在电动汽车充电是促进能源转化的关键点的世界里，其他解决方案可以与电动充电站一起出现。一种这样的解决方案是无线充电。无线汽车充电是智能手机充电的增强版，但有几个不同之处。“无线感应充电使电动汽车[[EV]]能够在没有电缆的情况下自动充电，”无插头电源首席执行官迈克尔拉伊安德森(Michael Rai Anderson)在接受《电力电子新闻》采访时表示。
“技术上，一切都是可扩展的；然而，随着电力传输速率的增加，电力管理电子设备的复杂性和尺寸必须增加，”他补充说。“更重要的是，随着功率的增加，需要考虑许多其他因素，如热量损失和热管理。效率越低，功率越大，热量损失越大，必须采取更多措施来管理热量。”
YOLE ddevelop position(YOLE)电力电子和电池首席分析师米兰林夏薇博士表示，电动汽车充电需要更高的电压、功率和能量传输。因此，技术、安全、成本和环境挑战更加严峻。“尽管无线充电器和智能手机经常紧密接触，但很难将车辆准确定位在充电器上方，充电器(发射器)和安装在车辆上的接收器之间的距离要大得多，”他说。
林夏薇指出，这导致了实际条件下的低能量传输效率。然而，降低成本和散热管理挑战，以及减少无线充电对环境的影响，需要高效率(图1)。
此外，电动汽车充电所需的高电压和高功率给无线充电系统的安全性和成本带来了额外的挑战。“无线充电还需要将额外的充电器集成到车辆中，这将增加车辆的成本，”林夏薇说。“在公共场所为电动汽车安装无线充电器也伴随着许多挑战。新一代无线充电器的升级比有线充电器更复杂。自充电往往被呈现为一种便捷甚至是自动的充电方式。事实上，自动驾驶汽车最好使用自动充电，无线充电似乎是一个很有前途的选择。然而，一些公司已经开发了自动化解决方案，如电池更换、机械臂充电或自动移动充电系统。一旦对自动化解决方案的需求变得迫切，这种解决方案将与无线充电竞争。”
图1:无线充电挑战(来源：Yole ddevelopment)
UnitedSiC的业务发展总监安迪威尔逊认为，无线充电的早期采用者将是商用车辆(公交车、送货卡车和出租车)，他们希望通过无线充电提供快速补充充电，以扩大车辆行驶里程。“这些充电事件发生在车辆停在常规休息点的短时间内，”他说。“与住宅无线充电相比，这种动力将需要更高水平的电力传输。在住宅无线充电中，充电可以在一夜之间以低得多的功率水平进行。
“为了能够支持商业补充充电的高功率要求，共振磁感应必须在相对较高的频率下发生，这需要更快的开关设备，”他补充说。"这些要求正好反映了宽带隙[[WBG]]半导体器件的优势."
安森半导体的营销和战略经理阿里侯赛因(Ali Husain)表示，一些无线充电系统声称功率高达20千瓦，从插头到电池的效率为94%。“共振频率通常高达100千赫，所以WBG的快速开关适合这些系统，”他说。
电动汽车充电解决方案
说到电动汽车，为车辆“补充”能量的方式有很多，包括电池充电、电池更换和加氢(图2)。林夏薇指出，氢燃料电池电动汽车使用的是加氢技术，这种技术只占电动汽车市场的很小一部分。在更换电池的情况下，该站可以通过结合计算机视觉和无线通信来识别要更换的每个电池模块的确切位置。我们在EE Times上更深入地介绍了这个话题。
图2:如何给电动汽车注入能量(来源：Yole ddevelopment)
“为了满足政府严格的二氧化碳减排目标，车队电气化已成为强制性要求，”林夏薇说。“虽然电气化程度不同，但只有通过电动汽车和插电式混合动力汽车中的‘强电气化’——，才能实现必要的减排。”
图3:电动汽车/混合动力汽车分类
通过电缆传导充电包括手动连接充电站和车辆之间的导体。根据电缆的大小，电流将流经这种有线连接，从而实现非常高的充电容量。这种充电方法的主要优点是：
降低基础设施成本
高功率传输效率
高速充电的可能性(但成本增加)
维护要求低
