新能源汽车无线充电技术介绍

       我们这里说的电动汽车的无线充电是指为高压动力电池进行补能的大功率充电方式，这在新能源行业内已经不是什么新的东西了，也前前后后发展了很多年了，一直是不温不火，没有真正的发展起来。

   为便于大家对无线充电有一个整体的了解，咱们还是从最基本的聊起吧。

一、无线充电技术的原理

    电动汽车无线充电是以耦合的电磁场为媒介实现电能的传递，对于电动汽车进行无线充电（补能），相比于车载OBC而言，最最重要的区别是变压器这块，由原来是紧耦合变成了松耦合，即变压器的原、副边绕组分别置于车外和车内，通过高频磁场耦合来传输电能，将交流电变为给电池充电的直流电。大致的系统框图如下：

 数据来源于网络                无线充电系统框图

二、无线充电技术的优点

    其实，说起无线充电的优点，各种论文、各种报告，大家去网上一搜，都会有一堆写的与有线充电相比的优势。但是从我个人的理解，很多优点大多是有些牵强的，至少是理由不那么充分的或者是优势不明显的。  再有可能就是到目前为止，不管是主机厂也好、零部件供应商也好，都还没把无线充电的真正价值挖掘出来或者说应用场景还比较单一。

    即使是这样，咱们还是要说说无线充电的几个优点；

   1、安全可靠。怎么理解这个安全可靠呢？无线充电相对于有线充电而言，无线充电都是自动充电，用户没有插枪的动作，接触到带电体的概率大大降低了，所以触电的风险也就大大降低了，从这个角度来说，安全性是有提高的。

   2、充电场地的空间利用率高。这个又怎么理解呢？其实对于单独的车位这个是不明显的，即使是有线充电，一把枪线占用车位的空间也不是很大。但是对于充电站而已，如果能采用集中式的功率模块布置，还是会有一些优势的；我们可以将墙端的功率模块采取集中式的布置，每个车位后面就可以节省一些布置功率模块和枪、线的空间。布置的充电位越多，空间节省的就越多。 再有就是原边线圈都放置并固定在车位上，不会额外占用更多的空间。

   3、智能化程度高。无线充电相对于有线充电，就是不需要用户去插枪这个动作，解放了用户的双手。但是最最重要的还是要给自动泊车技术（RPA、APA、AVP）进行一个系统融合，借助于自动泊车的技术给无线充电赋能，实现自动停车、自动充电的功能。从这个场景应用来说，无线充电与有点充电相比，其智能化程度是要高的。

    4、维护和管理方便。这个主要是针对以后可能的公共运营来说的。有线充电的充电枪经过N多次的插枪拔枪以后，再加之充电场站的环境也比较恶劣，灰尘、水汽等也会不断的进入枪头，从而也会进一步加剧充电枪头的磨损，充电枪头一旦磨损，充电枪与充电座对接后接触电阻就会增加，在充电时，发热量就会增加，一旦温度超了限值，就会启动过温保护，影响充电的效率甚至停止充电。要解决这个问题，可能就需要更换充电插头（一般都需要连同线缆一起更换），这个维护起来，成本还是比较高的，操作也不方便。

    当然了，除了以上的优点，还会有其他的优点，欢迎交流。

三、无线充电技术的分类

    这里分类主要从两个方面来说，一是应用场景来说，二是工作原理或者方案来说。

   1、从应用场景来说，可以分为以下几种

    备注：这种分类不一定很严谨，见谅。           无线充电按应用场景分类

    对于小功率像手机充电之类的和动态充电（还需要一段时间，等待技术的进一步的发展）还不是我们目前研究的重点。我们目前关注的重点是静态的大功率充电（7.2kW/11kW/22kW/甚至更高）。

     2、从工作原理来说，可以分为以下几种：

 数据来源于网络              无线充电按工作原理分类

     以上几种无线充电的对比如下：

  数据来源于网络  ，个人收集整理，供参考

四、目前车载无线充电技术发展现状

    1、国家标准的发布和政策的情况

    随着我国新能源汽车技术的发展，新能源汽车向“四化”迈进的过程中，无线充电技术也得到了越来越多主机厂的重视，尤其无线充电与自动泊车技术结合的应用，将极大地促进无线充电技术的发展。

    国家为支持和规范无线充电产业的发展，已发布七项国家标准和产业规划。

    我国分别在2020年和2021年共发布了7项无线充电的标准，为无线充电的发展奠定了坚实的基础。

       2020年工信部发布的《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》中明确指出，支持无线充电等新型充电技术的研发。

2、国外车企无线充电的发展情况

     据不完全了解，目前国外小批量装车的有宝马和迈凯伦；同时大众、FCA、奥迪、迈凯伦等多家主机厂正在进行相关产品预研和量产开发。宝马的530e在北京、成都等地还投入了一部车辆商业运营。

   数据来源于行业交流

   数据来源于网络

3、国内车企无线充电的发展情况

    国内的主机厂基本都正在进行无线充电的预研或者已经有装一些样车或者展示车。据了解，目前就北汽和红旗有一些量产化的开发，后续的市场表现和市场反应（用户对无线充电的接受程度）待进一步的观察。

