智能無線充電的技術(shù)及其應(yīng)用

王建輝

摘要：新能源汽車做環(huán)保車輛，越來越被人們認(rèn)識(shí)和接受，充電的方式不僅有之前的有線充電，新興的智能無線充電技術(shù)也走進(jìn)人們的視野。無線充電可以提升智能駕駛的體驗(yàn)，不需要人操作充電，車輛完成自動(dòng)泊車后便自行開啟充電。 本文介紹了國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)情況，分析了磁耦合無線充電的原理，并研究了整車上的應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：無線充電;新能源汽車;磁耦合

中圖分類號(hào)：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）08-0054-04

0 引言

新能源汽車近些年發(fā)展迅速，如何方便的充電是用戶最關(guān)心的問題，也是制約新能源汽車普及的重要因素。當(dāng)前充電方式分為有線充電和無線充電，有線充電在充電連接和撥充電槍時(shí)可能產(chǎn)生火花，影響充電連接設(shè)備的壽命也有安全隱患，同時(shí)有線充電環(huán)境要求較高，雨雪等惡劣天氣時(shí)充電困難。而無線充電發(fā)射端埋在地下，靠電磁場傳輸能量，不產(chǎn)生火花，不產(chǎn)生磨損，解決了安全和維護(hù)問題;另外也不需要人為操作即可充電，大大提升了用戶體驗(yàn)。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外整車企業(yè)如沃爾沃、奧迪、寶馬、奔馳等整車企業(yè)，都已經(jīng)開始研發(fā)或測試無線充電系統(tǒng)。美國WiTricity公司開發(fā)的無線充電系統(tǒng)Drive11，在2018年與寶馬公司合作發(fā)布了搭載了3.3kW的無線充電系統(tǒng)，行業(yè)內(nèi)第一款配置無線充電功能的車型BMW 530e。美國Evatran公司開發(fā)了PLUGLESS無線充電系統(tǒng)，并為特斯拉Model S、日產(chǎn)LEAF、寶馬I3、雪佛蘭volt等車技術(shù)支持，已實(shí)現(xiàn)3.6kW和7.2kW的無線充電功率。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)的無線充電技術(shù)與國外技術(shù)差距越來越小，東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校、中國科學(xué)院和科研機(jī)構(gòu)已開展多年的研究，在磁耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電磁兼容性，負(fù)載識(shí)別，異物檢測等多個(gè)技術(shù)方面取得了突破和創(chuàng)新。國內(nèi)多家企業(yè)開發(fā)出無線充電系列產(chǎn)品，如有感科技、安潔無線、中興新能源汽車、華為科技、中惠創(chuàng)智等，覆蓋功率：3.7kW、7.7kW、11kW、30kW及以上。

國家的無線充電標(biāo)準(zhǔn)化工作分四個(gè)步驟：優(yōu)先制定無線充電的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，為產(chǎn)業(yè)提供發(fā)展環(huán)境;加快制定無線充電互操作標(biāo)準(zhǔn)，為產(chǎn)業(yè)提供應(yīng)用條件;試點(diǎn)制定無線充電產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，為產(chǎn)業(yè)提供推廣基礎(chǔ);制定無線充電運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)，為產(chǎn)業(yè)提供服務(wù)準(zhǔn)則。

關(guān)于無線充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布4項(xiàng)，《電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》、《電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)第2部分：車載充電機(jī)與充電設(shè)備之間的通信協(xié)議》、《電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)第3部分：特殊要求》、《電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)第4部分：電磁環(huán)境限值與測試方法》。該標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)18 項(xiàng)，規(guī)范了電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)在公共以及私人應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)要求、性能要求、功能要求、安全要求、通信協(xié)議、測試要求及試驗(yàn)方法、互操作性要求及測試方法、施工驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)等。

2 無線能量傳輸?shù)募夹g(shù)發(fā)展

2.1 電磁感應(yīng)式無線能量傳輸

電磁感應(yīng)式的運(yùn)用是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，可以把這項(xiàng)技術(shù)理解成分離式變壓器，一般壓器由一個(gè)磁芯和初級(jí)線圈、次級(jí)線圈組成;當(dāng)初級(jí)線圈加上一個(gè)交變壓電壓時(shí)，磁芯感應(yīng)出交變磁場，次級(jí)線圈感應(yīng)出相同頻率的交變電壓，即實(shí)現(xiàn)了能量傳輸?shù)男ЧＨ绻寻l(fā)射線圈和接收線圈分開，當(dāng)交變電壓加在發(fā)射線圈產(chǎn)生了磁場，磁場穿過接收線圈、就產(chǎn)生電壓，這樣實(shí)現(xiàn)了無線能量傳輸[1]。

