在電動汽車充電是推動能源轉型的關鍵點的世界中，其他解決方案可以與電動充電站一起出現。一種這樣的解決方案是無線充電。無線汽車充電是智能手機充電的增強版，但有幾個不同之處。“無線感應充電使電動汽車［EV］ 無需電纜即可自動充電，”Plugless Power 首席執行官 Michael Rai Anderson 在接受《電力電子新聞》采訪時表示。

“從技術上講，一切都是可擴展的；然而，隨著功率傳輸速率的提高，電源管理電子設備的復雜性和尺寸必須增加，”他補充道。“更重要的是，隨著功率的增加，需要考慮許多其他因素，例如熱損失和熱管理。效率越低，功率越大，熱量損失就越大，必須采取更多措施來管理熱量。”

Yole Développement （Yole） 電力電子和電池首席分析師 Milan Rosina 博士表示，EV 充電需要更高的電壓、功率和能量傳輸量。因此，技術、安全、成本和環境挑戰更為嚴峻。“雖然無線充電器和智能手機經常緊密接觸，但很難將車輛準確定位在充電器上方，充電器（發射器）與安裝在車輛上的接收器之間的距離要大得多，”他說。

Rosina 指出，這導致實際條件下能量傳輸效率低下。但是，降低成本和熱管理挑戰以及減少無線充電對環境的影響需要高效率（圖 1）。

此外，電動汽車充電所需的高電壓和高功率給無線充電系統的安全性和成本帶來了額外的挑戰。“無線充電還需要將額外的充電器集成到車輛中，這會增加車輛成本，”羅西娜說。“在公共場所安裝電動汽車無線充電器也伴隨著許多挑戰。新一代無線充電器的升級比有線充電器更復雜。自主充電往往被呈現為一種便捷甚至自動化的充電方式。事實上，自動駕駛汽車最好使用一種自動充電，而無線充電在這里似乎是一個很有前途的選擇。但也有幾家公司開發了自動化解決方案，例如電池更換、機械臂充電、或自動移動充電系統。一旦對自動化解決方案的需求變得緊迫，此類解決方案將與無線充電競爭。”

圖 1：無線充電挑戰（來源：Yole Développement）

UnitedSiC 業務發展總監 Andy Wilson 認為，無線充電的早期采用者將是商用車輛（公共汽車、送貨車、出租車），它們希望通過無線充電來提供快速補充充電以擴展車輛行駛里程。“這些補充充電事件發生在車輛停在常規休息點的短時間內，”他說。“與住宅無線充電相比，這種動態將需要更高水平的電力傳輸，在住宅無線充電中，充電可以在低得多的功率水平下在一夜之間發生。

“為了能夠支持商業補充充電的高功率要求，共振磁感應必須以相對較高的頻率發生，這需要更快的開關設備，”他補充道。“這些要求正好體現了寬帶隙 ［WBG］ 半導體器件的優勢。”

安森美半導體企業營銷和戰略經理 Ali Husain 表示，一些無線充電系統聲稱功率高達 20 kW，從插頭到電池的效率為 94%。“諧振頻率通常高達 100 kHz，因此 WBG 的快速開關適用于這些系統，”他說。

電動汽車充電解決方案

在談到電動汽車時，有多種方法可以為車輛“補充”能量，包括電池充電、電池更換和加氫（圖 2）。Rosina指出，加氫用于氫燃料電池電動汽車，這在電動汽車市場中占極小的一部分。在更換電池的情況下，通過結合使用計算機視覺和無線通信，該站可以識別要更換的每個電池模塊的確切位置。我們在 EE Times 上更深入地介紹了這個主題。

圖 2：如何為電動汽車注入能量（來源：Yole Développement）

“為了達到政府嚴格的 CO 2減排目標，車隊的電氣化已成為強制性要求，”Rosina 說。“雖然存在不同程度的電氣化，但只有通過‘強電氣化’——在電動汽車和插電式混合動力電動汽車中，才能實現必要的減排。”

