智能無線充電的技術及其應用

王建輝

摘要：新能源汽車做環(huán)保車輛，越來越被人們認識和接受，充電的方式不僅有之前的有線充電，新興的智能無線充電技術也走進人們的視野。無線充電可以提升智能駕駛的體驗，不需要人操作充電，車輛完成自動泊車后便自行開啟充電。 本文介紹了國內外的發(fā)展現狀，國家標準化管理委員會發(fā)布標準情況，分析了磁耦合無線充電的原理，并研究了整車上的應用方案。

關鍵詞：無線充電;新能源汽車;磁耦合

中圖分類號：TM724 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）08-0054-04

0 引言

新能源汽車近些年發(fā)展迅速，如何方便的充電是用戶最關心的問題，也是制約新能源汽車普及的重要因素。當前充電方式分為有線充電和無線充電，有線充電在充電連接和撥充電槍時可能產生火花，影響充電連接設備的壽命也有安全隱患，同時有線充電環(huán)境要求較高，雨雪等惡劣天氣時充電困難。而無線充電發(fā)射端埋在地下，靠電磁場傳輸能量，不產生火花，不產生磨損，解決了安全和維護問題;另外也不需要人為操作即可充電，大大提升了用戶體驗。

1 國內外發(fā)展現狀

1.1 國外發(fā)展現狀

國外整車企業(yè)如沃爾沃、奧迪、寶馬、奔馳等整車企業(yè)，都已經開始研發(fā)或測試無線充電系統(tǒng)。美國WiTricity公司開發(fā)的無線充電系統(tǒng)Drive11，在2018年與寶馬公司合作發(fā)布了搭載了3.3kW的無線充電系統(tǒng)，行業(yè)內第一款配置無線充電功能的車型BMW 530e。美國Evatran公司開發(fā)了PLUGLESS無線充電系統(tǒng)，并為特斯拉Model S、日產LEAF、寶馬I3、雪佛蘭volt等車技術支持，已實現3.6kW和7.2kW的無線充電功率。

1.2 國內發(fā)展現狀

國內的無線充電技術與國外技術差距越來越小，東南大學、哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學等高校、中國科學院和科研機構已開展多年的研究，在磁耦合結構設計，電磁兼容性，負載識別，異物檢測等多個技術方面取得了突破和創(chuàng)新。國內多家企業(yè)開發(fā)出無線充電系列產品，如有感科技、安潔無線、中興新能源汽車、華為科技、中惠創(chuàng)智等，覆蓋功率：3.7kW、7.7kW、11kW、30kW及以上。

國家的無線充電標準化工作分四個步驟：優(yōu)先制定無線充電的基礎標準，為產業(yè)提供發(fā)展環(huán)境;加快制定無線充電互操作標準，為產業(yè)提供應用條件;試點制定無線充電產品標準，為產業(yè)提供推廣基礎;制定無線充電運維標準，為產業(yè)提供服務準則。

關于無線充電系統(tǒng)標準已發(fā)布4項，《電動汽車無線充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》、《電動汽車無線充電系統(tǒng)第2部分：車載充電機與充電設備之間的通信協議》、《電動汽車無線充電系統(tǒng)第3部分：特殊要求》、《電動汽車無線充電系統(tǒng)第4部分：電磁環(huán)境限值與測試方法》。該標準體系規(guī)劃標準18 項，規(guī)范了電動汽車無線充電系統(tǒng)在公共以及私人應用領域的技術要求、性能要求、功能要求、安全要求、通信協議、測試要求及試驗方法、互操作性要求及測試方法、施工驗收、運行維護等。

