淺析電動汽車無線充電系統(tǒng)測試技術(shù)

孔治國，張寶強(qiáng)，李 川，黃 炘，王朝暉，趙凌霄，蘭 昊

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

1 引言

近年來，能源與環(huán)境危機(jī)問題越來越成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，而生產(chǎn)和使用新能源電動汽車則是解決這些問題的重要途徑之一。電動汽車即由電動機(jī)驅(qū)動的汽車，其驅(qū)動電能來源于車載動力電池。類似于傳統(tǒng)汽車通過加油的方式來續(xù)航，由于電池容量的限制，電動汽車必須進(jìn)行充電操作。

當(dāng)前電動汽車多采用傳導(dǎo)充電方式進(jìn)行充電，充電樁與車載充電接口通過電纜組件連接，實(shí)現(xiàn)電能由電網(wǎng)傳輸并存儲到電動汽車動力電池里。但由于其有線傳輸?shù)姆绞剑瑐鲗?dǎo)充電存在許多局限性，比如充電接口部分易磨損、插拔時(shí)可能產(chǎn)生電火花、須采用人工操作和維護(hù)等［1］。而無線電能傳輸 （Wireless Power Transfer，WPT）技術(shù)的發(fā)展為電動汽車的能量補(bǔ)給帶來了一種新方式——電動汽車無線充電。相比于傳導(dǎo)充電，無線充電可以有效解決裸露導(dǎo)體造成的用電安全隱患、插拔時(shí)的電火花和磨損等，并能夠在潮濕、水下、含易燃易爆氣體等較為惡劣的工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電能傳輸，具有廣闊的應(yīng)用場景［2］。

中國政府高度重視電動汽車無線充電相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國家發(fā)改委、能源局、工信部、財(cái)政部等部委紛紛制定政策，推進(jìn)電動汽車無線充電系統(tǒng)發(fā)展和普及。2020年4月28日國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會公告發(fā)布了4項(xiàng)基礎(chǔ)通用標(biāo)準(zhǔn)［3］，分別為電動汽車無線充電系統(tǒng)的通用要求GB/T 38775.1—2020、通信協(xié)議GB/T 38775.2—2020、特殊要求GB/T 38775.3—2020和電磁環(huán)境限制與測試方法GB/T 38775.4—2020。這4項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)是《電動汽車無線充電系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)體系中重要的通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，是我國首批發(fā)布的電動汽車無線充電標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了我國在電動汽車無線充電領(lǐng)域國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的空白。但是，電動汽車無線充電系統(tǒng)更細(xì)化的試驗(yàn)方法及測試規(guī)范仍在預(yù)研中，嚴(yán)重制約了電動汽車無線充電系統(tǒng)的研發(fā)測試、產(chǎn)品檢測認(rèn)證和產(chǎn)業(yè)化。

本文主要介紹電動汽車無線充電測試技術(shù)的現(xiàn)狀，并指出亟待解決的問題，為無線充電測試技術(shù)的后續(xù)研究提供方向。

2 電動汽車無線充電系統(tǒng)

2.1 基本原理簡介

典型的電動汽車無線充電系統(tǒng)分為地面發(fā)射端 （簡稱地面端）和車載接收端兩部分 （簡稱車載端）［4］，如圖1所示，主要包括原副邊的功率變換器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、控制器和通信模塊。地面端與市電相連，作為無線充電的供電部分；車載端與車輛電池相連，把從地面端接收到的能量轉(zhuǎn)化為電池需要的電能，地面端和車載端通過無線通信的方式進(jìn)行信息交互。

圖1 電動汽車無線充電系統(tǒng)示意圖

2.2 國內(nèi)外無線充電標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備現(xiàn)狀

無線充電標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是指在類型、規(guī)格、尺寸、技術(shù)參數(shù)等方面按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制造出來的設(shè)備，可作為其他同類設(shè)備的參考。無線充電標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的確定，為無線充電技術(shù)的發(fā)展提供重要的支撐和保障，有利于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)無線充電設(shè)備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。國內(nèi)外電動汽車無線充電技術(shù)路線有所區(qū)別［5］，體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備方面其主要技術(shù)特征對比見表1。

