汽车无线充电研究及未来趋势

2024-07-05洪海杉洪月琼孙旭东汪名月

时代汽车 2024年12期

洪海杉　洪月琼　孙旭东　汪名月

摘要：无线充电技术又称无线电能传输技术，指利用电磁场、电磁波等在物理空间中的分布或传播特点，采取非导线接触的方式，实现电能的传输。无线充电技术突破了有线充电对传导介质的依赖，具有安全、可靠、灵活等优势。文章就无线充电的结构、方式及应用等方面进行了介绍。

关键词：无线充电磁共振式电磁感应式动态无线充电

1 引言

2023年据终端零售数据统计，国内新能源市场渗透率接近35%。当前新能源汽车有三大类充电方式：传导式即有线充电（快充和慢充）、换电模式和无线充电。无线充电技术突破了有线充电对传导介质的依赖，具有便利性好、灵活性高、安全及可靠等优势，更适用于智能电动车与智能电网，一旦技术成熟，突破充电效率低等不足，将有着广阔的应用前景。

2 无线充电结构

2.1 定义

无线充电技术又称无线电能传输技术（Wireless Power Transfer，WPT），指利用电磁场、电磁波等在物理空间中的分布或传播特性，采取非导线接触的方式[1]，实现电能传输。结异物检测、线圈定位等辅助系统，确保功率传输的安全可靠。

根据新能源汽车和充电技术发展过程及趋势，WPT技术发展路径为，阶段一：实现完备的无线充电功能，阶段二：与智能电动汽车结合，实现智能无线充电，阶段三：与智能电动汽车和智能电网融合互动，实现安全可靠的双向动态无线充电[3]。

2.2 优势

使用便利，无需下车操作，将车子对准发射端装置处即可开始充电。无线充电没有裸露在外的电缆，可以降低如电路老化、机械磨损和漏电等安全隐患，降低损坏率。随着将来智能化和物联网的发展，无线充电能更好地与电网进行互动，减小对电网的冲击。

此外动态无线充电即开即充，在设计车辆时可以减少电池体积，从而降低汽车制造成本。由于可减少电池深度放电的次数，可以延长电池本身的使用寿命。

2.3 挑战

首先性能方面当前WPT充电效率略低于传导式充电。随着SiC/CaN等低损耗功率器件的应用，结合精确定位，有望进一步提高充电效率。其次存在电磁辐射、活体误入及小金属异物进入发热等风险。对策为可进行电磁辐射验证性试验，增加LOD（活体）/FOB（异物）检测功能，提高WPT的安全性。此外缺少统一的技术标准，现阶段全球主要无线电能传输技术有：PMA、Qi、WPC和A4WP，不同的充电标准各方面差异较大，且相互难以兼容。对策：若能将通信频率段统一，确定统一标准将能助推汽车无线充电技术的推广使用。

线圈的建设成本：为保证一定的传输距离和抗横向偏移性能，磁耦合器件采用性能更好且更多的材料，成本略高于有线充电。随着技术的进步及应用的普及，有望逐步降低磁耦合器件的成本。

泊车精度要求高：充电功率和效率受车端和地端线圈之间的相对位置所影响。对策：可从线路设计和标定着手，将系统可容忍的位置误差做到尽可能大，弱化对停车位置精准度的要求。未来，随着自动泊车技术的发展和普及，无线充电可跟自动泊车功能相结合，确保每次泊车以最佳效率充电。

2.4 无线充电方式

无线充电方式有静态充电和动态（移动式）充电两种形式，均基于相同的工作原理，应用于不同的需求场合。原边装置一般铺设于道路中，包括整流电路、逆变电路、发射装置等，副边装置一般位于汽车底盘，包括接收装置、补偿电路、整流电路、滤波电路、负载电池等[4]。

2.4.1 静态无线充电（SWPT）

主要由地面设备和车载设备两大部分组成，地面设备包括发射线圈和功率控制箱，车载设备包括接收线圈和控制盒。近年来，静态无线充电技术逐渐趋于成熟，已开始在一些电动汽车中使用。目前国内外有十多家汽车静态无线充电系统制造商。按照充电设备位置不同，可分为侧面充和地面充，当前较多为地面充。

