汽車[EV]無需電纜即可自動充電，” Plugless Power首席執行官Michael Rai Anderson在接受《電力電子新聞》采訪時表示。

“從技術上講，一切都是可擴展的；但是，隨著功率傳輸速率的提高，電源管理電子設備的復雜性和尺寸也必須提高?！薄案匾氖?，隨著功率上升，還需要考慮許多其他因素，例如熱損失和熱管理。無效率越高，功率越高，熱量損失就越大，并且管理該熱量必須要做的更多?！?/p>

YoleDéveloppement（Yole）電力電子和電池首席分析師Milan Rosina博士說，EV充電需要更高的電壓，功率和更多的能量傳遞。因此，技術，安全，成本和環境挑戰更加嚴峻。他說：“雖然無線充電器和智能手機經常緊密接觸，但很難將車輛精確地定位在充電器上方，并且充電器（發射器）與安裝在車輛上的接收器之間的距離要大得多。”

Rosina指出，這導致實際條件下能量傳輸的效率低下。但是，需要高效率來降低成本和散熱管理方面的挑戰，并減少無線充電對環境的影響（圖1）。

此外，EV充電所需的高電壓和高功率給無線充電系統的安全性和成本帶來了額外的挑戰。Rosina說：“無線充電還需要將額外的充電器集成到車輛中，這增加了車輛成本。”“在公共場所安裝EV無線充電器也面臨許多挑戰。與有線充電器相比，新一代無線充電器的升級更為復雜。自主充電通常被視為一種方便甚至自動的充電方式。的確，自動駕駛汽車將最佳地使用一種自動充電功能，而無線充電似乎是一個有前途的選擇。但是有幾家公司還開發了自動化解決方案，例如電池更換，機械臂充電，或自動移動式充電系統。一旦對自動化解決方案的需求緊迫，此類解決方案將與無線充電競爭。”

圖1：無線充電挑戰（來源：YoleDéveloppement）

UnitedSiC業務發展總監安迪·威爾遜（Andy Wilson）認為，無線充電的最早采用者將是商用車輛（公共汽車，貨車，出租車），他們希望將無線充電作為一種快速補充充電的方式來擴展車輛范圍。他說：“這些補充充電事件是在車輛停在常規休息點的短時間內發生的。”“這種動態方式將需要比住宅無線充電中更高的功率傳輸水平，在住宅無線充電中，充電可以在一整夜以低得多的功率水平進行。

他補充說：“為了能夠滿足商業補充充電的高功率要求，共振磁感應必須在相對較高的頻率下發生，這需要更快的開關設備?！薄斑@些要求充分發揮了寬帶隙[WBG]半導體器件的優勢?！?/p>

安森美半導體公司市場營銷和戰略經理阿里·侯賽因（Ali Husain）表示，某些無線充電系統聲稱可提供高達20 kW的功率，從插頭到電池的效率高達94％。他說：“諧振頻率通常高達100 kHz，因此WBG的快速切換適合這些系統。”

電動汽車充電解決方案

在談到電動汽車時，有多種方法為汽車“補充”能量，包括電池充電，電池交換和加氫（圖2）。Rosina指出，氫氣加氫被用于氫燃料電池電動汽車，這在電動汽車市場中只占很小的一部分。在更換電池的情況下，通過結合使用計算機視覺和無線通信，工作站可以識別要更換的每個電池模塊的確切位置。我們在EE Times上更深入地介紹了該主題。

圖2：如何為電動汽車充滿能量（來源：YoleDéveloppement）

Rosina說：“為了達到政府嚴格的CO2減排目標，車隊的電氣化已成為強制性措施?！薄氨M管存在不同程度的電氣化，但只有在電動汽車和插電式混合動力電動汽車中通過'強電氣化'才能實現必要的減排。”

圖3：EV / HEV分類（來源：YoleDéveloppement）

通過電纜進行的導電充電包括在充電站和車輛之間手動連接導體。根據電纜的大小，電流會流過此有線連接，從而允許很高的充電容量。這種收費方式的主要優點是：

• 降低基礎設施成本
• 功率傳輸效率高
• 高速充電的可能性（但成本增加）
• 低維護要求
• 幾乎沒有電磁輻射

這種收費方式的主要缺點是：

需要人工干預以解決沒有自動化流程的相關缺點

電纜占用了停車區的空間

由于上面列出的所有優點，導電充電肯定會在未來的許多年內繼續在全電動汽車中使用。根據YoleDéveloppement的“ 2021年插入式電動汽車的直流充電”報告，到2020年，直流充電器市場將以15.6％的復合年增長率增長，到2026年將達到約440,000臺。在不久的將來，我們很有可能還會看到與該技術相關聯的具有不同自動化類型的系統。

