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即停即充,淺談電動汽車無線充電系統及性能要求

無線充電簡單方便,即停即充,不受惡劣氣候條件的影響,不用擔心人為破壞,大大提高了用戶體驗,更是自動駕駛汽車不可或缺的功能之一。隨著電動汽車大規模普及和無人駕駛技術的高速發展,感覺最近汽車無線充電發展明顯加速。

一、系統組成

電動汽車的無線充電系統,基本上由電源盒、地面發射板、車載接收板、車載控制器共4個部分組成。目前的無線充電主要是單向Grid to Vehicle(G2V)供電,以後必然發展為雙向供電,即G2V + V2G。為方便起見,本文仍稱之為「地面發射板」和「車載接收板」。

無線充電的系統部件,不同廠商定義了不同的名稱,Qualcomm稱之為Power Supply Unit(PSU)、Base Pad (BP)、Vehicle Pad (VP)、Vehicle Control Unit (VCU)。Evatran稱之為Control Panel, Parking Pad, Vehicle Adapter(包括線圈和控制器)。根據需要,地上部分和車載部分的線圈和控制器既可以做成分體式,也可以做成一體式。當前大部分系統是直流輸出到電池,也有少部分是交流輸出到OBC。系統框圖如下:

GA – Ground Assembly, 即地面發射板;VA – Vehicle Assemble, 即車載接收板

無線充電屬弱耦合系統,耦合係數 k≈0.1-0.4。標稱工作頻率85kHz,頻率範圍81.38-90kHz。

二、線圈結構

在無線充電系統中,常見線圈結構有CR、DD、及多線圈形(比如Bipolar)。CR結構是單一環形結構,可以繞製成圓形、橢圓形、或方形等;DD結構實際上是一條Liz線從一個線圈繞到另一個線圈;而Bipolar是由兩個獨立線圈部分重疊而成。

相比傳統的CR結構而言,DD結構更小、更輕、效率更高、位置敏感度低、互操作性更好。

如下圖,Bipolar可以靈活配置成大CR、小CR或DD形。大家不禁要問,既然Bipolar如此完美,為什麼應用不多呢?問題在於,線圈越多控制越複雜,成本及價格也越高,因此在產業化初期不會大規模應用。

三、電路拓撲

選用什麼樣的電路的拓撲,與線圈結構、功率等級、隔空間隙等設計需求有關。不同廠家都有自己獨特設計,有的涉及專利技術及知識產權。以下是兩個典型示例:

四、功率及效率

WPT(Wireless Power Transfer)系統可劃分為不同的功率等級。SAE J2954 TIR、IEC 61980 PT、及GB國標徵求意見稿之間均有不同。以上標準均未正式發布,以下內容來自SAE J2954 TIR。

標準要求在最大輸入功率時,系統效率高於85%;在左右偏差±100mm、前後偏差±75mm、上下偏差∆的情況下,不得低於80%。請注意:這是所說的效率是從交流輸入(1)到直流輸出(2)的全系統效率。

效率是一個很複雜的概念,哥認為至少與以下因素有關:1、位置對中,即X、Y方向的位置偏差,但正中位置並不總是效率最高點;2、隔空間隙,高於或低於標稱值,系統效率均會有所下降;3、位置轉角,即車身相對三維坐標軸的轉角偏差,偏差越大,效率越低;4、輸出功率,一般來說隨輸出功率提高,效率會先升后降;5、工作溫度,設計不好的系統發熱嚴重,只能降額工作,因此開機運行一段時間後效率就下降了;6、壽命階段,隨著服務時間的推移,電子元件會老化,參數發生漂移,如果系統自動調節能力有限也會影響系統效率。7、測試方法,大家都知道測試方法的重要性,方法不對測試結果難以令人信服......所以說,閉口不談測試條件的所謂效率都是耍流氓!有人搭出一套系統,測了測好象效率還不錯,於是便高調宣稱自己的產品效率高達90%......So what?

五、異物檢測

交變磁場中的金屬物體,由於渦流熱效應或磁滯損耗會發熱。如果溫度過高,在某些極端情況下會引燃充電板附近的可燃物體。所以,異物檢測因涉及到產品安全性而顯得尤為重要。許多廠家聲稱自己的產品具備異物檢測功能,但具體性能如何尚不得而知。常見的金屬異物有:

異物檢測模塊通常安裝在地面發射板中。在主線圈之外,布置了矩陣式檢測線圈。當有金屬異物落於發射板上,會引起相應區域磁場的變化,而這個變化的磁場將被檢測到。對於極小的金屬物體,比如紙張上的訂書訂,這種方法一般很難檢測到,只能通過限制磁感應強度來保證安全性。在同等功率條件下,DD形線圈相比CR形線圈磁感應強度低,因而安全性也更高。

六、活體保護

大家都比較擔心無線充電系統的電磁輻射,因為電磁波看不見摸不到。在充電板和接收板之間的區域,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組織損傷,有的廠家開發出活體保護功能。當小動物接近充電板時,系統檢測到並停止充電;一旦小動物離開,系統能及時恢復充電功能。

七、定位功能

無線充電系統位置偏差越小,系統性能越高。常用的定位方法有MV(Magnetic Vector)及LPE(Low Power Excitation)。MV是利用幾組輔助線圈通過磁場檢測來實現的,VA上的X/Y兩組輔助線圈發出120-140kHz的電磁波,GA上的三組X/Y/Z線圈用來檢測信號,理論工作範圍達5m。LPE是復用功率線圈來實現定位功能,由GA發射,VA接收,工作範圍在1m以內。相比MV方式,LPE精度低,但成本優越明顯。

八、互操作性

互操作不僅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能向下兼容。標準都有相應規定。

九、EMC(Electromagnetic Compatibility)

同其它任何汽車電子零部件一樣,無線充電系統都要符合Vehicle Level及Component Level的EMC要求。



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