合肥有感科技有限責任公司總工程師 陸鈞 發表了《電動汽車無線充電技術的發展現狀及趨勢》為主題的演講,介紹了電動汽車無線充電技術的發展,無線充電功能以及未來的發展趨勢,進行大功率無線充電的講解。
首先是電動汽車無線充電的發展歷程。
塞爾維亞裔科學家尼古拉 · 特斯拉在 100 多年前開發了一套遠程大功率電力傳輸系統,傳輸距離達到了 48 公里。
在 2007 年,麻省理工大學團隊演示了在 2 米以外點亮 60W 燈泡的實驗,在 2010 年,無線充電 Qi 標準發布。真正使無線充電商業化的,還是在 2017 年蘋果 8 系列支持無線充電的手機發售,現在的手機有很多款都支持無線充電,增長速度非常快。下一個熱點可能就是新能源汽車的無線充電。
麻省理工大學團隊成立了一家名為 WiTricity 的公司,負責大功率電動汽車無線充電方面。同時還有一家新西蘭奧克蘭大學,同樣研發電動汽車無線充電功能,后來被高通收購。國內大功率電動汽車無線充電技術與商業化進程與國外同步,清華大學在 2015 年就推出了 3.3kW 無線充電系統,在北汽 EV150 搭載,后來清華大學團隊整體加入有感科技,成為有感科技主要技術的核心。
下面是電動汽車無線充電的關鍵技術介紹。
大功率無線充電技術在結構方面與手機小功率無線充電非常相似,包括發射端和電源端,發射端包括供電電源和發射線圈,電源端將輸入電源轉換成高頻交流電,為發射線圈供電。在電動汽車上面,安裝了接收線圈和功率轉換電路,將感應到的磁場轉換為交流電,經過整流電路為電動汽車充電。
有感科技推出的單相 7kW 和三相 11kW 大功率無線充電產品展示,內部包括地面功率變換器和地面發射線圈。車載功率控制器將接收線圈和功率變換器集成在一個模塊中,是一個二合一的設計。
其中額定效率達到 91% 以上,偏移效率也達到 89% 以上,XY 方向支持 100mm 偏移,Z 軸方向支持 140-210mm 偏移,支持 WiFi,CAN 總線通信,具備過壓 / 欠壓保護,過流 / 短路保護,過熱保護,異物和小動物保護功能。
有感科技電動汽車無線充電關鍵技術分為兩個部分,為主功率的能量高效傳輸和輔助功能。主功能包括功率傳輸,效率,距離,安全等等,還包括不同廠家產品的互操作性。對于大功率無線充電來講,輔助功能也是非常關鍵的,包括對齊引導,對準檢測,異物檢測和活體保護,提高無線充電的安全性和使用體驗。
對于大功率無線充電來說,異物檢測是非常重要的。有感科技在發射線圈表面放置小型檢測線圈陣列,通過檢測小線圈陣列阻抗變化發現金屬異物。
活體保護在生物體接近或進入到無線充電區域時,停止無線充電,并發出報警信息。通過在發射線圈內部集成探測雷達,或檢測發射線圈表面電容的變化等方式,檢測生物體可能進入磁場范圍內。
無線充電引導對齊,在發射線圈和接收線圈對準時,傳輸效率和傳輸功率是最高的。為保證無線充電的使用體驗,有必要引導發射線圈和接收線圈對齊。通過在發射線圈和接收線圈上集成磁場發生裝置,通過磁場梯度檢測發射線圈與接收線圈的位置偏移程度,發送給相關系統,進行位置對準。
對于無線充電的安全性,新能源汽車無線充電線圈設計在汽車底部,磁場也限制在汽車底部,線圈具備生物體檢測,實現磁場的保護。在汽車內部,汽車金屬外殼相當于屏蔽層,車內的磁場強度近乎等于 0,靠近車頭的位置,磁場強度小于 10 μ T。按照國家標準和國際標準,無線充電系統是安全的。
下面是無線充電技術發展狀況。
大功率無線充電技術的供應者有高通和 WiTricity,其中 WiTricity 收購了高通大功率無線充電部門,業務模式為技術授權。通過購買技術授權,參與到大功率無線充電開發當中。有感科技自有研發團隊,在全球范圍內是一家完全自主,正向開發的技術團隊。
大功率無線充電的技術發展分為前期引入期,主要解決充電便利性的問題,中期推廣期主要解決不同廠商之間的互操作性,與自動泊車系統的結合,未來的長期量產期,解決與自動泊車系統和自動駕駛系統的結合問題。
電動汽車大功率無線充電在產業和政策上已經趨于完善,標準由中電聯和中汽聯中汽中心牽頭,中汽中心負責車載端標準制訂,中汽聯進行地面設備與電網連接標準制訂,有感科技也是標準工作組成員之一。目前已經有 7 項國家標準正式發布,組成了無線充電系統運行的基礎環境。
大功率無線充電技術現已全面支撐無線充電產業化,目前已經搭載在新能源汽車上進行夏季,冬季及車規測試等一系列測試,完全滿足車輛量產需要。
接下來是電動汽車無線充電產業化路徑介紹。
大功率無線充電的應用場合非常廣泛,新能源電動汽車可以搭載無線充電,無人駕駛汽車可以搭載無線充電,動態無線充電,以及共享出行,都可以使用大功率無線充電來實現。
現階段,無線充電和有線充電將成為相互彌補,共同組成充電網絡體系。有線大功率充電可以滿足長途出行,平時通勤可以使用慢充滿足充電需求。無線充電可以滿足慢充的需求,無需插線,改變新能源汽車充電習慣。
無人停車樓將無線充電對位功能嵌入到自動泊車系統中,實現了一鍵停車和一鍵召喚功能,在停車的時候進行無線充電,是一個結合的很好的產業案例。
大功率無線充電產業化目前處于推廣期和量產期交界狀態,逐步開始大規模量產。隨著自動駕駛和自動泊車的汽車越來越多,可能會實現大功率無線充電的大規模量產。
目前電動汽車無線充電的產業化已經全面啟動,其中歐洲,美國,日本的電動汽車無線充電產業化進程較快,國內的技術水平和產業化情況也達到了國外先進水平,近兩年很多車型都會搭載無線充電功能。
最后是無線充電技術發展趨勢。
無線充電技術發展方向是通過不斷的技術迭代,降低成本并提高充電的功率,并擴展偏移的范圍,實現隨停隨充,打造絕佳的充電體驗。
無線充電技術與智能網聯技術結合,包括無線充電,自動駕駛,多方面結合起來構成完整閉環。通過無線充電實現電動化與網聯化,智能化環節的銜接。
自動駕駛技術現在發展很快,目前來講自動駕駛是無人駕駛,配合自動泊車,需要自動自動充電技術,無線充電是自動充電最好的解決方案,隨著自動駕駛和自動泊車,無線充電將迎來最好發展的一個契機。
無線充電未來發展方向還有一個動態無線充電。靜態無線充電可以在停車期間自動為汽車充電,動態無線充電通過將發射線圈連接起來,實現邊走邊充電,真正解決行駛過程中里程焦慮的問題。
有感科技的主營業務為無線充電,主要是面向汽車電子,包括車載手機無線充電以及延伸的 NFC 鑰匙和 UWB 鑰匙,以及 USB 充電產品。大功率方面包括 7.7kW 高壓電池無線充電系統,是全球首款高壓無線充電系統,已經實現量產。明年初,有感科技將會呈現商業化運行的動態無線充電道路。