表1 國內(nèi)外無線充電標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備技術(shù)特征對比

由表1可知，國內(nèi)外無線充電標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在多個(gè)技術(shù)特征方面都有所不同。下面以補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和控制方式為例進(jìn)行說明。在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)方面，國內(nèi)采用LCC方式，固定電感、電容，設(shè)計(jì)簡單，成本較低；國外采用阻抗可調(diào)的諧振網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)和控制要求更高。在控制方式方面，國內(nèi)無線充電標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備電路采用雙邊控制，對輸出的控制和保護(hù)不依賴通信，輸出電流/電壓的閉環(huán)控制可單獨(dú)在接收端完成，安全性高；國外采用單邊控制，VA端采用布控方式，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性好，輸出保護(hù)依賴于通信。

2.3 國內(nèi)外電動汽車無線充電標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

標(biāo)準(zhǔn)的制定對無線充電技術(shù)在電動汽車上的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化進(jìn)展非常重要。國內(nèi)電動汽車無線充電標(biāo)準(zhǔn)工作組于2017年6月成立，其中中國電力企業(yè)聯(lián)合會 （CEC）負(fù)責(zé)無線充電系統(tǒng)地面端的主要內(nèi)容編制，中國汽車技術(shù)與研究中心 （CATARC）負(fù)責(zé)無線充電系統(tǒng)車輛端的主要內(nèi)容編制。目前，國內(nèi)電動汽車無線充電國家標(biāo)準(zhǔn)［3］共立項(xiàng)8項(xiàng)，其中4項(xiàng)已發(fā)布，3項(xiàng)正在征求意見，1項(xiàng)正在起草；團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)［6］、地方標(biāo)準(zhǔn)12項(xiàng)［7］，已發(fā)布實(shí)施。具體情況見表2。

從表2可以看出，現(xiàn)有已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)基本完成了電動汽車無線充電系統(tǒng)的技術(shù)要求，而相關(guān)測試規(guī)范還處于征求意見或起草階段，相對滯后。

國外制定電動汽車無線充電標(biāo)準(zhǔn)比較有影響力的組織主要有3個(gè)，分別為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ISO）、國際電工委員會（IEC）和美國汽車工程師協(xié)會 （SAE），已形成了較為完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。表3列出了國外主要的電動汽車無線充電標(biāo)準(zhǔn)情況。

2.4 電動汽車無線充電系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景

根據(jù)不同的技術(shù)要求，可以將電動汽車無線充電系統(tǒng)應(yīng)用場景分為兩大類：一類是需要滿足互操作性要求的應(yīng)用場景，另一類是不需要滿足互操作性要求的應(yīng)用場景。

需要滿足互操作性要求的應(yīng)用場景主要是公共場所的公共充電設(shè)備使用，地面發(fā)射端固定安裝在充電位，需滿足搭載不同車載端電動汽車的無線充電需求，地面端和車載端可能來自不同供應(yīng)商，地面端和車載端的功率等級、離地高度等級可能不同，通信和控制方式也可能存在差異，為保證互聯(lián)互通，必須滿足互操作性的要求。

不需要滿足互操作性要求的應(yīng)用場景主要有私人充電設(shè)備使用、專用充電設(shè)備使用、立體車庫無線充電場景等。這類場景下無線充電的地面端和車載端多采用一一對應(yīng)的模式，充電設(shè)備具有專用屬性，不涉及多種設(shè)備之間的兼容操作，因此互操作等要求也可以適當(dāng)降低。

3 電動汽車無線充電測試技術(shù)

