浅析电动汽车无线充电技术现状及发展趋势

未倩倩，赵凌霄，黄 炘，李 津

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

电动化、智能化和网联化的汽车未来发展趋势已经明确。汽车产业链条上的各方企业都在加速产品研发，抢占市场先机。

电动汽车电能补充方式主要分为传导充电、无线充电和换电3种。换电方式由于其运营成本高、换电模式标准化难和安全风险高等问题，推广阻碍较大；传导充电在电能传输过程中易引发安全事故，同时维护困难、灵活性较差，在雨雪等恶劣环境下充电困难［1］；而无线充电具有更高的灵活性和稳定性，同时还可以实现动态供电，这恰恰解决了目前电动汽车动力电池容量有限而导致续航能力不足这一关键技术问题。同时，电动汽车无线充电技术是无人驾驶技术的支撑基础。无人驾驶是近几年的热点方向，各大科技公司从谷歌、百度、华为到特斯拉等都把无人驾驶技术作为最重要的战略规划。真正的无人驾驶汽车，将不仅包含驾驶无人化，同样将包含能源交互无人化。

本文通过对国内外车企、零部件厂商以及研究机构的研究进展进行总结，提出无线充电目前面临的技术瓶颈和标准测试进展情况，最后对其发展做了进一步展望。

1 国内外现状分析

在国际范围内，各大车企联合无线充电技术供应商，加快无线充电技术研发和产品化的进程。

宝马、奔驰、奥迪等厂家主要研发电磁感应方向的无线充电技术，由于此技术方案要求尽可能小的位置偏差，一般配备车型都配置有辅助泊车系统。2018年6月份，宝马官方发布，全新宝马530e iPerformance的消费者可选装感应式无线充电系统，该系统的充电功率为3.2 kW，大概需要3.5 h［2］。而奔驰计划在新款S500e插电混动车型上应用无线充电技术，充电功率3.6 kW。2017年7月在西班牙巴塞罗奥迪峰会上，奥迪展示了插电混动版本的A8 e-tron quattro，此车型除支持7.2 kW的快充外，还支持3.6 kW无线充电，此车型计划2019年投放市场。保时捷新推出的Mission E采用Turbo Charging无线充电技术，搭载800 V的独有车载充电器，15 min可充80%，续航里程达400 km。

丰田、通用和日产等汽车公司先后联手美国Evatran公司进行无线充电系统方面的研发，日产Leaf和雪佛兰Chevy Volt及凯迪拉克ELR电动车上就装载了Evatran公司3.3kW Plugless L2无线充电系统。WiTricity公司无线充电产品传输功率从3.6 kW到11 kW，传输效率达90%～93%。在2019国际消费类电子产品展览会 （简称CES）上，本田正式发布了Wireless Vehicle-to-Grid无线充电技术。该技术是基于WiTricity DRIVE 11无线充电平台和本田的V2G技术实现的双向能源管理系统，相比传统的无线充电技术，它除了能给车辆充放电外，还增加了向电网回传电力的功能。此届CES上，现代现场演示了一种与自动泊车相结合的无线充电概念技术，并计划2025年推出。

在国内，中兴新能源从2014年和东风汽车公司在湖北襄阳联合打造出中国第一条大功率无线充电公交商用示范线［3］开始，截至到现在，已在全国30多个城市开通了无线充电公交线路。国内无线充电的技术应用主要集中商用客车方面，在乘用车方面还未有量产车型上市。在2016年广州国际新能源汽车充电桩博览会上，北汽联合中惠创智推出国内首创基于磁耦合谐振技术研发的6.6kW级无线充电桩，传输距离达到20 cm （±5），平均传输效率达到90%以上。

在大功率无线充电方面，中兴新能源研发出了具有完全自主知识产权的电动汽车60 kW大功率无线充电系列产品。美国能源部橡树岭国家实验室 （ORNL）研究出了一款用于车辆的120 kW无线充电系统，效率为97%［3-4］。德国庞巴迪公司200 kW无线充电系统，效率高达92%，并可组合为400 kW。