Rosina說：“無線充電解決方案仍處于發展初期，并面臨許多挑戰?！薄霸诳深A見的將來，'繩'或'線'充電解決方案將一直是電動汽車的主流充電解決方案。為避免與通過充電電纜和連接器傳輸非常大的電流相關的挑戰，開發了受電弓解決方案-主要用于電動公交車充電。”

威爾遜指出，無線充電需要基礎設施投資（發射器墊）和車輛投資（接收器墊）。他說：“對于日程要求超出車輛電池容量的商用車，能夠在例行停車期間全天接收補充費用可以彌補這一差距。”“這一范圍擴展價值為商業案例提供了依據，以證明支持無線充電所需的投資是合理的。對于私人乘用車，無線充電的主要價值是便利。對于大多數人口而言，他們愿意為便利因素提供的投資相對較少。因此，我們認為，要解決這個市場，成本就必須大大降低?！?/p>

Anderson指出，當前的方法基于有線充電設備，“但是這種設備長期不實用，因為它們固有地會造成絆倒危險，容易損壞，并且即使有以下情況，也要求駕駛員將車輛插上電源：天氣惡劣。

“無線感應充電技術的歷史研發主要集中在發射線圈和接收線圈上；但是，當前的研發工作更多地集中在通信，用戶界面和感覺陣列上?！彼a充說。

與無線充電相關的安全挑戰與與有線充電相關的安全挑戰無異。需要類似的軟件協議和加密來提供系統安全性。安德森說，對于給定的功率輸出（即3.3 kW，7.2 kW，11 kW），充電時間將相對相似。

從電動自動駕駛汽車的角度來看，在汽車中實現無線充電的第一個挑戰是通過通用標準的采用?！艾F在，SAE已發布了其第一批標準[2020年10月]，我們朝著這一標準邁出了第一步，”安德森說?！艾F在，我們需要消費者要求無線充電可以提供的便利性和價值主張，以確保電動汽車OEM廠商開始采用'無線就緒'或'具有無線功能的電動汽車。但是，應該注意的是，無線充電可以實現自治。實際上，眾所周知，沒有無線充電技術就不會實現無人駕駛自主?！?/p>

SAE International發布的SAE J2954和SAE J2846 / 7標準已經制定了標準，以規范能量交換，該能量交換能夠以高達94％的效率和高達25 cm的板間距離對高達11 kW的充電進行充電。相同的系統可以應用于自主基礎設施，這些基礎設施是為能夠自動停車和充電的汽車設計的。

技術

關于“無線”電能傳輸的第一個理論依據是Nicola Tesla（1896年）。其工作原理類似于變壓器，其工作原理是基于磁感應定律的。稱為發射器的初級電路會產生隨時間變化的磁場。次級電路接收稱為接收器的該場，該場連接到要供電的設備。當然，要考慮的最重要的參數是兩個電路之間的距離及其對齊方式。對準不良和相對較大的距離會降低性能，并使能量傳輸效率低下。

磁感應充電使用兩個墊之間的能量交換，一個墊位于地面上，另一個墊位于車輛下方。充電板（在地面上）約為1 m2，而接收板（在汽車上）則封裝在小型設備中。除了可選安裝在車輛上的護墊外，基礎設施還包括一個感應充電站。

接收器（接收線圈）放置在車輛底部，而幾個用作發送器的線圈則嵌入路面。后者被供應電能。其工作原理如下：人行道中的線圈通過電流產生磁場。磁場確保車輛上的線圈接收到該磁場并將其轉換回電能。產生的能量用于為運行電動機的電池充電。

侯賽因說，所有主要技術都是基于發射線圈和接收線圈之間的共振耦合。他說：“采用這種方法，接收線圈可以很好地調整到發射頻率，以最大化通過無線充電間隙傳遞的功率?！?/p>

安德森指出，接收器天線安裝在車輛底部。他說：“其位置需要支持與發射器天線的鏡像接口?！薄霸谄囅路降膶嶋H位置比確保與發射器天線正確連接并不重要。實際尺寸由設計功率傳輸速率決定。有了外殼，對于電動汽車，天線的尺寸范圍為24×30英寸，任何特定尺寸的±6英寸。天線的寬度將在1.5到4英寸之間，具體取決于相關電力電子設備的性質?！?/p>