圖 3：EV/HEV 分類

通過電纜進行傳導充電包括手動連接充電站和車輛之間的導體。根據電纜的尺寸，電流會流過這個有線連接，從而實現非常高的充電容量。這種充電方式的主要優點是：

降低基礎設施成本

高功率傳輸效率

高速充電的可能性（但增加成本）

維護要求低

幾乎沒有電磁輻射

這種充電方式的主要缺點是：

需要人工干預才能解決沒有自動化流程的相關缺點

電纜占用停車區的空間

對于上述所有優點，傳導充電肯定會在未來很多年繼續用于全電動汽車。根據 Yole Développement 的《2021 年插電式電動汽車直流充電》報告，直流充電器市場將在 2020-2026 年以 15.6% 的復合年增長率增長，到 2026 年將達到約 440，000 臺。但是，要克服其劣勢，需要很可能在不久的將來，我們還將看到具有與該技術相關的不同類型自動化的系統。

“無線充電解決方案仍處于早期發展階段，面臨許多挑戰，”羅西娜說。“在可預見的未來，‘電線’或‘電線’充電解決方案是并將繼續是電動汽車的主流充電解決方案。為了避免與通過充電電纜和連接器傳輸非常大的電流相關的挑戰，已經開發了受電弓解決方案——主要用于電動公交車充電。”

威爾遜指出，無線充電既需要基礎設施投資（發射器墊），也需要車輛投資（接收器墊）。“對于日常行駛里程要求超過車輛電池容量的商用車，在日常停車期間全天接收補充充電的能力可以彌補這一差距，”他說。“這個范圍擴展價值提供了商業案例來證明支持無線充電所需的投資。對于私人乘用車來說，無線充電的主要價值是方便。對于大多數人來說，他們愿意為便利因素支持的投資相對較少。出于這個原因，我們認為在解決這個市場之前需要大幅降低成本。”

Anderson 指出，目前的方法是基于有線充電設備，“但從長遠來看，此類設備并不實用，因為它們固有地會造成旅行危險，容易損壞，并且需要駕駛員插入車輛，即使天氣惡劣。

“無線感應充電部署的歷史研發主要集中在發射和接收線圈上；然而，目前的研發工作更側重于通信、用戶界面和感官陣列，”他補充道。

與無線充電相關的安全挑戰與有線充電相關的安全挑戰沒有什么不同。需要類似的軟件協議和加密來提供系統安全。Anderson 表示，對于給定的功率輸出（即 3.3 kW、7.2 kW、11 kW），充電時間將相對相似。

從電動自動駕駛汽車的角度來看，在汽車中實施無線充電的第一個挑戰是通過通用標準采用。“現在 SAE 已經發布了它的第一個標準 ［2020 年 10 月］，我們已經邁出了第一步，”安德森說。“我們現在需要消費者要求無線充電可以提供的便利和價值主張，以確保電動汽車 OEM 開始采用“無線就緒”或“無線功能”電動汽車。但是，應該注意的是，無線充電可以實現自主。事實上，人們普遍認為，沒有無線充電技術就沒有無人駕駛。”

SAE International 發布的 SAE J2954 和 SAE J2846/7 標準制定了規范能量交換的標準，可充電功率高達 11 kW，效率為 94%，板車距離可達 25 cm。相同的系統可以應用于自主基礎設施，專為能夠自動停車和充電的汽車而設計。

技術

第一個提出“無線”電能傳輸理論的人是 1896 年的尼古拉·特斯拉。其工作原理類似于變壓器，并基于磁感應定律。稱為發射器的初級電路會產生隨時間變化的磁場。次級電路接收這個字段，稱為接收器，它連接到要供電的設備。要考慮的最重要參數當然是兩個電路之間的距離及其對齊方式。對齊不良和相對較大的距離會降低性能并使能量傳輸效率低下。

磁感應充電使用兩個墊子之間的能量交換，一個位于地面，另一個位于車輛下方。充電板（在地面上）大約為 1 m 2，而接收板（在車上）則被封閉在一個小裝置中。除了可選擇安裝在車輛上的充電墊外，基礎設施還包括感應充電站。

接收器（接收線圈）放置在車輛底部，而幾個充當發射器的線圈則嵌入路面。后者由電能供應。其工作原理如下：路面中的線圈通過電流產生磁場。磁場確保車輛上的線圈接收到該磁場并將其轉換回電能。產生的能量用于為運行電機的電池充電。

Husain 說，所有主要技術都基于發射線圈和接收線圈之間的諧振耦合。“在這種方法中，接收線圈非常適合發射頻率，以最大限度地提高通過無線充電間隙傳輸的功率，”他說。