在动态充电方面，沃尔沃提出了一种汽车集电器和公路电缆直连，实现直流充电的动态充电方式，这一充电系统要求车速大于60 km／h，更适合在高速公路上推广［5］。ElectReon Wireless公司利用自主研发的实时无线电气化系统成功地完成雷诺Zoe行驶无线充电测试。测试时采用了多种路况条件，该款无线充电系统的充电传输率达到87%。

2 无线充电关键技术

2.1 技术种类

无线充电系统一般由电源、低端控制单元、地面发射板、车载接收板、车载控制器、动力电池等几个部分组成。常见的无线充电技术包括电磁感应式、电磁共振式、电磁耦合式和无线电波式。无线充电系统框图如图1所示。

图1 无线充电系统框图

1）电磁感应式无线充电

电磁感应式无线充电是目前在电动汽车上应用实例最多的技术，电磁感应式无线充电的媒介为磁场，利用松耦合变压器原理，原边线圈产生高频变换的磁场，副边线圈生成感应电流，从而将能量从传输端转移到接收端，来给负载供电。

2）强耦合电磁共振式无线充电技术

强耦合电磁共振式无线充电技术以电磁谐振原理为理论基础，在发射端和接收端配置相同谐振频率的谐振线圈，当两者距离适当时，给发射端输送与谐振线圈相同谐振频率的驱动信号和能量，两者产生共振，从而进行能量传输。

3）电磁耦合式无线充电技术

电磁耦合电能传输的原理是在发射能量侧和接收能量侧分别设置电极，利用金属板之间的电容效应来实现无线电能的传输［6］，此方式可以穿越金属障碍物，且电磁干扰低。

4）无线电波式无线充电技术

无线电波式无线充电技术，是以无线电波即微波为载体在自由空间内传输能量。无线电波传输因具有“定向、可穿透电离层”等特性，故其传输距离可以很远。

2.2 难点问题

传输效率是目前无线充电面临的共性问题。感应式充电方式传输功率一般可以达到几百瓦，但是传输距离比较近，通常不超过10 cm。且对充电位置要求较高，当车辆端和设备端线圈位置完全重合时，能量效率达到峰值。共振式充电技术的传输距离比普通感应式更远一些，可以达到3～4 m，传输功率可达几千瓦，但充电效率较低，一般在50%左右。耦合式无线充电技术传输距离远于感应耦合方式，可达到几十厘米以上，且效率可达到60%以上［7］。电波充电方式，传输距离远，甚至可以实现航天器与地面之间的能量传输，但是受限于传输功率较小，一般不应用在汽车无线充电系统。

电磁辐射也是无线充电需要解决的技术瓶颈之一。当大功率的车用无线充电设备运行时，电磁波会对周围的生物和电子设备产生影响，甚至会危害人体健康，资料表明儿童相较于成人，更易受到电磁辐射的影响［4］。目前中国汽车技术研究中心有限公司正在开展无线充电对心脏起搏器的影响研究。

大功率无线充电和双向无线充电系统的应用，会造成电网侧电能品质变差，造成谐波污染、电网负荷不均匀等问题，使电网环境变得更加复杂，对供电设施、电动汽车本身都是一个考验［5，8］。

有效的定位引导、活体检测和异物检测存在一定的技术难点，目前很多高校在进行相关方面的研究［9-10］，并申请了技术专利，但对于类似曲别针、大头钉等小型金属物体的检测还很难做到。

2.3 标准情况

目前全球无线充电技术标准主要是QI标准、A4WP标准和PMA标准3种［11］，由各企业联盟制定，主要应用在消费电子领域。

国际电动委员会 （IEC）和国际标准化组织 （ISO）的共同工作组“PT61890”，在推进电动汽车领域的无线充电技术标准化，目前电动汽车无线充电通用要求已于2015年发布，控制通信的标准和电磁场方式方面的标准正在起草中。