几乎没有电磁辐射
这种充电方法的主要缺点是：
需要人工干预来解决与缺乏自动化过程相关的缺点。
电缆占据了停车区的空间。
鉴于上述所有优势，传导充电肯定会在未来许多年继续用于全电动汽车。根据Yole ddevelopment的《2021 年插电式电动汽车直流充电》报告，2020年至2026年，DC充电器市场将以15.6%的复合年增长率增长，到2026年将达到约44万台。然而，为了克服它的缺点，很可能在不久的将来，我们也会看到与这项技术相关的不同类型的自动化系统。
“无线充电解决方案仍处于早期发展阶段，面临许多挑战，”林夏薇说。“在可预见的未来，‘有线’或‘有线’充电解决方案是并将继续是电动汽车的主流充电解决方案。为了避免与通过充电电缆和连接器传输非常大的电流相关的挑战，我们开发了一种受电弓解决方案——，主要用于电动公交车充电。”
威尔逊指出，无线充电需要基础设施投资(发射器垫)和车辆投资(接收器垫)。“对于日常里程要求超过车辆电池容量的商用车来说，在日常停车期间全天接收补充充电的能力可以弥补这一缺口，”他说。“这一扩展范围的价值提供了一个商业案例，证明支持无线充电所需的投资。对于私人小客车来说，无线充电的主要价值是方便。对于大多数人来说，他们愿意为便利因素支持的投资相对较少。为此，我们认为，在解决这个市场之前，我们需要大幅降低成本。”
安德森指出，目前的方法是基于有线充电设备。“但从长远来看，这样的设备并不实用，因为它们在旅行中本来就很危险，容易损坏，并且需要驾驶员插入车辆，即使天气不好也是如此。
“无线感应充电部署的历史研发主要集中在发射和接收线圈；然而，目前的研发工作更多地集中在通信、用户界面和传感阵列上，”他补充道。
与无线充电相关的安全挑战与有线充电没有什么不同。需要类似的软件协议和加密来提供系统安全性。安德森说，对于给定的功率输出(即3.3千瓦、7.2千瓦、11千瓦)，充电时间会相对相似。
从电动自动驾驶汽车的角度来看，在汽车中实现无线充电的第一个挑战是采用通用标准。“现在SAE已经发布了第一个标准[2020年10月]，我们已经迈出了第一步，”Anderson说。“我们现在需要消费者对无线充电的便利性和价值主张，以确保电动汽车原始设备制造商开始采用“无线就绪”或“无线功能”电动汽车。不过需要注意的是，无线充电是可以实现自主的。事实上，人们普遍认为，没有无线充电技术就没有无人驾驶。”
由SAE国际发布的SAE J2954和SAE J2846/7设定了调节能量交换的标准。可充电功率高达11 kW，效率94%，推车间距可达25 cm。同样的系统也可以应用于自主基础设施，这是专门为可以自动停车和充电的汽车设计的。
技术
第一个提出“无线”电力传输理论的人是1896年的尼古拉特斯拉。其工作原理类似于变压器，基于磁感应定律。称为发射器的初级电路产生随时间变化的磁场。次级电路接收这个场，被称为接收器，它连接到要供电的设备。要考虑的最重要的参数当然是两条电路之间的距离和它们的排列。较差的对准和相对较大的距离会降低性能并使能量传输效率低下。
磁感应充电利用两个垫子之间的能量交换，一个在地面上，另一个在车下。充电板(地面上)大约1，而接收板(车上)被围在一个小装置里。除了安装在车辆上的可选充电板，基础设施还包括感应充电站。
接收器(接收线圈)放置在车辆底部，几个线圈作为发射器嵌入路面。后者由电能提供。其工作原理如下：路中线圈通过电流产生磁场。磁场确保车辆上的线圈接收磁场并将其转换回电能。产生的能量用于给驱动马达的电池充电。
侯赛因说，所有主要技术都是基于发射线圈和接收线圈之间的共振耦合。“在这种方法中，接收线圈非常适合发射频率，以最大化通过无线充电间隙传输的功率，”他说。
