浅谈电动汽车无线充电系统及性能要求

无线充电简单方便，即停即充，不受恶劣气候条件的影响，不用担心人为破坏，大大提高了用户体验，更是自动驾驶汽车不可或缺的功能之一。随着电动汽车大规模普及和无人驾驶技术的高速发展，感觉最近汽车无线充电发展明显加速。

一、系统组成

电动汽车的无线充电系统，基本上由电源盒、地面发射板、车载接收板、车载控制器共4个部分组成。目前的无线充电主要是单向Grid to Vehicle(G2V)供电，以后必然发展为双向供电，即G2V + V2G。为方便起见，本文仍称之为“地面发射板”和“车载接收板”。

无线充电的系统部件，不同厂商定义了不同的名称，Qualcomm称之为Power Supply Unit(PSU)、Base Pad (BP)、Vehicle Pad (VP)、Vehicle Control Unit (VCU)。Evatran称之为Control Panel, Parking Pad, Vehicle Adapter(包括线圈和控制器)。根据需要，地上部分和车载部分的线圈和控制器既可以做成分体式，也可以做成一体式。当前大部分系统是直流输出到电池，也有少部分是交流输出到OBC。系统框图如下：

GA–Ground Assembly, 即地面发射板；VA–Vehicle Assemble, 即车载接收板

无线充电属弱耦合系统，耦合系数 k≈0.1-0.4。标称工作频率85kHz，频率范围81.38-90kHz。   

二、线圈结构

在无线充电系统中，常见线圈结构有CR、DD、及多线圈形(比如Bipolar)。CR结构是单一环形结构，可以绕制成圆形、椭圆形、或方形等；DD结构实际上是一条Liz线从一个线圈绕到另一个线圈；而Bipolar是由两个独立线圈部分重叠而成。

相比传统的CR结构而言，DD结构更小、更轻、效率更高、位置敏感度低、互操作性更好。

如下图，Bipolar可以灵活配置成大CR、小CR或DD形。大家不禁要问，既然Bipolar如此完美，为什么应用不多呢？问题在于，线圈越多控制越复杂，成本及价格也越高，因此在产业化初期不会大规模应用。

三、电路拓扑

选用什么样的电路的拓扑，与线圈结构、功率等级、隔空间隙等设计需求有关。不同厂家都有自己独特设计，有的涉及专利技术及知识产权。以下是两个典型示例：

四、功率及效率

WPT(Wireless Power Transfer)系统可划分为不同的功率等级。SAE J2954 TIR、IEC 61980 PT、及GB国标征求意见稿之间均有不同。以上标准均未正式发布，以下内容来自SAE J2954 TIR。

标准要求在最大输入功率时，系统效率高于85%；在左右偏差±100mm、前后偏差±75mm、上下偏差?的情况下，不得低于80%。请注意：这是所说的效率是从交流输入(1)到直流输出(2)的全系统效率。

效率是一个很复杂的概念，哥认为至少与以下因素有关：1、位置对中，即X、Y方向的位置偏差，但正中位置并不总是效率最高点；2、隔空间隙，高于或低于标称值，系统效率均会有所下降；3、位置转角，即车身相对三维坐标轴的转角偏差，偏差越大，效率越低；4、输出功率，一般来说随输出功率提高，效率会先升后降；5、工作温度，设计不好的系统发热严重，只能降额工作，因此开机运行一段时间后效率就下降了；6、寿命阶段，随着服务时间的推移，电子元件会老化，参数发生漂移，如果系统自动调节能力有限也会影响系统效率。7、测试方法，大家都知道测试方法的重要性，方法不对测试结果难以令人信服......所以说，闭口不谈测试条件的所谓效率都是耍流氓！有人搭出一套系统，测了测好象效率还不错，于是便高调宣称自己的产品效率高达90%......So what？

五、异物检测

交变磁场中的金属物体，由于涡流热效应或磁滞损耗会发热。如果温度过高，在某些极端情况下会引燃充电板附近的可燃物体。所以，异物检测因涉及到产品安全性而显得尤为重要。许多厂家声称自己的产品具备异物检测功能，但具体性能如何尚不得而知。常见的金属异物有：

异物检测模块通常安装在地面发射板中。在主线圈之外，布置了矩阵式检测线圈。当有金属异物落于发射板上，会引起相应区域磁场的变化，而这个变化的磁场将被检测到。对于极小的金属物体，比如纸张上的订书订，这种方法一般很难检测到，只能通过限制磁感应强度来保证安全性。在同等功率条件下，DD形线圈相比CR形线圈磁感应强度低，因而安全性也更高。

六、活体保护

大家都比较担心无线充电系统的电磁辐射，因为电磁波看不见摸不到。在充电板和接收板之间的区域，磁场强度是最大的。为了防止小动物，如猫、狗等，因长期暴露在高强度电磁场中引发组织损伤，有的厂家开发出活体保护功能。当小动物接近充电板时，系统检测到并停止充电；一旦小动物离开，系统能及时恢复充电功能。

七、定位功能

无线充电系统位置偏差越小，系统性能越高。常用的定位方法有MV(Magnetic Vector)及LPE(Low Power Excitation)。MV是利用几组辅助线圈通过磁场检测来实现的，VA上的X/Y两组辅助线圈发出120-140kHz的电磁波，GA上的三组X/Y/Z线圈用来检测信号，理论工作范围达5m。LPE是复用功率线圈来实现定位功能，由GA发射，VA接收，工作范围在1m以内。相比MV方式，LPE精度低，但成本优越明显。

八、互操作性

互操作不仅要求不同类型线圈之间能正常匹配，还要求不同功率等级、不同离地间隙的无线充电系统能向下兼容。标准都有相应规定。

九、EMC(Electromagnetic Compatibility)

同其它任何汽车电子零部件一样，无线充电系统都要符合Vehicle Level及Component Level的EMC要求。