电动汽车无线充电功能设计

电动汽车无线充电功能设计

沈海玲

麦格纳斯太尔汽车技术（上海）有限公司201807

摘要：近年来我国电动汽车数量快速增长，这对电动汽车的充电方式多样化和方便性提出了更高要求。电动车的充电设计是电动汽车设计中非常重要的一部分，本文提出了对电动汽车的无线充电功能的设计理念和具体方法，在现有的电动车功能基础上进行具体介绍和功能完善。

关键词：无线充电 电动汽车

1.简介

电动汽车在节约传统能源、减少环境污染的大背景下，受到了世界各国政策的扶持和大力推广。而传统发动机节能减排技术和新能源技术的应用，让世界各国的汽车制造商们站在新的赛道上，尤其对于我国，这也是低碳经济的重要部分，是我国战略性新兴产业[1]。实际上，我国2022年电动车的销量，比亚迪超过了特斯拉，并远超其它电动汽车品牌。刚过去的2023年第一季度，比亚迪的新能源乘用车达到20万多，是特斯拉中国的2倍多，如图 1，占整个新能源汽车市场的三分之一多，比同期增长了98%，而特斯拉在中国的3月份销量也接近9万辆。与此形成对比的是，国内燃油车销量从2018年开始出现负增长后连年下跌，和新能源汽车销量的大幅增长形成鲜明对比。

电动汽车的销量快速增长，用户对于电动汽车的更多使用会对电动汽车的产品技术迭代起到促进的作用。而对于电动汽车的充电方式，现有的交流充电和直流充电方式各有其优缺点，客户必然会对其便利性和稳定性提出更高的要求[2]。电动车的充电设计是电动汽车设计过程中非常重要的一部分。其中，交流充电和直流充电都是有线充电，电动车的无线充电则是通过非接触的方式为高压动力电池提供电能补充。无线充电技术相比传统的有线充电技术来讲有着简单、灵活和安全等优势，其中电磁耦合谐振式无线充电技术以传导间距远、传导效率高、抗偏移能力强等优势被大家广泛研究[3]。

图 1 国内2023年第一季度新能源乘用车销量

2.无线充电原理

电动汽车的无线充电技术以地下供电轨的形式，通过高频交变磁场将电能传输到地面上的车辆电能接收端，为车载储能设备供电。这可使电动汽车配备少量电池组，延长续航里程，并提供安全方便的电源更换。但对于无线电能的传输，车辆必须运行到一定范围内，以使电动汽车的无线充电通过高频交变磁场的方式有效地传递给感应线圈[4]。

电动汽车的无线充电功能设计中，充电导轨的结构设计是很重要的一部分，按照导轨形式分可分为单级和多级导轨模式[5]。在系统运行期间，单级导轨供电模式下只有一个导轨和一套能量转换装置在一次回路中工作。单极导轨是可以实现功能的无线充电单元，而在实际设计过程中，无论是出于功能冗余机制还是功能模块化或者能量容积的考虑，往往会设计多级导轨。电网输出电能，并通过每个供电轨的相应功率转换装置转换为高频交变电流。多个导轨组的设计可以方便无线充电功能的模块化控制和维护，提高系统稳定性。此外也可以根据实际需要加装多层导轨[6]。

3.无线充电设计及应用

受自然环境、硬件材料、接口标准等因素的影响，目前电动车的充电便利性还没有传统燃油车加油那么方便，这对电动汽车行业的大规模发展起到了限制作用。而无线充电技术的应用对这些问题有了一个很好的补充方案，因为在充电过程中不需要直接接触，避免了对统一充电接口格式的需要，而且使用方便安全。

电动汽车的几种基本的充电方式有交流慢充和直流快充，部分生产产商提供自己的换电池服务，均属于有线接触充电。交流慢速充电方式由交流充电桩提供，车载充电器完成交直流转换，充电功率一般不高，充电时间一般为5-8小时；直流快速充电方法是通过直流充电的方式，充电效率较高，通常在30分钟左右；换电池则是将车辆上电量几乎耗尽的的电池组整个更换为充满电的电池组，通常在10分钟内。