  数据来源于行业交流，如有错误，请联系作者修改

五、无线充电技术发展趋势

     1、技术的趋势

  （1）、电力电子功率拓扑与控制算法的创新与优化，以保证无线系统更加稳定的运行。目前无线充电的功率拓扑大多沿用功率电源、OBC的拓扑，但无线充电针对匹配网络部分各产品开发厂家都有一些自己的优化。纵使国标从后续互操作性的角度已经定义了基本的匹配网络，但是个人觉得，随着各家对无线充电技术方案研究的越来越深入，功率拓扑包括匹配网络一定还会有继续优化的空间。 这应该是需要厂家去持续研究的。

     （2）、辅助系统，包括生物检测、金属异物检测、对准等技术（在无线充电发展的初期，还有引导系统）的持续研究。辅助系统可能是车载大功率无线充电发展到现阶段非常重要的系统之一。辅助系统目前的技术也是限制其进一步发展的障碍之一，除了技术难度大以外，其成本也占了目前整个系统很大的一部，如果去掉这部分的成本，无线充电可以说比现在推广要容易的多。

    当然，随着技术的发展、应用场景的清晰和对产品的认识进一步加深，我们现在说的生物检查，主要是针对活体的防护，更难受的是有活体小动物（阿猫阿狗）在充电中进入车位上的线圈除了要停止充电影响充电效率外，还要对小动物进行驱赶。如果咱们进一步的收窄范围，只关注对人体的防护呢？技术应用会不会好很多了。当然了，从人道主义的角度，咱们可以考虑对活体小动物的保护。但是话说回来，这跟咱们开车是一样的，路上出来窜出来个小动物，任何一个正常司机肯定先想着避让，但是如果真的避之不及，撞上了，咱也不能说咱们不人道啊。

    金属异物的检测其实也是，目前的研究或者测试来看，在充电过程中会对金属异物加热，但随着研究的深入，如果能把这个温度控制在一定的范围内（没有点燃纸张等的风险），是不是咱们就可以考虑不需要异物检测的系统了呢？

    对准目前看来还是需要的，那是因为目前在跟自动泊车交流时，大多自动泊车的厂家都会说无线充电的对准精度要求太高了，咱做不到啊。究其原因，可能是自动泊车的场景本来就对精度要求不高，只要能把车泊入车位即可。自动泊车在标定时也就不必做的那么精细了。  如果咱们能与自动泊车系统做一些技术融合和分工合作，同时随着泊车技术的进步，泊车的精度提高到能满足无线充电的偏差要求时，那无线充电的对准系统是不是也就不需要了呢？

   （3）、电磁屏蔽和防护技术（EMC、EMF）进一步的深入研究。目前了解到，各厂家的产品EMF都能满足相关标准的要求，甚至会比标准要求的限值低很多，这当然是个好事情。但是，还是会有用户或者不太了解这块的，心里会有所忌惮，觉得这么大的功率对人体的辐射不会很大，时间长了对人的身体是不是会造成损伤了，这其实还需要拿出更多的试验数据来给用户信心。 目前有些大学的实验室现在正在做这方面的试验研究。  再来说EMC，目前各厂家大多都没有进行系统全面的从设计阶段就充分考虑到这块，产品测试应该说是会做一部分，但是全面的测试应该说是不多的，毕竟相关的测试除了要投入很多人力和时间外，更重要的是测试费用还蛮高的。当然了，咱也相信，随着产品开发的深入，各厂家一定会重视并极大投入进行EMC的设计与优化。

   （4）、新材料的引入。无线充电还是一个集合了多门学科的综合性产品，要提高产品的稳定性、降低产品的成本，势必会导入一些新材料。比如说磁导率、电导率更好的材料来降低系统的损耗，提高系统的效率。 最近几年也出现一些超常规电磁材料、超导材料等。这也为无线充电的发展提供了持续优化的空间。我们也相信随着一些新技术、新材料的应用产品性能也一定会有一个质的飞越。

    2、应用的趋势

   （1）、无线充电与自动技术的结合应用。从目前的技术发展来看，要最大限度的发挥无线充电的优势，还得借助于自动泊车技术，才能更好的发挥其智能化的优势。

   （2）、V2X（V2G、V2H）的技术应用。OBC目前基本是实现了V2L、V2V的应用，从技术上说，无线充电应该是能实现相应的功能的。这应该也是一个技术研究的方向。

   （3）、与车载OBC的技术融合。车载功率部分能否考虑与OBC的集成呢？虽然目前看来有点远，应该会有研究吧？

   （4）、动态无线充电。咱们的终极目标是不是就是动态无线充电呢？以后各种道路都会是一个超级充电宝啊，但是要做到性价高，目前看来，还有一段很长的路要走。但是咱们憧憬一下还是可以的。

