浅析无线充电及在汽车上运用

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什么是无线充电?无线充电的原理是什么?电动汽车能否实现无线充电?如何实现?

 

01

电动无线充电原理及关键技术


 

无线充电原理其实就是对特斯拉多年前提出原理的实践,原理为通过高频交变电磁场实现电能的无线传输,发送端和接收端各有一个线圈,能量发射线圈上通数十k频率的交流电,通过磁感应在接收线圈产生高频电流,从而将能量从传输端转移到接收端。

 

从设备层面来讲主要分成了三个部分:第一部分为壁挂部分,380V电压输入,壁挂设备会先把交流电变为直流电,通过PFC变成直流再变为高频交流,即85K高频交流至地面端,经过汽车接收以及镇流过程,再通过BMS最终被车辆接收。无线充电没有任何触点也成为这项充电技术的核心卖点。值得注意的是,地面和车载之间有一个非常紧密的通讯构架构成,需要WiFi来构建整个信息和通讯系统。

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相比无线充电技术,有线车载充电由四部分组成:电表接入系统通过通讯控制线,形成有线充电壁挂,同时延伸一根枪线。其中有线慢充桩由电表接入保护系统、通讯、控制,一块显示屏、一个充电桩保护罩,接上直流电就直接进入车辆BMS。而在无线充电技术中,壁挂就把整个有线的物件都包括了,还多出一个直流变成一个85K赫兹高频的交流信号,再经过包括线圈、磁芯组成的变压器。不仅如此,核心部件还包括条形电路,而无线充电技术难点就在于,如何在偏移和高低的情况下来做到功率高效传输,这个过程中仅仅依靠能量接入远远不够,另外需要有一个条行电路。与之对应的车载部件也一样,需要线圈+磁芯用于接收能量,同时需要电路实现能量高效率接收。


 

以手机充电为例,目前充电效率整体较低,行业水平保持在70%—80%左右。汽车要想做到90%传输效率,以上两个电路就是关键技术。


 

无线充电技术出现伊始意味着无线传输,但随着技术推演其能够实现自动充电,即在无人的情况下实现充电。中兴从2016年以后为此增加了部分辅助功能,其中包括义务检测,通过两个PTC之间磁场,如果充电区域有金属器件就会发热,甚至摩擦,从而实现检测以及设备断电;生物检测,虽然无线充电大部分能量被车载部分接收,但一定会有部门泄漏,虽然目前没有案例证明强大的磁场会对人造成伤害,但这会形成消费者的顾虑。


 

此外,无线充电要在一定范围内才能实现高效充电,目前乘用车前后7.5厘米、左右10厘米的范围高效传输区域。这就需要引导车辆实现精确停靠。在WiFi通讯方面,就是要建立起来地面侧和车载侧的通讯。

 

目前来看,无线充电技术厂家集中攻克几大技术难点:第一,各种场合充电效率如何提升,即功率传输部分如何做好;第二,三大辅助功能如何实现车辆规级应用;第三,如何实现所有功能的集成,因为每个功能在强磁场情况下或者全天候情况下都能得到应用,这也是无线充电技术为什么在业界听到很多年,但无法实现大规模批量商用的技术难点。

 

尽管如此,行业已然要推动无线充电技术,尤其是自动驾驶的特定需求。随着自动泊车在2019-2020年逐步商用,实际场景中充电与人是分离的,这个时候自动充电技术的需求变得迫切。解决方案目前有两种,一种是靠电力电池、空间磁场传输实现能量传输,即无线充电;另一种方式就是机械手代替人手实现自动充电。


 

02

国内加快制定标准 推动无线充电技术产业化


 

任何产业要发展标准化非常重要,特别是对充电来说,既涉及到基础设施又涉及到车辆,标准化之后才能有产业化进程。在标准化这个领域或者相对技术成熟度这个领域,无线充电在一定功率等级走得还是比较快的。

 

国际上将标准分为两大类:第一大类——SAE,类似于美国的行业组织,它对于无线充电抽不了一个标准J2954,目前是世界标准化进程最快的;第二大类是IEC和ISO,欧洲的标准化组织,这个组织分工跟国内非常类似,IEC负责地面车辆段的标准制定,包括地面设备和壁挂设备。


 

目前国内由中电联制定电网侧标准,国内车载侧是由中汽研进行制定,国际上对应的是ISO,由ISO来制定相关车载侧无线充电标准。所以国内标准由中电联+中汽研两个单位牵头,四个相关标准已经颁布,今年还有主要四个标准将要发布。此外还有几个地方标准,包括广东、深圳、上海等地,是由中兴通讯参与完成,当然中兴新能源也是国内无线充电技术标准制定的主要参与单位。


 

此外,SAE由于是行业组织,其制定标准相对不够严谨,IEC和ISO两大标准则相对规范。前面已经提到,IEC做地面侧设备,其中包括61980-1这样的通用要求。无论无线充电怎么定义、如何架构,61980-2都是通讯系统,这部分国内注定与国外有所不同。原因很简单,国外标准基于PTC进行标准汇编,国内则是基于CAN。61980—3则是特殊要求,它会把需要进行互操作设备的详细设计进行定义。


 

因此以上几个标准,包括ISO标准,应该会成为今年9-10月份发布标准中的核心参数、指标、模型。尽快征求企业意见并发布技术标准,无线充电技术商业化进程已经是市场期盼已久的。


 

03

如何实现车辆与地面互操作测试或


 