2.4.2 动态无线充电（DWPT）

利用铺设在地面下的供电导轨以交变磁场的形式将电能传输给运行在地面上一定区域车辆上的接收端的电能接收设备，进而给汽车电池供电[5]。对于在道路上铺设供电系统等基础设施所带来的巨大成本，日本NSK和东京大学在2018年进行的联合研究发现，如果将其安装在十字路口红绿灯前30米的路段，可以明显延长车辆续航。在公共道路上使用DWPT系统的主要前提是确保兼容性由于动态充电可缓解里程焦虑，降低汽车成本和重量，成为新的热门研究领域。动态充电技术当前存在的挑战是有较高的成本投入，需把无线通信技术与实时控制技术等进行有效连结与整合。工程技术上较静态更具挑战性，对于硬件控制的要求要高很多。

2.5 无线充电工作距离

无线充电的安装方式有地埋安装、地上安装及其他安装方式。安装时的工作气隙由车型决定。

3 无线充电方式

最早由尼古拉·特斯拉于100多年前提出，得益于技术的发展，WPT技术重新进入人们视野。目前应用较普遍的为磁共振式和电磁感应式两种。

4 应用现状

4.1 汽车无线充电应用

无线充电的研发始于2010年代，由于在效率和安全性等方面面临挑战，没有得到普及。近年来随着技术的进步及无线充电带来的便利性，宝马、丰田、日产、庞巴迪、美国橡树岭、WiTricity等公司均已开展无线充电技术深入研究并推出了相应产品。我国在世界上率先完成标准编制，实现了无线充电系统的基本规格要求。

4.1.1 WiTricity

WiTricity公司为MIT麻省理工学院于2007年孵化的一家科技公司，在WPT领域拥有超过1100多项全球专利，支持世界各地的供应商和汽车制造商，为新能源汽车打造WPT产品。WiTricity无线充电产品配套特斯拉Model3（Beta版），福特Mustang Mach-E、大众ID.4等。WiTricity推出的无线充电系统DRIVE 11，为磁共振式，功率为11kW，充电效率最高为93%。

WiTricity在中国配套宇通10座小型BEV客车，这是WiTricity首次向商用客车提供无线充电技术。此款小型BEV客车自动驾驶系统为小宇2.0，为L4级别。充电一次可行驶150km。

4.1.2 马勒

2023年日本移动出行展，马勒展示了与西门子合作开发的WPT，马勒透露智能充电是提高纯电车辆可接受度的重要因素之一。展示的WPT系统最大输出功率为11kW，充电效率可达92%，将于不久后投入量产。其中发射线圈制造商为西门子，接收线圈为马勒制造。

4.1.3 普利司通

普利司通也在此次日本移动出行展上展示了轮毂电机无线充电轮胎。为动态无线充电方案，行驶时供电所需的受电天线布置于轮胎内，同时在车轮内外安装了继电器线圈以避免电磁屏蔽。每个轮胎充电功率为10kW，继电器线圈效率约为90%，使用场景为固定线路的公共汽车、卡车及AVG等。

目前量产的WPT车型最大功率为11kW，采用磁共振技术方案可达到90%～93% 的充电效率，较有竞争力，最有希望广泛应用于电动汽车。

4.2 其他应用场景

无线充电的使用范围不局限于乘用车，随着城市电车、电动公交、客车、工矿用车、物流电动小车、电动无人机、电动水下潜航器等移动电动设备对无线充电的实际需求，将极大的扩充了无线充电的使用场景。各大机构及供应商对于无线充电的研究与无线充电设备的开发的关注度逐步提高。

5 总结

无线充电技术在新能源汽车上的应用带来无可比拟的优势，真正实现了动力能源获取的无线化、无感化和智能化。这几个特点更加符合未来发展趋势，有望成为今后的研究热点。

随着新能源汽车市场规模的不断扩大和无线充电技术能力的持续进步，当无线充电能达到高效能和经济性时，未来无需人工充电、无须接触插枪充电，停车即在充电，续航焦虑将不复存在。

将无线充电技术、无人驾驶技术、人工智能技术、5G物联网技术等先进技术整合，将打造未来智慧交通运行模式，可以使人类社会完全进入后现代智能交通时代，真正实现智慧交通、无感出行。无线充电技术在新能源汽车领域的应用，将是未来智慧化交通系统不可或缺的一环。