浅析电动汽车无线充电系统测试技术

孔治国，张宝强，李 川，黄 炘，王朝晖，赵凌霄，兰 昊

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

1 引言

近年来，能源与环境危机问题越来越成为人们关注的重点，而生产和使用新能源电动汽车则是解决这些问题的重要途径之一。电动汽车即由电动机驱动的汽车，其驱动电能来源于车载动力电池。类似于传统汽车通过加油的方式来续航，由于电池容量的限制，电动汽车必须进行充电操作。

当前电动汽车多采用传导充电方式进行充电，充电桩与车载充电接口通过电缆组件连接，实现电能由电网传输并存储到电动汽车动力电池里。但由于其有线传输的方式，传导充电存在许多局限性，比如充电接口部分易磨损、插拔时可能产生电火花、须采用人工操作和维护等［1］。而无线电能传输 （Wireless Power Transfer，WPT）技术的发展为电动汽车的能量补给带来了一种新方式——电动汽车无线充电。相比于传导充电，无线充电可以有效解决裸露导体造成的用电安全隐患、插拔时的电火花和磨损等，并能够在潮湿、水下、含易燃易爆气体等较为恶劣的工作环境中实现电能传输，具有广阔的应用场景［2］。

中国政府高度重视电动汽车无线充电相关技术及产业发展，国家发改委、能源局、工信部、财政部等部委纷纷制定政策，推进电动汽车无线充电系统发展和普及。2020年4月28日国家标准化管理委员会公告发布了4项基础通用标准［3］，分别为电动汽车无线充电系统的通用要求GB/T 38775.1—2020、通信协议GB/T 38775.2—2020、特殊要求GB/T 38775.3—2020和电磁环境限制与测试方法GB/T 38775.4—2020。这4项国家标准是《电动汽车无线充电系统》标准体系中重要的通用基础标准，是我国首批发布的电动汽车无线充电标准，填补了我国在电动汽车无线充电领域国家标准规范的空白。但是，电动汽车无线充电系统更细化的试验方法及测试规范仍在预研中，严重制约了电动汽车无线充电系统的研发测试、产品检测认证和产业化。

本文主要介绍电动汽车无线充电测试技术的现状，并指出亟待解决的问题，为无线充电测试技术的后续研究提供方向。

2 电动汽车无线充电系统

2.1 基本原理简介

典型的电动汽车无线充电系统分为地面发射端 （简称地面端）和车载接收端两部分 （简称车载端）［4］，如图1所示，主要包括原副边的功率变换器、补偿网络、控制器和通信模块。地面端与市电相连，作为无线充电的供电部分；车载端与车辆电池相连，把从地面端接收到的能量转化为电池需要的电能，地面端和车载端通过无线通信的方式进行信息交互。

图1 电动汽车无线充电系统示意图

2.2 国内外无线充电标准设备现状

无线充电标准设备是指在类型、规格、尺寸、技术参数等方面按统一标准制造出来的设备，可作为其他同类设备的参考。无线充电标准设备的确定，为无线充电技术的发展提供重要的支撑和保障，有利于设计标准化，促进无线充电设备产业化发展。国内外电动汽车无线充电技术路线有所区别［5］，体现在标准设备方面其主要技术特征对比见表1。

表1 国内外无线充电标准设备技术特征对比

由表1可知，国内外无线充电标准设备在多个技术特征方面都有所不同。下面以补偿网络和控制方式为例进行说明。在补偿网络方面，国内采用LCC方式，固定电感、电容，设计简单，成本较低；国外采用阻抗可调的谐振网络，设计和控制要求更高。在控制方式方面，国内无线充电标准设备电路采用双边控制，对输出的控制和保护不依赖通信，输出电流/电压的闭环控制可单独在接收端完成，安全性高；国外采用单边控制，VA端采用布控方式，结构简单，成本低，可靠性好，输出保护依赖于通信。

2.3 国内外电动汽车无线充电标准现状

标准的制定对无线充电技术在电动汽车上的实际应用和商业化进展非常重要。国内电动汽车无线充电标准工作组于2017年6月成立，其中中国电力企业联合会 （CEC）负责无线充电系统地面端的主要内容编制，中国汽车技术与研究中心 （CATARC）负责无线充电系统车辆端的主要内容编制。目前，国内电动汽车无线充电国家标准［3］共立项8项，其中4项已发布，3项正在征求意见，1项正在起草；团体标准1项［6］、地方标准12项［7］，已发布实施。具体情况见表2。

从表2可以看出，现有已发布的标准基本完成了电动汽车无线充电系统的技术要求，而相关测试规范还处于征求意见或起草阶段，相对滞后。

国外制定电动汽车无线充电标准比较有影响力的组织主要有3个，分别为国际标准化组织 （ISO）、国际电工委员会（IEC）和美国汽车工程师协会 （SAE），已形成了较为完整的技术标准体系。表3列出了国外主要的电动汽车无线充电标准情况。

2.4 电动汽车无线充电系统的主要应用场景

根据不同的技术要求，可以将电动汽车无线充电系统应用场景分为两大类：一类是需要满足互操作性要求的应用场景，另一类是不需要满足互操作性要求的应用场景。

需要满足互操作性要求的应用场景主要是公共场所的公共充电设备使用，地面发射端固定安装在充电位，需满足搭载不同车载端电动汽车的无线充电需求，地面端和车载端可能来自不同供应商，地面端和车载端的功率等级、离地高度等级可能不同，通信和控制方式也可能存在差异，为保证互联互通，必须满足互操作性的要求。

不需要满足互操作性要求的应用场景主要有私人充电设备使用、专用充电设备使用、立体车库无线充电场景等。这类场景下无线充电的地面端和车载端多采用一一对应的模式，充电设备具有专用属性，不涉及多种设备之间的兼容操作，因此互操作等要求也可以适当降低。