安德森指出，接收天線安裝在車輛底部。“它的位置需要支持與發射器天線的鏡像接口，”他說。“與確保與發射器天線的正確接口相比，汽車下方的實際位置并不重要。實際尺寸由設計功率傳輸率決定。對于電動汽車的外殼，天線的尺寸范圍為 24 × 30 英寸，任何特定尺寸為 ±6 英寸。天線的寬度范圍為 1.5 到 4 英寸，具體取決于相關電力電子設備的性質。”

基于相同的原理，移動無線充電是固定充電的替代方案。這個想法是在瀝青下方幾厘米處安裝充電線圈，通過非常高頻的磁場，可以在汽車行駛時為它們充電。為了使系統工作，車輛必須使用兼容的系統進行改裝。

能源管理

充電管理類似于當前的充電方法，通過有線充電器，通過 EV 的電池管理系統。不過，安德森指出，即使在這種情況下，充電管理也可能會因無線充電設備的功率輸出情況而略有變化。

“關鍵是要明白天線之間的通信是基于直流電源；由于來自電網的電力是交流電，因此發射器天線必須將電力轉換為直流電，”安德森說。“接收器天線接收直流電源，然后可以轉換回交流電以與插入式接口使用的相同電氣基礎設施接口或保持直流電直接與直流電池管理系統接口。每次必須將電源從交流轉換為直流或從直流轉換為交流時，效率都會略有下降。因此，大多數無線充電設備將以大約 92%、±2% 的效率運行。然而，這并不比有線充電設備低得多。有線充電往往提供 96%，±2% 的效率。”

Husain 補充道：“在接收天線諧振耦合后，電源是交流電，需要進行轉換才能給電池充電。接收天線之后的下一階段可能是無源（二極管）或有源（MOSFET）整流。有源整流具有較低的損耗，但需要更仔細的控制，并且相對于硅器件而言通常更昂貴。然而，整體系統成本可以更低，因為更低的損耗可以允許更小的散熱器或冷卻系統。在對電源進行整流后，通常會有一個升壓級，它提供隔離并使電壓電平與電池及其充電狀態保持一致。”

注意事項

電動汽車正逐漸主導電氣化，但續航里程仍然是一個非常困難的問題，政府法規的問題也是如此。Husain 說：“無線充電更容易，對用戶來說幾乎是透明的，但有線充電更直觀，人們可能喜歡插入汽車的感覺。無線充電不會比使用車載充電器的交流充電快，通常為 11 kW 至 20 kW，但快速直流充電將達到 300 kW 以提供非常快速的充電。我們還需要很長時間才能讓無線充電成為基礎設施的一部分，并讓每個人都可以選擇使用它、付費并感到安全。”

為了讓每個人和任何地方都能進行無線電池充電，需要創建感應充電站網絡，充電板嵌入路面。駕駛時感應充電是電動汽車的主要選擇。今天唯一可以確定的是，快速充電站網絡正在不斷擴大，隨著充電方式的發展，為電動汽車充電將變得越來越容易。

一段時間以來，以色列公司 Electreon Wireless 一直致力于無線充電。在接下來的幾個月里，計劃在特拉維夫進行第一次正式測試，在 2 公里長的柏油路下安裝充電板，電動巴士將能夠在行駛中充電。電動卡車在公共道路上的無線充電是無線電動道路技術商業化的一個重要里程碑（圖 4）。

圖 4：瀝青下的充電板

圖 5：WiTricity 的磁共振技術（來源：WiTricity）

Genesis 將在其 eG80 型號和代號為 JW 的新項目中看到提供無線充電技術。該技術將通過合作伙伴 WiTricity 實施，并將基于上述最新的 SAE J2954 標準。無線充電器的真正部署可以從 2021 年下半年開始，因為當前的技術需要新的建筑物與當前的攤位分開。Genesis 還在開發 7 千瓦和 11 千瓦的家用充電器，使客戶能夠在他們的家庭車庫中進行無線充電（圖 5-6）。

圖 6：配備無線充電的 Genesis 汽車

WiTricity 的高效 3.6 至 11 kW EV 充電開發系統為汽車制造商、一級供應商和充電基礎設施供應商提供可互操作的無線充電系統設計。WiTricity 的高效設計和架構已被納入由 SAE International 和 IEC/ISO（國際）牽頭的全球標準化工作；DKE 和 STILLE 項目（德國）；和 CATARC（中國）。WiTricity 的首席執行官亞歷克斯·格魯岑 （Alex Gruzen） 在他的網站上指出，自動駕駛電動汽車是個人出行的未來：“但沒有司機，誰來給汽車充電？答案很明確：沒有插頭，沒有電線。”