美国汽车工程师协会 （SAE），J2954TM工作组推进无线充电技术标准化进程，于2014年即已公告针对EV与PHEV的国际无线充电标准J2954与无线充电通信标准J2847-6，标准规定，标准频率为85 kHz，频带范围81.38～90.00 kHz；输出功率分3个等级，即输出最低功率等级WPT1为3.7 kW，家庭及公共充电场所的WPT2为7.7 kW，用于快充的WPT3为11 kW和22 kW。

中国也在加快电动汽车无线充电技术的标准化进程，目前正在起草无线充电通用要求、互操作性、通信协议、电磁兼容等系列标准。

2.4 测试技术

无论何种技术方式，原边到副边的电能转换效率和X、Y方向的位置偏差、Z方向的隔空间隙以及车辆接收板相对地面发射板的转角有一定的关系。因此，一般无线充电系统具备定位引导作用。此外，金属异物造成的系统发热、电子元件老化造成的系统功能失调等均会对无线充电的功率造成一定的影响。

由于在充电板和接收板之间的区域，磁场强度是最大的。为了防止小动物，如猫、狗等，因长期暴露在高强度电磁场中引发组织损伤，除对无线充电系统的EMC限值进行规定外，一般无线充电系统在开始充电前以及充电过程中实时进行活体监测。当小动物接近充电板时，系统检测到并停止充电；一旦小动物离开，系统能及时恢复充电功能。

在互操作性方面，要求不同类型线圈之间能正常匹配，还要求不同功率等级、不同离地间隙的无线充电系统能向下兼容。

针对以上应用场景，中国第三方测试机构陆续建设无线充电测试能力。中国汽车技术研究中心有限公司已具备国内首个六轴可移动测试平台，可实现功率效率等关键性能测试、异物检测功能测试、保护功能测试、机械结构测试等。测试功率可覆盖3.3 kW、7.7 kW、11 kW、22 kW、30 kW、60 kW甚至更高功率等级。中国电力科学研究院投建无线充电试验室，并于2018年4月开始进行无线充电产品性能和安全测试，2019年开展部件级和整车级互操作摸底测试。

3 发展趋势

1）动态无线充电技术研究。道路基面以下布置充电设施，为行进中的汽车充电，从而使汽车行驶消耗的电能得到及时补充，延长汽车续驶里程。

2）双向无线充电技术研究。在双向无线充放电方面，清华大学、哈尔滨工业大学等几所高校有研究［12-13］，但产品化方面仍属空白。

3）无线充电技术与智能网联技术深度融合，提高整车驾驶性能和用户体验。

4）电磁防护技术研究。电动汽车无线充电系统工作在高频磁场变化下，其电磁辐射水平对生物安全性的影响是公众关注的重要问题。

5）新技术新材料应用研究，提高无线充电传输效率。如以SiC为代表的第3代半导体，以其高频、高耐压和低损耗等特性，为充电设施向高效率、高功率密度和高电压等级方向发展提供了器件级基础。

6）大功率无线充电技术。电动汽车充电时间是电动汽车性能评价的一个关键技术指标，提高充电功率，缩短充电时间有助于提升用户体验。而大功率充电负荷对电网冲击分析及应对策略研究是今后研究重点。

4 总结

本文综述了目前电动汽车无线充电技术研究现状，在对无线充电技术体系、类别和技术特点进行总结和提炼的基础上，概述了当前的研究热点，汇总了各大汽车企业和相关研究机构无线充电技术研发进展。该技术未来发展趋势包括动态充电技术、与智能网联相融合应用、生物安全技术研究以及新材料应用以及新拓扑电路设计等。电动汽车无线充电系统是一种复杂非线性磁电耦合系统，其性能的进一步提升需要在本质科学问题与共性技术体系方面做出更加深入的分析和探索，归纳更具普遍意义的技术方案与控制策略。