2 無線能量傳輸的技術發(fā)展

2.1 電磁感應式無線能量傳輸

電磁感應式的運用是以電磁感應為基礎，可以把這項技術理解成分離式變壓器，一般壓器由一個磁芯和初級線圈、次級線圈組成;當初級線圈加上一個交變壓電壓時，磁芯感應出交變磁場，次級線圈感應出相同頻率的交變電壓，即實現了能量傳輸的效果。如果把發(fā)射線圈和接收線圈分開，當交變電壓加在發(fā)射線圈產生了磁場，磁場穿過接收線圈、就產生電壓，這樣實現了無線能量傳輸[1]。

目前市場上較成熟的無線充電方式是電磁感應WPT方案，新西蘭國家地熱公園旅客電動運輸車（充電功率30KW）是比較典型的應用之一，以及Splashpower公司的無線充電機等，電磁感應式WPT不僅能夠運用在小功率電子產品中，還可在大功率EV無線供電系統(tǒng)運用。但電磁感應WPT技術的主要缺點是傳輸距離短，隨著傳輸距離的增大，發(fā)射接收線圈錯位，效率都會驟然下降， 在汽車上應用難度大。

2.2 電磁共振式無線能量傳輸

磁共振技術可以實現較遠的傳輸距離，支持數厘米至無線充電。磁共振要求發(fā)射線圈和接收線圈的諧振頻率相同，發(fā)射線圈通電后產生磁場;接收線圈與之發(fā)生共振，產生的電流整流后就可以為汽車動力電池充電。除了傳輸距離較遠外，磁共振方式還可以同時對多個設備進行供電，并且不嚴格限制負載設備的位置，相對磁感應方式更加靈活。在傳輸效率方面，磁共振方式可以達到90%以上。

2007年，美國MIT Soljacic的研究小組使無線能力傳輸有了突破性進展，點亮了距離兩米外的60W的燈泡，傳輸效率達到了40%，這個技術就是電磁共振式WPT。我開展WPT研究稍晚，2011年10月在天津召開了“無線電能傳輸技術”專題研討會，2014年在南京召開了“無線電能傳輸技術與應用國際學術會議”，探討了當前無線電能傳輸技術的新進展和當前研究中的問題。2018年啟動了無線充電標準體系建立。

3 智能無線充電系統(tǒng)的原理及設計

3.1 基本原理

整個無線充電系統(tǒng)主要包括：功率傳輸控制器、地面端通信單元，功率接收控制器、車載控制單單元以及原、副邊接收設備[2]。

功率傳輸控制器：用于輸出端的功率控制，將電網的工頻交流轉換成為高頻交流，驅動原邊設備，并能根據地面控制單元的指令，實現電動汽車對整個無線充電的控制，控制器具備功率檢測單元，可以時時檢測輸入功率，并由通訊模塊發(fā)給車端。

功率接收控制器：用于車載端功率控制，對副邊設備輸出高頻交流整流并按BMS的控制指令完成執(zhí)行充電，控制器輸出端有功率檢測單元，可以時時檢測輸出功率，并由通訊模塊發(fā)給車端，單片機計算輸出與輸入功率的比值，如效率低于設定值提時用戶調整車輛位置。

地面、車載通信控制單元：通訊控制器，分別對功率傳輸器和功率接收控制器進行控制管理功能。

3.2 控制傳輸控制器硬件原理設計

控制傳輸控制的硬件包括功率因數較正電路和DC/AC轉換電路，由于功率因數較正電路與連接電網的相同功率等級的用電設備原理相同，成熟度較高，不做研究。

DC/AC轉換電路的振蕩頻率選為典型的85kHz，PWM的驅動源由UCC2895實現，全橋逆變電路中的MOSFET選用東芝的TK20D60T，最大漏-源電壓VDSS為600V，導通電阻0.165Ω，最大的柵極-源極VGSS為30V。驅動芯片選用TI的UCC27324，驅動芯片后面接脈沖變壓器然后驅動半橋。

