根據Allied Market Research的數據，全球電動汽車市場的價值將從 2019 年的 1623.4 億美元增長到 8028.1 億美元。很多汽車都需要充電（電動汽車充電），這就是為什么越來越多的公司正在積極尋求通過提供無線充電解決方案（無線充電）來簡化流程的原因。

事實上，分析師預測電動汽車無線充電市場將出現顯著增長。例如，研究公司Market Research Future預測，從 2021 年起，復合年增長率為 48.82%，到 2027 年將達到 2.5865 億美元的價值。也就是說，與更傳統的有線充電器相比，電動汽車無線充電市場仍然非常小。這是因為不可否認的優勢無法彌補電動和混合動力汽車無線充電技術的典型技術困難。

無線充電在簡單性、可靠性和易用性方面為電動汽車車主和基礎設施提供商提供了許多好處。其中包括無需存儲、記住和插拔沉重和骯臟的充電電纜，消除電線或充電站意外或故意損壞的風險，并提供對灰塵和水進入的免疫力。在停車場的空間中增加充電使電動汽車充電更容易獲得，而無線解決方案意味著充電可以立即開始，而無需駕駛員離開車輛。當然，對于自動駕駛電動汽車，根據定義，這些都需要無線充電。

由于上述優勢，許多汽車制造商和公司已經開發或正在開發無線充電解決方案。

例如，寶馬早在 2018 年就為其?530e 插電式混合動力轎車提供無線充電系統?，并將其作為汽車租賃協議的一部分在德國、英國、美國、日本和中國推出. 可供客戶選擇的 BMW 無線充電包括一個感應充電站（“GroundPad”），它可以安裝在車庫或室外，以及一個輔助組件（“CarPad”），它固定在汽車的底部。車。該系統的充電功率為 3.2 kW，使 530e 的電池能夠在大約三個半小時內充滿電。

Plugless Power 和 WiTricity 提供售后解決方案來升級電動汽車以進行無線充電，后者還收購了高通公司的“Halo”無線汽車充電技術，該技術最初用于為電動方程式比賽中的安全和醫療汽車充電。

其他涉及電動汽車無線充電的公司包括大陸集團、Elix Wireless、Hevo Power、東芝公司和 ZRE 公司。

電動汽車無線充電的挑戰

圖 1 總結了 EV 無線充電方案設計人員面臨的主要挑戰。

圖 1：電動汽車無線充電的主要挑戰

應對這些挑戰需要重新考慮無線充電架構的傳統方法。

如圖2所示，從系統角度來看，傳統的無線充電設計包括至少三個不同的塊，由五個不同的階段組成：

用于整流輸入線電壓的電源整流器。對于低功率應用，這可能只是一個二極管電橋，但在更復雜的設計中，如電動汽車充電，也需要功率因數校正階段。

發射器電壓調節器（通常是具有兩個有源元件和一個高電流磁性元件的降壓轉換器），用于在主無線功率鏈路以固定頻率工作時管理要傳輸的功率（為了管理EMI，這是汽車領域的常見情況）。

一個 DC/AC 發射器線圈驅動級，用于為線圈通電。該諧振級可以是具有兩個有源元件的半橋或具有四個有源元件的全橋。在這兩種情況下，運行都會看到與負載相關的效率曲線，該曲線僅在滿載條件下實現零電壓開關 (ZVS)，對于較輕的負載或接收器和發送器之間的耦合遠未達到標稱值時，效率會降低。可以添加其他元素，例如調諧網絡，以提高每個工作點的效率。

無線接收器 AC/DC 線圈全橋整流級，用于對接收器線圈處的電壓進行整流。

一個可選的 DC/DC 接收器電壓調節器（同樣，通常是具有兩個有源元件和一個磁性元件的降壓轉換器，通常用于大功率應用）來調節輸出電壓。

圖 2：傳統的無線設計

這意味著用于 EV 和插電式混合動力汽車的傳統無線充電系統具有 12 到 16 個有源設備、至少兩個磁性元件、兩個線圈和一根交流電纜。如此多的元件不僅會導致高昂的物料清單成本，還會影響整體系統效率。

然而，現在有一種新方法為解決傳統架構的挑戰提供了基礎。

圖 3：無線充電的新方法

圖 3 總結了新架構的關鍵元素，這是一種混合交流電源解決方案，既是電源又是無線充電器。這種架構被稱為 E 2 WATT，基于專有的感應技術，與以前的無線充電設計相比，可實現更高的功率密度和更遠的距離，并支持與最佳傳統 AC 有線適配器相媲美的效率水平。因此，它提供了一條從幾瓦到幾十千瓦的無線充電路線。

新架構將實現完整的端到端無線充電系統所需的總階段數減少到只有兩個。這要歸功于將多級合并為多功能、單級、零電壓開關、零電流開關 (ZVS-ZCS) 無線電源的拓撲結構。

E 2 WATT 無線充電系統的兩個階段是：

直接由電源供電的發射器 (AC/AC) 級。該級被建模為無橋交流轉換器，能夠使用基于氮化鎵功率 IC 和兩個二極管的創新專有半橋架構來驅動線圈。允許對通過線圈傳輸的能量進行精細控制的設計可確保良好的電壓調節，并在必要時支持功率因數控制。