安德森指出，接收天线安装在车辆底部。“它的位置需要支持与发射天线的镜像接口，”他说。“与确保与发射器天线的正确接口相比，车下的实际位置并不重要。实际尺寸由设计功率传输速率决定。对于电动车外壳，天线的尺寸范围为24 30英寸，任意具体尺寸为6英寸。天线的宽度从1.5到4英寸不等，取决于相关电力电子设备的性质。”
基于同样的原理，移动无线充电是固定充电的替代方案。这个想法是在沥青下面几厘米的地方安装充电线圈，当汽车行驶通过一个非常高频的磁场时可以充电。为了使系统工作，必须用兼容的系统改装车辆。
能量消耗监控
充电管理类似于现在的充电方式，通过有线充电器和EV电池管理系统。然而，安德森指出，即使在这种情况下，充电管理也可能因无线充电设备的功率输出而略有变化。
“关键是要明白，天线之间的通信是基于DC供电的；由于来自电网的电力是交流电，发射器天线必须将电力转换成直流电，”安德森说。“接收器天线接收DC电源，然后可以将其转换回交流电源，与相同的电气基础设施连接，作为插入式接口，或者保持DC电源直接与DC电池管理系统连接。每次电源必须从交流转换到DC或从DC转换到交流时，效率都会略有下降。因此，大多数无线充电设备将以大约92%正负2%的效率运行。但是，这并不比有线充电设备低多少。有线充电往往能提供96%和2%的效率。”
侯赛因补充道：“接收天线谐振耦合后，电源是交流电，需要转换后给电池充电。接收天线之后的下一级可以是无源(二极管)或有源(MOSFET)整流。主动整流的损耗较低，但需要更仔细的控制，通常比硅器件更昂贵。然而，总的系统成本可以更低，因为更低的损失可以允许更小的散热器或冷却系统。在对电源进行整流后，通常会有一个升压阶段，它提供隔离，并使电压电平与电池及其充电状态保持一致。”
需要注意的事项
电动汽车逐渐领先电气化，但续航里程仍然是一个非常棘手的问题，政府法规的问题也是如此。侯赛因说：“无线充电更容易，对用户来说几乎是透明的，但有线充电更直观，人们可能喜欢插在车上的感觉。无线充电不会比车载充电器的交流充电更快，通常为11千瓦至20千瓦，但快速DC充电将达到300千瓦，以提供非常快速的充电。我们需要很长时间才能让无线充电成为基础设施的一部分，让每个人都选择使用它，支付并感到安全。”
为了使每个人和任何地方都能为无线电池充电，需要创建感应充电站网络，充电板嵌入道路中。行驶中感应充电是电动汽车的主要选择。今天可以肯定的是，快速充电站的网络正在不断扩大。随着充电方式的发展，给电动车充电会变得越来越容易。
以色列公司Electreon Wireless已经研究无线充电一段时间了。未来几个月，计划在特拉维夫进行首次正式测试，并在一条2公里长的柏油路下安装充电板，这样电动巴士将能够在行驶中充电。电动卡车在公共道路上的无线充电是无线电动道路技术商业化的重要里程碑(图4)。
图4:沥青下的充电板
图5:WiTricity的磁共振技术(来源：WiTricity)
Genesis将在其eG80车型和代号为JW的新项目中提供无线充电技术。该技术将通过合作伙伴WiTricity实施，并将基于上述最新的SAE J2954标准。无线充电器的真正部署可以从2021年下半年开始，因为目前的技术要求新的建筑与目前的展位分开。Genesis还在开发7千瓦和11千瓦的家用充电器，使客户能够在家中车库无线充电(图5-6)。
图6:带无线充电的创世纪汽车
WiTricity高效的3.6-11 kW EV充电开发系统，为汽车制造商、一级供应商和充电基础设施供应商提供可互操作的无线充电系统设计。WiTricity的高效设计和架构已被纳入由SAE International和IEC/ISO领导的全球标准化工作中。DKE和斯蒂尔项目(德国)；和CATARC(中国)。WiTricity首席执行官亚历克斯格鲁岑(Alex Gruzen)在其网站上指出，自动驾驶电动汽车是个人出行的未来：“但没有司机，谁来给汽车充电？答案很清楚：没有插头，没有电线。”
审计彭静