目前市場上較成熟的無線充電方式是電磁感應(yīng)WPT方案，新西蘭國家地?zé)峁珗@旅客電動(dòng)運(yùn)輸車（充電功率30KW）是比較典型的應(yīng)用之一，以及Splashpower公司的無線充電機(jī)等，電磁感應(yīng)式WPT不僅能夠運(yùn)用在小功率電子產(chǎn)品中，還可在大功率EV無線供電系統(tǒng)運(yùn)用。但電磁感應(yīng)WPT技術(shù)的主要缺點(diǎn)是傳輸距離短，隨著傳輸距離的增大，發(fā)射接收線圈錯(cuò)位，效率都會(huì)驟然下降， 在汽車上應(yīng)用難度大。

2.2 電磁共振式無線能量傳輸

磁共振技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的傳輸距離，支持?jǐn)?shù)厘米至無線充電。磁共振要求發(fā)射線圈和接收線圈的諧振頻率相同，發(fā)射線圈通電后產(chǎn)生磁場;接收線圈與之發(fā)生共振，產(chǎn)生的電流整流后就可以為汽車動(dòng)力電池充電。除了傳輸距離較遠(yuǎn)外，磁共振方式還可以同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行供電，并且不嚴(yán)格限制負(fù)載設(shè)備的位置，相對(duì)磁感應(yīng)方式更加靈活。在傳輸效率方面，磁共振方式可以達(dá)到90%以上。

2007年，美國MIT Soljacic的研究小組使無線能力傳輸有了突破性進(jìn)展，點(diǎn)亮了距離兩米外的60W的燈泡，傳輸效率達(dá)到了40%，這個(gè)技術(shù)就是電磁共振式WPT。我開展WPT研究稍晚，2011年10月在天津召開了“無線電能傳輸技術(shù)”專題研討會(huì)，2014年在南京召開了“無線電能傳輸技術(shù)與應(yīng)用國際學(xué)術(shù)會(huì)議”，探討了當(dāng)前無線電能傳輸技術(shù)的新進(jìn)展和當(dāng)前研究中的問題。2018年啟動(dòng)了無線充電標(biāo)準(zhǔn)體系建立。

3 智能無線充電系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)

3.1 基本原理

整個(gè)無線充電系統(tǒng)主要包括：功率傳輸控制器、地面端通信單元，功率接收控制器、車載控制單單元以及原、副邊接收設(shè)備[2]。

功率傳輸控制器：用于輸出端的功率控制，將電網(wǎng)的工頻交流轉(zhuǎn)換成為高頻交流，驅(qū)動(dòng)原邊設(shè)備，并能根據(jù)地面控制單元的指令，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車對(duì)整個(gè)無線充電的控制，控制器具備功率檢測單元，可以時(shí)時(shí)檢測輸入功率，并由通訊模塊發(fā)給車端。

功率接收控制器：用于車載端功率控制，對(duì)副邊設(shè)備輸出高頻交流整流并按BMS的控制指令完成執(zhí)行充電，控制器輸出端有功率檢測單元，可以時(shí)時(shí)檢測輸出功率，并由通訊模塊發(fā)給車端，單片機(jī)計(jì)算輸出與輸入功率的比值，如效率低于設(shè)定值提時(shí)用戶調(diào)整車輛位置。

地面、車載通信控制單元：通訊控制器，分別對(duì)功率傳輸器和功率接收控制器進(jìn)行控制管理功能。

3.2 控制傳輸控制器硬件原理設(shè)計(jì)

控制傳輸控制的硬件包括功率因數(shù)較正電路和DC/AC轉(zhuǎn)換電路，由于功率因數(shù)較正電路與連接電網(wǎng)的相同功率等級(jí)的用電設(shè)備原理相同，成熟度較高，不做研究。

DC/AC轉(zhuǎn)換電路的振蕩頻率選為典型的85kHz，PWM的驅(qū)動(dòng)源由UCC2895實(shí)現(xiàn)，全橋逆變電路中的MOSFET選用東芝的TK20D60T，最大漏-源電壓VDSS為600V，導(dǎo)通電阻0.165Ω，最大的柵極-源極VGSS為30V。驅(qū)動(dòng)芯片選用TI的UCC27324，驅(qū)動(dòng)芯片后面接脈沖變壓器然后驅(qū)動(dòng)半橋。