3 电动汽车无线充电测试技术

电动汽车无线充电因其特殊的供电方式，给测试带来了极大的挑战。根据产品应用场景的不同，其测试项目和重点也不尽相同。图2给出了电动汽车无线充电测试的分类，包括性能测试、功能测试和可靠性测试。下面详细介绍每类测试的内容。

图2 电动汽车无线充电系统测试分类

表2 国内电动汽车无线充电标准

表3 国外电动汽车无线充电标准

3.1 性能测试

电动汽车无线充电性能测试可分为电性能测试、机械性能测试、材料性能测试、基本性能指标测试和测试性能指标测试。其中，电性能测试包括接触电阻、温升测试、耐电压测试、绝缘电阻测试、介电强度测试等；机械性能测试包括振动测试、机械冲击测试、跌落测试、碰撞测试等；材料性能测试包括铁氧体零件测试、电感电容测试、利兹线测试等；基本功能测试包括输入电压范围测试、输入频率范围测试、输入谐波电流限值测试、输入冲击电流测试、源效应测试、负载效应测试、输出电压稳压精度测试、输出电压纹波测试等；测试性能指标包括副边水平偏移、垂直移动下系统效率及功率因数测试和副边旋转、倾斜和偏航下系统效率及功率因数测试。

图3给出了电动汽车无线充电系统效率及功率因数自动测试路径示意图。自动化测试中，改变测试路径将改变样品的工作稳定性——部分测试点工作不稳定，会极大地影响测试速度，在这种情况下，需要为样品制定尽量使它可以连续运行不超限的移动路径。目前采用的测试路径有3种：蛇形、回字形1和2，3种路径测试的点的数量和系统运行稳定性均有差别。

图3 电动汽车无线充电系统效率及功率因数自动测试路径

3.2 功能测试

电动汽车无线充电功能测试主要为保护功能的测试。保护功能测试包括输入过压保护测试、输入欠压保护测试、输入电网频率保护测试、输入过流保护测试、输出过压保护测试、输出欠压保护测试、输出短路保护功能测试、急停保护功能测试、输出反接保护功能测试、系统过温保护功能测试、抛负载测试等。

根据电动汽车无线充电产品的应用场景不同，功能测试还可能包括主动保护辅助功能测试、通信协议一致性测试和互操作性测试。主动保护辅助功能测试包括异物检测测试和活物检测测试，要求无线充电系统具备异物检测和活物检测功能，且能够根据情况执行对应的保护动作。通信协议一致性测试是指在一定的网络环境下，利用一组测试序列对被测协议进行测试，检测协议实现的差异性。通信协议一致性测试是互操作性测试的基础，只有通过协议一致性测试的产品，才有意义进行互操作性测试。互操作性测试是检测相同或不同型号、版本的无线充电系统地面设备与车载设备通过信息交互和过程控制，实现电动汽车无线充电互联互通的能力。

3.3 可靠性测试

电动汽车无线充电可靠性测试包括环境测试、筛选测试、寿命测试和电磁兼容测试。其中，环境测试包括气候条件类测试 （如高温、低温、高低温循环工作、盐雾、温热等测试）、机械条件类测试 （如振动、冲击、离心、碰撞、跌落等测试）和辐射条件类测试 （如太阳辐射测试）；筛选测试包括X射线检测、红外线检测等；电磁兼容测试包括电磁干扰测试和电磁敏感度测试。

4 现阶段存在的问题以及研究方向

目前，国内外科研机构、设备厂商更关注电动汽车无线充电系统的性能和功能研发，而在测试技术方面还存在不少问题尚待解决。

1）完善无线充电系统关键性能测试评价方法

传统无线充电系统的测试方案，主要采用分立仪器进行测量。为了测试地面端与车载端对齐及错位情况的系统性能，需通过先手工调节线圈相对位置。这种方式不仅工作效率低下，无法实现对一些需要实时控制线圈位置的充电测试，而且对无线充电系统的测试覆盖率小，比如只能测试功率电路部分而缺乏相关控制信号和控制时序的测试，很难做到各个环节多路数据 （如各环节电压电流信号等）的同步记录。

2）加强无线充电通信协议一致性及互操作性测试评价方法的研究

无线充电互操作性是支撑公共应用场景下不同生产厂家、不同型号规格的地面设备和车载设备互联互通的基础。互操作性测试核心内容包括互操作性测试参考设备设计及互操作性测试评价方法。通信协议一致性测试则是互操作性测试的基础，只有通过协议一致性测试，才有意义进行互操作性测试。2020年4月发布的GB/T 38775系列 （共4部分）中尚未包含互操作性测试的标准，通信协议标准也不够完善，在通信协议一致性的测试及评价方面处于缺失状态。

3）加强无线充电电磁环境安全及主动防护测试评价方法的研究

无线充电电磁环境安全是支撑其应用的关键，包括电磁环境限值要求的被动安全以及金属异物检测、活物检测功能的主动防护安全。电磁环境安全及主动防护功能的测试及评价方法目前处于缺失状态，亟待进一步解决。

5 结语

当前国内大部分的电动汽车无线充电系统在互操作性、辅助功能、电磁兼容性等方面性能尚未完善，成为无线充电技术在电动汽车产业中推广应用的制约因素之一。电动汽车无线充电测试技术的研究和发展，将能够全面测试评估无线充电系统存在的安全隐患，实现不同品牌型号的电动汽车无线充电系统的互联互通，有效解决电动汽车无线充电系统检不了、检不出、检不准的问题，进一步支撑我国新能源汽车行业的发展和普及。