3.3 功率接收控制器原理設計

副邊設備的電流為85kHz交流電，經過整流橋整流和C2濾波，成為直流電;G1、G2、L2、C3形成一個BUCK電路，通過調整G1的占空比，調整輸出電流和輸出電壓。Vfb信號經過處理之后連接單片機，單片機得到實時的輸出電壓;Ifb經過RC濾波、放大后連接單片機，單片機得到實時輸出電流，最后單片機可以計算出接收端的實時輸出功率。當充電過程中動力電池出現異常，急需斷開輸出，只需給G1驅動低電平，不需要從原邊停止輸出，起到了快速保護效果，參見圖1所示。

3.4 單片機控制電路設計

控制芯片選用英飛凌XC886，采用兼容8051處理器的XC800內核。此外，由于XC886具有XC866的所有功能，因此可以方便地進行從XC866到XC888的程序移植。主要特性包括：I/O為5.0V供電，上電自動復位;可編程16位看門狗定時器;六個端口：多達48個數字I/O;8通道、10位模數轉換單元ADC;同步串行通道SSC;兩個全雙工串行接口UART和UART1，綜合以上基本滿足功能要求。外圍接口通過英飛凌的提供的軟件工具DAvE配置，提高了軟件設計的效率，可以設置的外圍接口有：GPIO、UART/UART1、CCU6、MultiCAN、ADC、SSC和JTAG。

4 測試結果

4.1 實驗條件

實驗溫度：20℃。

實驗設備：示波器泰科TDS3034C，電源分析儀PM3000，FLUKE數字萬用表，PCAN等。

負載：電動車。

待測試設備：無線充電系統(tǒng)一套，含：車載、非車載功率組件（相同的殼體結構）。

4.2 測試結果

首先對智能無線充電系統(tǒng)做了臺架測試，如圖2所示，包括基本的功能和性能;主要功能如，地面端和車載端的通訊，故障診斷及顯示，待機喚醒功能等，都滿足了整車功能要求。性能方面如，功率因數達到98%以上，電磁騷擾滿足國家要求，功能樣機功率≥3.3kW;無線傳輸距離汽車底盤到地面的距離：182～258mm等，關鍵參數滿足應用需求。

基于整車的無線充電系統(tǒng)調試，實現了車載端功率控制單元可以對動力電池充電，充電過程中的電流、電壓及溫度等信號的顯示，整車無線充電系統(tǒng)不同偏移量時的充電效率參見圖3所示。

5 總結與展望

5.1 全文總結

本文以新能源汽車的快速發(fā)展和有線充電的技術問題為背景，以智能無線充電系統(tǒng)為研究對象。研究的內容包括新能源的國家政策、市場前景，無線充電的標準和充電發(fā)展方向，功率傳輸、功率接收控制單元等關鍵的電路，無線充電系統(tǒng)臺架測試及基于整車的調試，最后實現了在182～258mm內，輸出功率3.3kW，充電效率達到85%～89%。

5.2 展望

無線充電產業(yè)在2020-2025年會快速發(fā)展，實現無線充電商業(yè)化運營[3]，2025年后，隨著智能駕駛產業(yè)成熟，無線充電會有大量的市場需求，大大提高了電動汽車的駕駛體驗。在產業(yè)化成熟之前，智能無線充電項目如，專用場站、立體車庫、示范試點等開始發(fā)展。目前各整車企業(yè)在無線充電領域的技術儲備還不夠，車載設備在整車上的布置，熱管理方案，無線充電系統(tǒng)與整車匹配策略，無線充電系統(tǒng)與自動汽車的匹配還需要大量的測試和驗證。

參考文獻

[1] 張茂春，王進華，石亞偉.無線電能傳輸技術綜述[J].重慶工商大學學報（自然科學版），2009（5）：485-488.

[2] 張峰，王慧貞.非接觸感應能量傳輸系統(tǒng)中松耦合變壓器的研究[J].電源技術應用，2007（4）：54-58.

[3] 王振亞，王學梅，張波，等.電動汽車無線充電技術的研究進展[J].電源學報，2014（3）：27-32.