3.3 功率接收控制器原理設(shè)計(jì)

副邊設(shè)備的電流為85kHz交流電，經(jīng)過整流橋整流和C2濾波，成為直流電;G1、G2、L2、C3形成一個(gè)BUCK電路，通過調(diào)整G1的占空比，調(diào)整輸出電流和輸出電壓。Vfb信號(hào)經(jīng)過處理之后連接單片機(jī)，單片機(jī)得到實(shí)時(shí)的輸出電壓;Ifb經(jīng)過RC濾波、放大后連接單片機(jī)，單片機(jī)得到實(shí)時(shí)輸出電流，最后單片機(jī)可以計(jì)算出接收端的實(shí)時(shí)輸出功率。當(dāng)充電過程中動(dòng)力電池出現(xiàn)異常，急需斷開輸出，只需給G1驅(qū)動(dòng)低電平，不需要從原邊停止輸出，起到了快速保護(hù)效果，參見圖1所示。

3.4 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

控制芯片選用英飛凌XC886，采用兼容8051處理器的XC800內(nèi)核。此外，由于XC886具有XC866的所有功能，因此可以方便地進(jìn)行從XC866到XC888的程序移植。主要特性包括：I/O為5.0V供電，上電自動(dòng)復(fù)位;可編程16位看門狗定時(shí)器;六個(gè)端口：多達(dá)48個(gè)數(shù)字I/O;8通道、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC;同步串行通道SSC;兩個(gè)全雙工串行接口UART和UART1，綜合以上基本滿足功能要求。外圍接口通過英飛凌的提供的軟件工具DAvE配置，提高了軟件設(shè)計(jì)的效率，可以設(shè)置的外圍接口有：GPIO、UART/UART1、CCU6、MultiCAN、ADC、SSC和JTAG。

4 測試結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)溫度：20℃。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：示波器泰科TDS3034C，電源分析儀PM3000，F(xiàn)LUKE數(shù)字萬用表，PCAN等。

負(fù)載：電動(dòng)車。

待測試設(shè)備：無線充電系統(tǒng)一套，含：車載、非車載功率組件（相同的殼體結(jié)構(gòu)）。

4.2 測試結(jié)果

首先對(duì)智能無線充電系統(tǒng)做了臺(tái)架測試，如圖2所示，包括基本的功能和性能;主要功能如，地面端和車載端的通訊，故障診斷及顯示，待機(jī)喚醒功能等，都滿足了整車功能要求。性能方面如，功率因數(shù)達(dá)到98%以上，電磁騷擾滿足國家要求，功能樣機(jī)功率≥3.3kW;無線傳輸距離汽車底盤到地面的距離：182～258mm等，關(guān)鍵參數(shù)滿足應(yīng)用需求。

基于整車的無線充電系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了車載端功率控制單元可以對(duì)動(dòng)力電池充電，充電過程中的電流、電壓及溫度等信號(hào)的顯示，整車無線充電系統(tǒng)不同偏移量時(shí)的充電效率參見圖3所示。

5 總結(jié)與展望

5.1 全文總結(jié)

本文以新能源汽車的快速發(fā)展和有線充電的技術(shù)問題為背景，以智能無線充電系統(tǒng)為研究對(duì)象。研究的內(nèi)容包括新能源的國家政策、市場前景，無線充電的標(biāo)準(zhǔn)和充電發(fā)展方向，功率傳輸、功率接收控制單元等關(guān)鍵的電路，無線充電系統(tǒng)臺(tái)架測試及基于整車的調(diào)試，最后實(shí)現(xiàn)了在182～258mm內(nèi)，輸出功率3.3kW，充電效率達(dá)到85%～89%。

5.2 展望

無線充電產(chǎn)業(yè)在2020-2025年會(huì)快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)無線充電商業(yè)化運(yùn)營[3]，2025年后，隨著智能駕駛產(chǎn)業(yè)成熟，無線充電會(huì)有大量的市場需求，大大提高了電動(dòng)汽車的駕駛體驗(yàn)。在產(chǎn)業(yè)化成熟之前，智能無線充電項(xiàng)目如，專用場站、立體車庫、示范試點(diǎn)等開始發(fā)展。目前各整車企業(yè)在無線充電領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備還不夠，車載設(shè)備在整車上的布置，熱管理方案，無線充電系統(tǒng)與整車匹配策略，無線充電系統(tǒng)與自動(dòng)汽車的匹配還需要大量的測試和驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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