為電動汽車充電是實現能源轉型的關鍵之一。除了充電站，汽車行業還在尋找替代解決方案：無線充電，它類似于智能手機充電的增強版，但有一些關鍵區別。“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 EEWeb 采訪時表示。

“從技術上講，一切都是可擴展的；然而，隨著電力傳輸率的提高，電力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，還需要考慮一些額外的因素，例如熱損耗和熱管理。效率越高，功率越高，熱損失就越高，并且必須采取更多措施來管理這些熱量。”

Yole Développement (Yole) 電力電子和電池首席分析師 Milan Rosina 博士表示，電動汽車充電需要更高的電壓、功率和傳輸的能量。因此，技術、安全、成本和環境挑戰更加嚴峻。“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，而且充電器[發射器]和安裝在車輛上的接收器之間的距離要大得多，”他說。

Rosina 指出，這會導致實際情況下能量傳輸效率低下。但要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，”Rosina 說。“在公共場所安裝電動汽車無線充電器也帶來了許多挑戰。新一代無線充電器的升級比有線充電器更復雜。自動充電往往被呈現為一種方便甚至自動化的充電方式。事實上，自動駕駛汽車將最佳地使用一種自動充電，而無線充電在這里似乎是一個很有前途的選擇。但有幾家公司也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、送貨車輛、出租車），他們希望將無線充電作為提供快速補充充電以擴展車輛續航里程的一種方式。“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。“這種動態將需要比在住宅無線充電中看到的更高水平的電力傳輸，在這種情況下，充電可以在一夜之間以低得多的功率水平進行。

“為了能夠支持商業補充充電的大功率要求，諧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。“這些要求充分發揮了寬帶隙 [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 的快速切換適用于這些系統，”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，加氫燃料用于氫燃料電池電動汽車，它只占電動汽車市場的極小部分。在電池更換的情況下，通過結合使用計算機視覺和無線通信，該站可以識別每個要更換的電池模塊的確切位置。我們在 EE Times 上更深入地討論了這個主題。

圖 2：如何為 EV 充滿能量（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。“盡管存在不同程度的電氣化，但只有通過‘強電氣化’才能實現必要的減排——在電動汽車和插電式混合動力電動汽車中。”

圖 3：EV/HEV 分類（來源：Yole Développement）

通過電纜進行的導電充電包括手動連接充電站和車輛之間的導體。根據電纜的大小，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（但成本增加）

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：

需要人工干預來解決沒有自動化過程的相關缺點

電纜占用停車區的空間

對于上述所有優勢，傳導充電肯定會在未來許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 44 萬臺。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開發階段，面臨諸多挑戰，”Rosina 說。“在可預見的未來，‘線’或‘線’充電解決方案是并將繼續成為電動汽車的主流充電解決方案。為了避免通過充電電纜和連接器傳輸非常高的電流所帶來的挑戰，我們開發了受電弓解決方案——主要用于電動巴士充電。”

威爾遜指出，無線充電既需要基礎設施投資（發射板），也需要車輛投資（接收板）。他說：“對于日常續航里程要求超過車輛電池容量的商用車，能夠在日常停車期間全天接收補充費用可以彌補這一差距。” “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是合理的。對于私人乘用車而言，無線充電的首要價值在于便利性。對于大多數人來說，他們愿意支持的便利因素的投資相對較少。出于這個原因，我們認為在這個市場得到解決之前，成本需要大幅下降。”

安德森指出，目前的方法是基于有線充電設備，“但這些設備從長遠來看并不實用，因為它們固有地會造成絆倒危險，容易損壞，并且需要駕駛員將車輛插入，甚至如果有惡劣天氣。

“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；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性。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，在汽車中實現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]，我們朝著這個目標邁出了第一步，”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 EV OEM 開始采用‘無線就緒’或‘無線功能’的電動汽車。但是，應該注意的是，無線充電可以實現自治。事實上，眾所周知，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，該能量交換能夠充電高達 11 kW，效率為 94%，板到車輛的距離高達 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，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。對準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。

磁感應充電利用兩個墊子之間的能量交換，一個位于地面上，一個位于車輛下方。充電墊（在地面上）約為 1 m 2，而接收墊（在汽車上）被封閉在一個小裝置中。除了可選地安裝在車輛上的墊外，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此信號并將其轉換回電能。產生的能量用于為運行電機的電池充電。

侯賽因說，所有主要技術都是基于發射線圈和接收線圈之間的諧振耦合。“在這種方法中，接收線圈可以很好地調整到發射頻率，以最大限度地提高通過無線充電間隙傳遞的功率，”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。“汽車下方的實際位置不如確保與發射器天線的正確接口重要。實際尺寸由設計功率傳輸率決定。對于 EV，天線的尺寸范圍為 24 × 30 英寸，任何特定尺寸的 ±6 英寸。天線的寬度將在 1.5 到 4 英寸之間，具體取決于相關電力電子設備的性質。”

移動中的無線充電是基于相同原理的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汽車充電。為了使系統正常工作，必須使用兼容系統對車輛進行修改。

能源管理

通過電動汽車的電池管理系統，充電管理類似于當前的充電方法，通過有線充電器進行。然而，安德森指出，即使在這種情況下，充電管理也可能會根據無線充電設備的功率輸出情況略有變化。

“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，因此必須將電力轉換為直流電供發射器天線使用，”Anderson 說。“接收器天線接收直流電，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連接，或者留在直流電以直接與直流電池管理系統連接。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。但是，這并不比有線充電設備低很多。有線充電往往提供 96%、±2% 的效率。”

Husain 補充說：“接收天線中的諧振耦合后，電源為交流電，需要進行轉換才能為電池充電。接收天線之后的下一個階段可能是無源（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，并使電壓水平與電池及其充電狀態保持一致。”

注意事項

電動汽車正在逐漸主導電氣化，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，人們可能會喜歡插在車上的感覺。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，但快速直流充電將高達 300 kW，以提供非常快速的充電。我們還需要很長時間才能將無線充電作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可以進行無線電池充電，需要創建一個感應充電站網絡，并將充電板嵌入路面。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，隨著充電選項的發展，電動汽車的充電將變得越來越容易。

一段時間以來，以色列公司 Electreon Wireless 一直致力于移動無線充電。在接下來的幾個月中，計劃在特拉維夫進行首次官方測試，在 2 公里長的道路瀝青下安裝充電板，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（來源：Electreon Wireless）

圖 5：WiTricity 的磁共振技術（來源：WiTricity）

圖 6：帶有無線充電功能的寶馬汽車（來源：Plugless Power）

Genesis 將在其 eG80 型號和代號為 JW 的新項目中看到無線充電技術。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 kW 和 11 kW 家用充電器，以使客戶能夠在其家庭車庫中進行無線充電（圖 5）。

WiTricity 的高效 3.6 至 11 kW 電動汽車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 SAE International 和 IEC/ISO（國際）領導的全球標準化工作；DKE 和 Project STILLE（德國）；和 CATARC（中國）。WiTricity 的首席執行官 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：“但是沒有司機，誰來給汽車充電呢？答案很明確：沒有插頭，沒有電線。”

審核編輯 黃昊宇