一種單級 AC/DC 接收器半橋，僅需要兩個有源器件，同時用作次級側整流器和無耗散輸出穩壓器。

在發射器級，由于 ZVS 和接近 ZCS 條件的組合以及對輸入和負載變化的魯棒性，開關功率損耗接近于零。并且由于發射器級沒有諧振，因此可以在任何負載條件下實現 ZVS 操作。因此，在很寬的輸出功率范圍內，發射機效率仍然很高。

結果是一個允許傳輸更高功率水平并提供與有線轉換器一樣好的效率的系統。因此，該架構適合部署在靜態 EV 無線充電設計中。

動態電動汽車充電

如果說靜態無線充電很復雜，那么車輛在行駛中充電的動態無線充電就非常復雜。

盡管如此，Market Research Future等分析師甚至表示，動態無線充電領域可能會在未來主導市場。無論情況是否如此，顯而易見的是，隨著各國政府希望通過無排放駕駛來實現凈零排放承諾，人們對該領域的興趣和投資越來越多。

動態充電的工作原理是在道路上鋪設無線充電線圈，為行駛中的電動汽車充電。優點是明顯的時間經濟性、需要較小電池的汽車以及無需電線。此外，如果無線電力是雙向的，則無線鏈路可以為汽車供電（當它加速時）或將能量傳輸回電網（當它剎車時），從而進一步減少對大電池的需求。

許多國家正在對動態無線充電方案進行測試。例如，2021 年，瑞典成功測試了一輛全電動長途卡車的無線充電，而在意大利，Stellantis 在意大利 A35 高速公路附近建造的閉路中安裝了動態無線電力傳輸（DWPT）技術。這條公路帶被稱為 Arena del Futuro（“未來的競技場”），是一條 1,050 米長的軌道，由 1 兆瓦 DWPT 系統供電，菲亞特 500 Electric 和依維柯 E-Way 巴士將用于測試條帶的感應充電能力。

除了感應式解決方案外，還值得考慮電容式充電解決方案，該解決方案有可能提供優化動態無線充電方案充電能力所需的位置自由度。

圖 4：電容式解決方案可以解決動態無線充電問題。

電容系統比電感系統具有潛在的優勢，因為電場的相對方向性降低了對電磁場屏蔽的需求。此外，由于電容式無線電力傳輸 (WPT) 系統不使用鐵氧體，它們可以在更高的頻率下工作，從而使其更小、更薄且更便宜。因此，電容式 WPT 可以使動態 EV 充電成為現實。

然而，由于道路和車輛板之間的電容非常小，與感應無線電力相比，有效的電力傳輸只能在相對較高的頻率下發生，這使得這些系統的設計極具挑戰性。隨著最近可實現更高頻率運行的寬帶隙（GaN 和碳化硅）功率半導體器件的出現，大功率中等范圍電容 WPT 系統變得可行（Regensburger 等人，2017 年；? Zhang 等人，2016 年）。

Eggtronic 一直在對一種新的無位置電容技術進行原型設計，該技術可以通過確保零電壓和零電流操作來解決這些挑戰，從而顯著降低功率半導體的動態損耗（隨著工作頻率的提高，這是關鍵問題之一）。基于由幾個彼此獨立工作的低成本電容焊盤組成的薄傳輸層，這些電容焊盤與嵌入被充電系統的薄接收焊盤耦合，該系統有可能以低成本傳輸數千瓦平方米。一種創新的控制算法，基于動態改變激活的傳輸墊的數量，意味著系統的固有頻率不斷調整，以控制傳輸到車輛的動力始終以固定頻率工作。

充電距離

今天的大多數無線充電系統都基于多個線圈（用于增加位置自由度和改善耦合）和動態調諧（基于額外的電抗元件）。

相比之下，有一些專利和研究基于減少發射器和接收器之間的距離，其機制是在電力傳輸過程中使發射器和接收器更靠近。

圖 5：充電距離的機械縮短

如果這可以自動完成，它將在效率、充電速度和成本方面為靜態和動態無線電源帶來好處。它還降低了 EMI 性能不佳的可能性，并且無需檢測是否有異物卡在接收器和發射器之間。

這種方法的主要障礙是需要集成的機械、電子（在動態無線電力的情況下，還包括空氣動力學）協同設計。

標準

除了解決靜態和動態無線電動汽車充電的技術挑戰外，協調系統以確保加速技術推廣所需的真正互操作性也很重要。事實上，缺乏一個通用標準仍然是現有有線充電基礎設施面臨的挑戰之一，這也是汽車工程師協會 (SAE) 創建第一個全球電動汽車無線充電標準的原因。

圖 6：SAE J2954 標準功能圖

該標準被稱為 SAE J2954，適用于高達 11 kW 的充電系統，并滿足自動駕駛汽車在無需人工干預的情況下自行充電的要求。該標準是一個起點，因為電動和插電式混合動力汽車的無線電力解決方案仍處于制定規則的早期階段。隨著我們向前發展，將需要不斷更新以提供必要的兼容性，而不會成為性能和功能的瓶頸。

審核編輯 黃昊宇