通过做一个地面线圈,可以对所有车载线圈进行互操作。不过车载部分情况相对复杂,大致可分为三种场景:第一功率为3千瓦、7千瓦、11千瓦三个功率等级,我们称之为WPT1、WPT2、WPT3,车型则包括跑车、轿车、SUV,由于各类车型离地间隙不一样,我们又对应三种隔离地间隙,包括Z1对应对跑车,离地间隙11-15厘米;Z2针对轿车,离地间隙是14-21厘米;Z3离地间隙是17-25厘米。这两个组合就有9种线圈的可能性。


 

所谓互操作的要求就是设计一个线圈,线圈可以是11或者7千瓦,这样需要给这9个不同线圈来进行满功率不同气息以及偏移情况下进行高效率输出,目前设备输出效率达到88%以上,标准要求则可能是85%。此外标准化测试意味着9个标准线圈进行互操作后,能够在任一场景下达到85%以上输出效率,则认定产品符合要求,是符合互操作标准的。至于线圈如何设计、大小、散热问题都不会过多要求,因此也保留了部分技术演进空间。


 

异物检测标准中,主要设备全部在地面侧完成,不会进互操作标准,标准会定义一些典型的物体,比如硬币、酸奶罐、烟盒,如果能够通过设备检测出来,也就意味着产品测试通过。


 

生物检测也就是对场景中生物物体进行识别检测,不过目前国际对于这一标准上已经比较抽象。一个典型的场景就是小孩伸手进去,场景检测出来就达到通过标准。目前进一步抽象为一个5厘米的水球能够在一定范围内运动被检测出来,就认定设备具备生物检测功能。


 

国际上对于无线充电也定了一个安装的位置,就是因为它要进行运营,我只有把这个未指定下来以后后面的很多运营才能做,因为国际上他们的需求比较统一,基本上装在这个车的前侧,为什么呢?国际上特别是欧美,基本上车都是扎进去的,同时在车的前部,整个一辆车的Z轴的变动范围是比较小的,而且离开地区间隙也是比较小的,车的屁股后边的离地间隙是比较大的,而且你的车重载和后备箱有没有东西,变化范围比较大,所以现在国际上的车企基本上非常一致的都是装在车前面,而且是一头扎进去的,所以国际上很好定,他们已经把位置定下来了,这么一个位置。国内我们很多车企都做交流,意见很不统一,因为国内的车都是车尾倒进去的,如果装在车前面,就意味着无线充电PAD在前面了,这样的车位意味着每次停车都要碾压。而且不但设备碾压能力增强,设备要用10年啊,同时还意味着他有一个起来、掉下去,这个时候自动泊车能力是不是会受到影响也是一个问题,一直争议很大,国内一直没有标准化出来。


 

04

无线充电定位用于自动能量补给技术


 

无线充电主要定位用于自动能量补给技术,所以它跟车联网、L2自动驾驶应用融合度是非常高的或者要求融合度非常高。目前有几大阶段:先是车辆在几公里以外,无线充电通过上网引导车辆去寻找某一个充电设施的位置,第一部分在公里级别;第二部分,车辆进入停车场,涉及到充电位分配,车辆会自动连入到停车场网络,通过自动泊车系统来到车位旁边,车辆离设备大概在5-6米的位置;最终车辆停好后做偏移检测判断,在前后7.5-10厘米左右范围内才能够进行比较高效充电。


 

无线充电跟定位的检测是密切相关的,会分一个公里级别的引导,怎么引导到这个停车场,进入停车场以后要连入到停车场的网络当中去,引导到你的充电位上,最后5米内会用一个标准的流程帮你引导到实际的地面侧的PAD之上。

 

无线充电,随着自动泊车阶段性应用或者大家对于便利性提升应用,很多车企和厂家已经做了大量工作。2018年国际一批联合我们做1.0阶段无线充电商用车,这些项目都做了五六年以上。不仅如此,还是存在不支持互操作的问题,地面车和车载车必须是一家厂家提供。从2017年开始,很多车企都在进行2.0产品阶段开发。充电功率等级达到7千瓦,同时支持互操作,就是做到A厂家的地面跟B厂家的车载能够通用起来,这样才能够实现产业繁荣。

 

 

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车用级无线充电方案

罗姆为汽车应用推出了集成NFC通信的无线充电解决方案。该解决方案将ROHM的AEC-Q100合格无线电力传输稳压器IC(BD57121MUF-M)与NFC读取器IC ST25R3914和STMicroelectronics的STM8A系列8位微控制器相结合。

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新型充电解决方案的多线圈设计符合WPC的Qi标准,该标准支持EPP(扩展电源配置文件),并允许模块充电至15 W.该模块可配备各种额定功率。此外,多线圈设计支持大的充电区域,为车辆应用提供一定程度的空间自由度(与单线圈配置相比,充电面积大2.7倍)。因此,消费者不必担心他们的智能手机需要与预定的充电区域完全对齐以进行充电。

 

无线电力传输标准Qi已被欧洲汽车标准集团(CE4A)采用作为车辆的充电标准。据预测,到2025年,大多数汽车将配备基于Qi的无线充电器。

 

NFC通信提供用户认证,其不仅允许蓝牙/ WiFi与信息娱乐系统通信,还允许锁定/解锁门并启动发动机。 NFC还允许车辆设置单独适应多个驾驶员,例如座椅和镜子的定位以及信息娱乐和导航目的地的预设。

 

2019年1月16日至19日在东京举行的第11届国际汽车电子技术展上展出了集成这些解决方案的参考板.Rohmalso计划推出样品参考板。这使用户可以轻松配置与最新Qi标准(EPP)兼容的汽车无线充电器,并结合ROHM现有的Qi认证接收板(BD57015GWL-EVK-002)。

 

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