基于相同的原理，移動無線充電是固定充電的替代方法。想法是在瀝青下方幾厘米處安裝充電線圈，通過非常高的磁場強度，充電線圈可以在汽車行駛時為汽車充電。為了使系統正常工作，必須使用兼容的系統對車輛進行改裝。

能源管理

充電管理類似于通過有線充電器，電動汽車的電池管理系統進行的當前充電方法。但是，安德森指出，即使在這種情況下，充電管理也可能會根據無線充電設備的功率輸出條件而略有變化。

“關鍵是要了解天線之間的通信是基于直流電源的；由于來自電網的電能是交流電，因此對于發射器天線，必須將其轉換為直流電?！卑驳律f?！敖邮掌魈炀€以直流電的形式接收電力，然后可以轉換回交流電，以與插入式接口使用的相同電氣基礎設施相接，或者留在直流電中以直接與直流電池管理系統相接。每次必須將電源從AC轉換為DC或從DC轉換為AC時，效率都會略有下降。這樣，大多數無線充電設備將以大約92％（±2％）的效率工作。但是，這并不比有線充電設備低很多。有線充電傾向于提供96％±2％的效率?！?/p>

侯賽因補充說：“在接收天線中進行共振耦合后，電源是交流電，需要轉換以給電池充電。接收天線之后的下一個階段可能是無源（二極管）或有源（MOSFET）整流。有源整流具有較低的損耗，但是需要更仔細的控制，并且相對于硅器件而言通常更昂貴。但是，由于較低的損耗可以允許使用較小的散熱器或冷卻系統，因此總體系統成本可以較低。整流電源后，通常會有一個升壓級，該級提供隔離，并使電壓電平與電池及其充電狀態保持一致?！?/p>

注意事項

電動汽車正逐漸占據電氣化的主導地位，但是續航里程仍然是一個非常困難的問題，政府法規也是如此。侯賽因說：“無線充電更容易并且對用戶幾乎是透明的，但是有線充電更直觀，人們可能會喜歡插入汽車的感覺。無線充電不會比使用車載充電器的AC充電快，通常為11 kW到20 kW，但是快速DC充電將高達300 kW，以提供非?？斓某潆姟Ｎ覀円ê荛L時間才能使無線充電成為基礎架構的一部分，并為每個人提供一種選擇使用，付費并感到安全的方式。”

為了使所有人和任何地方都可以進行無線電池充電，需要創建感應充電站網絡，并將充電板嵌入路面。駕駛時的感應充電是電動汽車的主要選擇。今天唯一可以確定的是，快速充電站的網絡正在不斷擴大，隨著電動汽車充電選項的發展，電動汽車的充電將變得越來越容易。

以色列公司Electreon Wireless從事移動無線充電已有一段時間了。在接下來的幾個月中，計劃在特拉維夫進行首次正式測試，在2公里長的柏油路上的瀝青下方安裝充電板，電動公交車將在行駛中對其進行充電。在公共道路上對電動卡車進行無線充電是無線道路技術商業化的重要里程碑（圖4）。

圖5：WiTricity的磁共振技術（來源：WiTricity）

Genesis將在其eG80模型和代號JW的新項目中看到無線充電技術。該技術將通過合作伙伴WiTricity實施，并將基于上述最新的SAE J2954標準。無線充電器的實際部署可以在2021年下半年開始，因為當前的技術要求將新的建筑物與當前的攤位分開。Genesis還在開發7 kW和11 kW家用充電器，以使客戶能夠在其家用車庫中進行無線充電（圖5-6）。

圖6：帶有無線充電功能的Genesis汽車（來源：WiTricity）

WiTricity的高效3.6至11 kW EV充電開發系統為汽車制造商，一級供應商和充電基礎設施供應商提供了可互操作的無線充電系統設計。WiTricity的高效設計和體系結構已包括在SAE International和IEC / ISO（國際）領導的全球標準化工作中；DKE和STILLE項目（德國）；和CATARC（中國）。WiTricity首席執行官Alex Gruzen在他的網站上指出，自動駕駛電動車是個人出行的未來：“但是，如果沒有駕駛員，誰會為汽車充電呢？答案很明確：沒有插頭，沒有電線?！?/p>

編輯：hfy