在电动车充电设计的时候，这几种方式会同时存在，但是不能在同一时间使用。在我们对高压电池车辆进行概念设计时，会结合客户的需求与当前最先进的技术，形成功能定义。电车的高压电池充电可以通过过程控制使用以下方法实现：1）通过电车充电桩EVSE实现；2）支持快充，系统可以在中控屏幕HMI上选择直流电快充。3）同一时间不能用两种充电方式，比如任何有线传输（有线或无线）的充电时不能同时进行无线充电。

随着充电标准的不断完善和充电技术的提高，电动车的牵引电池充电过程中都需要进行过程控制。比如高压电池充放电过程中需要遵循以下目标：1）传输能量给电器应用-也被称作V2L（车到负载）；2）放电过程仅仅在交流电时使用，直流电不适用。但是，高压充电不包括：1）充电过程控制不包含刹车能量回收；2）放电过程控制也不包含为其它电器充电比如低压电池的充电等；3）零件的热管理和热保护不在此范围。

对于不同国家和地区，也有响应的标准需要遵守。对于高压电池充电，需涵盖下列AC/DC充电标准：比如美国地区CCS1用Type1或者Combo1车辆接头，参考SAE J1772 (2017)；而欧洲地区 CCS2用Type2或者Combo2车辆接头，参考IEC 61851-1/22/23/24；还有一些国际标准则都需要参考和遵守，比如IEC 62196-3:2014，DIN 70121，ISO 15118-1/2/3/4/5/20 。这些标准中明确定义了充电的接口、充电的模式和充电的控制等等。

对于无线充电功能，在参考SAE J2954等国际标准的同时，它必须具备：1）识别无线充电站点位置；2）提供实际位置和充电位置之间的相对距离；3）引导驾员去无线充电的有效位置。辅助信息会以坐标形式显示在中控屏上，以此引导驾员将车精确地停在车辆充电板上。

图 2无线充电功能模块

如图 2无线充电功能模块，驾驶员在发出无线充电定位请求后，控制模块会计算车辆实际位置与充电位之间的距离，引导车辆行驶至有效范围内。对于无线充电的模块来说，其输入是导航系统激活请求[环境]和地表充电单元位置 [环境]，输出是给到驾驶员结果通知、检测到的充电定位以及车辆位置是否在充电范围内。

4.技术展望

目前，电动汽车的充电仍主要基于交流或直流有线充电，因为有线充电技术具有一次性能量转换、能量损失小、节能环保的特点。而且充电桩、充电器等充电设备的技术门槛不太高，经济投入也不大，便于维护。然而，有线充电的缺点是充电设备的移动处理和电源的长引线使手动操作变得繁琐。无线充电技术与有线充电技术相辅相成，具有使用方便快捷安全等优点，但仍处于研究探索阶段，在实用性方面还有很多工作要做。作为目前交流慢充和直流快充方式的一种补充，这项技术肯定会得到不断完善。此外，智能电网的基础设施建设，无线充电设备的不断完善，都会促进电动汽车的大规模应用。

参考文献

[1] 刘尚江，沈艳霞, "磁耦合谐振式无线电能传输系统频率跟踪研究," 电力电子技术, vol. 02, p. 015, 2019.

[2] 单浩, 基于多级导轨模式电动汽车不停车供电系统研究, 重庆: 重庆大学, 2015.

[3] 崔硕, 基于频率跟踪的磁耦合谐振式电动汽车无线充电技术研究, 济南: 山东大学 工程硕士论文, 2019.

[4] 李斌, 刘畅, 陈企楚, 林晶怡 and 邓小元, "电动汽车无线充电技术," 电力工程技术, pp. 81-84, 28 3 2013.

[5] 杨帆，张慧芬，胡明月，曲振明, "谐振式电动汽车无线充电系统频率分裂抑制方法," 电气自动化, Vols. 9-13, p. 5, 2022.

[6] 范天骋，张越，陆一凡, "无线充电技术在电动汽车上的发展现状及趋势," 时代汽车, vol. 1, pp. 109-111, 2023.