论电动车无线充电系统的设计

论电动车无线充电系统的设计

狄新辉

英飞凌科技，上海 200003

摘要：电动车辆充电的替代方法之一是采用无线充电，无线充电取消了和车辆连接的充电线缆，改用能量无线传输的方法为车辆提供充电服务。车载无线充电控制器是由车载部分和非车载部分构成，其中非车载部分是能量的发送端，它负责把能量安全可靠的发送到车端，而车载部分则用于接收能量，并转换为电池充电所需的电压和电流，它们之间一直保持无线通讯，可以及时的调整充电策略以及快速进入系统安全保护。

关键词：电动车 无线充电 能量传输

1引言

电动汽车充电站的部署成本昂贵，且许多充电站的充电装置，都是用一根导线将充电桩连接到车辆，使用起来比较麻烦。对于很多人来讲，如果电动车能像智能手机、耳机、鼠标一样实现无线充电，无疑会令车辆使用变得更加便捷。采用无线充电可以在一定程度上延长汽车行驶的里程数和耐久度，也更加的安全便捷，在行车过程中给驾驶员更多的安全感。ⁱ

快速增长的市场需求，需要电动汽车使用更方便、可靠的方式给电池充电。无功率传输（WPT）技术不要求车辆和电源之间有接触，从而克服了不便以及传统导电易造成的危害。本文对当前的WPT技术进行了系统性技术分析，详细描述了车载无线充电系统的构成。介绍了无线充电系统在车载端和非车载端的设计，为进一步推进无线充电技术提供了技术参考。无线充电技术提供了一种更安全、高效、便捷的充电方法，这一技术或将彻底改变人们的生活方式。

2.汽车无线充电核心技术概述及特点

通常来说无线充电实现的方式主要有三种：1）电磁感应式 2）无线电波式 3）磁场共振式

电动汽车广泛使用的是磁场共振式，使用磁共振技术通过磁场在两个谐振线圈之间传递能量。磁共振（MCR）技术要求发送和接收线圈都以相同的谐振频率工作，从而实现更高的能量传输效率。

2.1 电动车无线充电系统架构

电动车无线充电系统的整体架构有主要有四大部分组成：

1. 壁挂式充电控制器

2. 地面磁耦合线圈

3. 车载磁耦合线圈

4. 车载整流控制器   

如图所示壁挂式无线充电控制器配合地面安装的磁耦合线圈一起工作，控制器通过线圈向外传输无线能量，车载线圈接受无线能量，然后再通过车载整流控制器把输入的电压和电流装换成高压电池需要的电压和电流，同时整流器也能按照电池需要的充电模式进行充电。

2.2无线充电的车载组件

2.2.1车载组件的构成

无线充电的车载组件主要有两个部分组成：1.车载耦合线圈；2车载整流控制器 。通常设计车载组件的时候会考虑不同的功率等级，常规的有3.3kw，7kw，11kw，每种功率等级所设计的耦合线圈的尺寸随充电功率增大而增大，同时整流控制器也要根据功率等级相应的要求更换功率器件同时改变模块尺寸。目前有两种设计，一种是相对灵活的设计，接收线圈和整流控制器分别独立构成模块，两者间通过高压接插件连结，带来的好处是耦合线圈和整流控制器独立设计，配置比较灵活，如果有设计变更时很容易实现互不影响，但是在成本上增加了额外的高压接插件，同时在连接的接口出容易出现EMI的问题；另一种集成式设计如下图，控制器和线圈在一个模块里，集成度高，没有额外的接口EMI问题，省略了连结的高压接插件，但也带来了新挑:

1. 高集成度造成的散热问题，线圈在就收能量时有铜损和铁损，产生的热量会和整流控制器的热量叠加，从而对控制器造成影响，所有在模块结构设计的时候需要充分做好热分析和仿真，保证控制器不会运行过热而导致故障

2. 线圈在接收无线能量时对整流控制器会造成很强EMI干扰，所以必须采取增加屏蔽材料对控制器做屏蔽，否则控制器将无法在这么强的电磁环境下工作

3. 一体化的设计要求初期就要明确充电功率需求，后期更改需求会导致整个系统都要重新设计开发

2.2.2车载组件的电子构架

车载组件的的电控部分如上图由两个独立的微处理器分别负责高压和低压控制。高压控制器通过WiFi或者蓝牙和地面耦合线圈通讯，同时控制和监测整流控制器；低压控制器和车辆总线通讯，监测高压互锁回路以及车辆工作状态。车载组件有主动放电功能，能保证在在高压系统断开后有效的完成自放电保护。另外高低压控制器都会同时监控WiFi或者蓝牙的通讯状态，一旦通讯收到干扰，控制器就会进入功能安全保护措施，把车载线圈的能量释放掉；两个控制器互相监控，任何一个出现故障都会进入安全模式，释放车载线圈能量，如果是高压控制器出现问题，则低压控制器会有序的关闭整个车载组件，以保证系统安全