電動汽車無線充電因其特殊的供電方式，給測試帶來了極大的挑戰(zhàn)。根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用場景的不同，其測試項(xiàng)目和重點(diǎn)也不盡相同。圖2給出了電動汽車無線充電測試的分類，包括性能測試、功能測試和可靠性測試。下面詳細(xì)介紹每類測試的內(nèi)容。

圖2 電動汽車無線充電系統(tǒng)測試分類

表2 國內(nèi)電動汽車無線充電標(biāo)準(zhǔn)

表3 國外電動汽車無線充電標(biāo)準(zhǔn)

3.1 性能測試

電動汽車無線充電性能測試可分為電性能測試、機(jī)械性能測試、材料性能測試、基本性能指標(biāo)測試和測試性能指標(biāo)測試。其中，電性能測試包括接觸電阻、溫升測試、耐電壓測試、絕緣電阻測試、介電強(qiáng)度測試等；機(jī)械性能測試包括振動測試、機(jī)械沖擊測試、跌落測試、碰撞測試等；材料性能測試包括鐵氧體零件測試、電感電容測試、利茲線測試等；基本功能測試包括輸入電壓范圍測試、輸入頻率范圍測試、輸入諧波電流限值測試、輸入沖擊電流測試、源效應(yīng)測試、負(fù)載效應(yīng)測試、輸出電壓穩(wěn)壓精度測試、輸出電壓紋波測試等；測試性能指標(biāo)包括副邊水平偏移、垂直移動下系統(tǒng)效率及功率因數(shù)測試和副邊旋轉(zhuǎn)、傾斜和偏航下系統(tǒng)效率及功率因數(shù)測試。

圖3給出了電動汽車無線充電系統(tǒng)效率及功率因數(shù)自動測試路徑示意圖。自動化測試中，改變測試路徑將改變樣品的工作穩(wěn)定性——部分測試點(diǎn)工作不穩(wěn)定，會極大地影響測試速度，在這種情況下，需要為樣品制定盡量使它可以連續(xù)運(yùn)行不超限的移動路徑。目前采用的測試路徑有3種：蛇形、回字形1和2，3種路徑測試的點(diǎn)的數(shù)量和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性均有差別。

圖3 電動汽車無線充電系統(tǒng)效率及功率因數(shù)自動測試路徑

3.2 功能測試

電動汽車無線充電功能測試主要為保護(hù)功能的測試。保護(hù)功能測試包括輸入過壓保護(hù)測試、輸入欠壓保護(hù)測試、輸入電網(wǎng)頻率保護(hù)測試、輸入過流保護(hù)測試、輸出過壓保護(hù)測試、輸出欠壓保護(hù)測試、輸出短路保護(hù)功能測試、急停保護(hù)功能測試、輸出反接保護(hù)功能測試、系統(tǒng)過溫保護(hù)功能測試、拋負(fù)載測試等。

根據(jù)電動汽車無線充電產(chǎn)品的應(yīng)用場景不同，功能測試還可能包括主動保護(hù)輔助功能測試、通信協(xié)議一致性測試和互操作性測試。主動保護(hù)輔助功能測試包括異物檢測測試和活物檢測測試，要求無線充電系統(tǒng)具備異物檢測和活物檢測功能，且能夠根據(jù)情況執(zhí)行對應(yīng)的保護(hù)動作。通信協(xié)議一致性測試是指在一定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，利用一組測試序列對被測協(xié)議進(jìn)行測試，檢測協(xié)議實(shí)現(xiàn)的差異性。通信協(xié)議一致性測試是互操作性測試的基礎(chǔ)，只有通過協(xié)議一致性測試的產(chǎn)品，才有意義進(jìn)行互操作性測試?；ゲ僮餍詼y試是檢測相同或不同型號、版本的無線充電系統(tǒng)地面設(shè)備與車載設(shè)備通過信息交互和過程控制，實(shí)現(xiàn)電動汽車無線充電互聯(lián)互通的能力。