六、目前无线充电技术发展的困境

   1、各无线充电厂家对车载产品应用的理解深度还不够，产品开发与主机厂的需求还存在部分脱节的情况。   比方说在与供应商在交流的过程中，咱最怕的就是供应商一上来就说产品都满足国标，那大概率产品就只真的满足国标啊。当在交流个别的关键技术要求时，会有供应商说，哦，国标的要求是这样的，咱也会心里一振，完了，只能满足国标。  当然产品满足国标是没什么问题的，但也只是基本的要求。这对于整车来说是远远不够的，不管哪家主机厂，应该都会有自己企业的标准，在很多方面的要求其实都会高于国标。所以对于零部件厂家来说，多与主机厂交流，收集行业内主机厂的要求其实很关键的。因为任何主机厂的企标要求提高一定是有其背后的原因和考虑的，有些甚至是付出了血的教训才总结出来的。 

    简单举个例子，对准的偏差要求，国标要求是X方向偏差为±75mm，Y方向偏差为±100mm。目前大部分厂家产品的设计基本都是按照这个来，很少有厂家在实际的产品设计中考虑把范围加大一些，以降低对自动泊车系统停车精度的要求，即使有想到的，但实际做的应该也不多。（个人觉得，现阶段在增加偏差的情况下即使效率等有所下降也是可以接受的）。 这或许是打开应用市场的一个方向呢，毕竟对整车来讲，降低对其他系统的依赖，与其系统交互的越少，越容易上车应用。

    这个也是只是一个思维发散的方向，供各位同仁讨论。

    2、目前无线充电的成本还太高，是同等功率下OBC成本的4-5倍。这对于整车来说成本增加的不是一星半点啊。笔者曾经就给项目组领导推过无线充电，在讲技术和应用的时候，领导们都很兴趣，都觉的可以做一些前期应用或者装车预研，至少是还是一个不错的亮点，但是当提到成本和开发费的时候领导就说先考虑一下，结果就是没有了结果。究其根本，还是单价成本太高了，甚至比一台80-100kW的电驱三合一还贵啊。这在极大的程度上限制了无线充电的应用。

   3、目前无线充电的优势挖掘的还不明显，还不是一个车载的必须品。感觉有点“鸡肋”的意思，目前还不是一个“鸡腿”。如何把鸡肋变成鸡腿，这就是需要大家的共同努力了。 虽然前也讲了很多无线充电的优势，也有很多主机厂在做预研，但是真正批量搭载的，少的可怜。可能是因为各主机厂和零部件厂家到目前为止还没有挖掘出一个应用场景非无线充电不可的。毕竟现在电动车充电的方式是越来也多，成本比无线充电低、便捷性比无线充电好的也还是不少的。

七、如何走出目前无线充电的困境呢？

    说到如何走出上面提到的困境，由于笔者水平和认知高度有限，不一定能说的很清楚，也不一定对。只能是从个人的认知层面给大家做一个抛砖引玉吧。

   1、 首先要想一切办法降成本，不一定说要降到跟目前OBC+充电桩的成本一样，但是个人觉得整个系统成本能做OBC+充电桩成本的1-1.5倍，同时开发费也要有所降低，可能在应用端才会比较好推吧。车载OBC的功率模块应该说目前算是比较成熟了，做无线充电的厂家能否与做OBC的厂家进行一些合作呢，降低功率模块部分的成本呢？  

   再有就是占成本比重较大的几个辅助系统，能否做一些优化呢？比如说引导对准能否与研发自动泊车系统的厂家之间做一些深度的合作，无线充电系统不再单独配备引导对准的系统，这部分工作由泊车系统来完成呢？

    还有就是活体检测，咱们能否先考虑对人体的EMF的防护，咱不考虑对小动物的防护呢？成本能不能有所降低呢？

    …………

    2、还有就是要深度挖掘一下无线充电的应用场景，让主机厂以及最终的用户感受到无线充电是比目前的交流等有线充电更好的更优的方式。这样他们才愿意去花钱的。这是各零部件厂家要花很多心思去思考的，应用场景不能打开、不够多元化，无线充电持续发展是有一定难度的。  我们期待各厂家优秀的产品经理能让无线充电应用场景得到扩展和升级。

    3、“打铁还需自身硬”，做好产品，提升产品质量，始终是最重要的。虽然随着行业的发展，各家产品也做了一些样车，单件产品也做了一些测试验证，功能也实现了。但是个人觉得，目前只能说是功能实现了而已，离真正的产品成熟还有一段路要走的。 OBC已经发展了10几年了吧，但是目前还会出现各种各样的问题，有些问题甚至是从来没发生过的。 所以技术研究和产品优化远没有到结束的时候，虽然现在的国标也发布了好几个，尤其是互操作性标准，个人觉得现在谈互操作性还是稍微有点点早的。

    …………

    就抛这么多吧。

八、写在最后

    最后，还是希望咱们的无线充电技术和产品真真正正地能成新能源汽车带来特别的充电体验，能让用户真真正正的体会到无线充电的便捷性，为用户带来收益。同时，这个产业也能健康快速的成长。  当然，咱们坚信车载大功率无线充电产品一定大有前途。

希望对您有用！

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