2.3无线充电的非车载组件

2.3.1非车载组件的构成

无线充电非车载组件主要有两大部分构成：1.壁挂式无线充电控制器；2地面磁耦合线圈。通常设计非车载组建的时候也需要考虑不同的功率等级，常规的有3.3kw，7kw，11kw，通常壁挂充电控制器也要根据功率等级相应的要求更换功率器件同时改变模块尺寸。地面磁耦合线圈是能量发射线圈，所以针对不同功率等级其内部电感线圈的尺寸随功率增大而增大，但实际操作中地面耦合线圈的安装物理尺寸是大小一样的，为了施工方便通常属于尺寸标准化产品。

壁挂充电控制器是直接安装在墙体上的充电控制装，它直接和地面耦合线圈连结，通过地面线圈发射无线能量给车载线圈。地面线圈基本构成见下图，为了满足停车时轮胎会压到线圈，所以整体地面线圈的设计需要非常坚固，能满足车辆的长期的反复碾压；另外地面线圈的尺寸会比车载线圈的尺寸大很多，当停车有前后左右偏差时依然可以让车载线圈和地面线圈能充分磁耦合，从而降低驾驶车辆充电对齐的难度，而且充分耦合也能提高充电效率。

2.3.2车载组件的电子构架

非车载组件的的电控部分如下图同样由两个独立的微处理器分别负责主控和监控。主控主要负责功率因素矫正（PFC）和功率半桥的驱动控制和检测。监控主要负责监控WiFi/蓝牙通讯，漏电检测和保护，绝缘检测，交流电压电流检测，接地检测，使能主控进入功率控制。

非车载控制器为了提高可靠性和安全性，涉及到安全性的几个重要功能都采用了硬件直接控制，在紧急情况下可以快速的响应系统的关断和保护功能。1.接地错误和漏电时能快速切断系统高压部分；2地面线圈的过流保护；3地面线圈的过压保护；4壁挂控制器的过压过流保护。

2.4无线充电系统安全设计

异物检测：地面磁耦合线圈可以检测到有物体落在线圈表面，特别是金属物体，这样就避免了当无限能量对外发射时可能加热金属的的潜在危险，为安全启动无线能量传输提供了安全保障机制

EMI设计：无限能量传输中有着非常强大的电磁场，所以在线圈的设计和屏蔽上必须考虑周全，要做大量的测试和标定，确保没有EMI的泄露路径

充电线圈对齐：系统可以给出地面线圈位置，然后辅助驾驶员在停车时提示对齐充电线圈

以上从无线充电的系统角度详细的说明了无线充电技术在车载端和非车载端的应用，并给出了系统框图和结构原理。

3 电动车无线充电技术技术的应用分析

电动车无线充电的应用按照场景可以有多个应用：1.私人的的停车位，这样就节省了驾驶员每次拔插充电枪头的时间； 2大购物超市和写字楼，常规的充电系统都是采用带线缆的充电枪，这使得充电枪头的接插件长期使用带来磨损，从而导致充电效率降低，严重的可能出现安全隐患，而采用无线充电技术则不会出现接插件的问题，同时也为公共停车位节省了停车时间。3.医院停车，无线充电连结不需要有机械插拔的动作，这大大提高了停车效率，节省用户时间的同时也提供了便利性，用户可以用过手机稍后开始控制车辆无线连接进行充电。4.高速服务区，车辆可以不受机械限制的随到随充，避免了高速服务区充电枪插拔频繁所带了的安全隐患和充电可靠性问题。ⁱⁱ

电动车无线充电对自动驾驶车辆也非常友好：1.自动泊车，由于车辆可以自己找到停车位， 然后自动泊入，所以只有无线充电可以不用机械插拔就可以完成充电连结2.园区自动驾驶车辆，它可以在园区限定范围内自由移动，通常是用于服务或者是巡逻，当它需要充电的时候可以自动找到无线充电站进行充电连结，这样不需要呼叫服务人员来手动充电。

总之无线充电可以提高出行效率，为用户给车辆充电带来极大的便利性。由于减少了机械插拔的动作，对车辆充电接口的可靠性和安全性有很大的提升。

结语：电动汽车无线充电的优点很多，高效便利。未来随着技术的成熟还可以大力发展到车辆在运行中充电。就目前而言无线充电技术还属于发展起步阶段，主要还是停留在单车固定无线充电，但随着后续基础设施的完备，无线充电技术将会普及开来，这样对电动汽车的发展，又是一个非常好的推动作用。

i 朱春波,姜金海,宋凯,张千帆。电动汽车动态无线充电关键技术研究进展[J]。电力系统自动化。2017,41(02)：pp60-65

ii 臧红岩，付海燕。智能无线电动汽车充电桩研究[J]。无线互联科技。2016,(22):PP13-14

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