3.3 可靠性測試

電動汽車無線充電可靠性測試包括環(huán)境測試、篩選測試、壽命測試和電磁兼容測試。其中，環(huán)境測試包括氣候條件類測試 （如高溫、低溫、高低溫循環(huán)工作、鹽霧、溫?zé)岬葴y試）、機(jī)械條件類測試 （如振動、沖擊、離心、碰撞、跌落等測試）和輻射條件類測試 （如太陽輻射測試）；篩選測試包括X射線檢測、紅外線檢測等；電磁兼容測試包括電磁干擾測試和電磁敏感度測試。

4 現(xiàn)階段存在的問題以及研究方向

目前，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、設(shè)備廠商更關(guān)注電動汽車無線充電系統(tǒng)的性能和功能研發(fā)，而在測試技術(shù)方面還存在不少問題尚待解決。

1）完善無線充電系統(tǒng)關(guān)鍵性能測試評價(jià)方法

傳統(tǒng)無線充電系統(tǒng)的測試方案，主要采用分立儀器進(jìn)行測量。為了測試地面端與車載端對齊及錯(cuò)位情況的系統(tǒng)性能，需通過先手工調(diào)節(jié)線圈相對位置。這種方式不僅工作效率低下，無法實(shí)現(xiàn)對一些需要實(shí)時(shí)控制線圈位置的充電測試，而且對無線充電系統(tǒng)的測試覆蓋率小，比如只能測試功率電路部分而缺乏相關(guān)控制信號和控制時(shí)序的測試，很難做到各個(gè)環(huán)節(jié)多路數(shù)據(jù) （如各環(huán)節(jié)電壓電流信號等）的同步記錄。

2）加強(qiáng)無線充電通信協(xié)議一致性及互操作性測試評價(jià)方法的研究

無線充電互操作性是支撐公共應(yīng)用場景下不同生產(chǎn)廠家、不同型號規(guī)格的地面設(shè)備和車載設(shè)備互聯(lián)互通的基礎(chǔ)?；ゲ僮餍詼y試核心內(nèi)容包括互操作性測試參考設(shè)備設(shè)計(jì)及互操作性測試評價(jià)方法。通信協(xié)議一致性測試則是互操作性測試的基礎(chǔ)，只有通過協(xié)議一致性測試，才有意義進(jìn)行互操作性測試。2020年4月發(fā)布的GB/T 38775系列 （共4部分）中尚未包含互操作性測試的標(biāo)準(zhǔn)，通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也不夠完善，在通信協(xié)議一致性的測試及評價(jià)方面處于缺失狀態(tài)。

3）加強(qiáng)無線充電電磁環(huán)境安全及主動防護(hù)測試評價(jià)方法的研究

無線充電電磁環(huán)境安全是支撐其應(yīng)用的關(guān)鍵，包括電磁環(huán)境限值要求的被動安全以及金屬異物檢測、活物檢測功能的主動防護(hù)安全。電磁環(huán)境安全及主動防護(hù)功能的測試及評價(jià)方法目前處于缺失狀態(tài)，亟待進(jìn)一步解決。

5 結(jié)語

當(dāng)前國內(nèi)大部分的電動汽車無線充電系統(tǒng)在互操作性、輔助功能、電磁兼容性等方面性能尚未完善，成為無線充電技術(shù)在電動汽車產(chǎn)業(yè)中推廣應(yīng)用的制約因素之一。電動汽車無線充電測試技術(shù)的研究和發(fā)展，將能夠全面測試評估無線充電系統(tǒng)存在的安全隱患，實(shí)現(xiàn)不同品牌型號的電動汽車無線充電系統(tǒng)的互聯(lián)互通，有效解決電動汽車無線充電系統(tǒng)檢不了、檢不出、檢不準(zhǔn)的問題，進(jìn)一步支撐我國新能源汽車行業(yè)的發(fā)展和普及。