【汽车与环境】中科院电工所王丽芳:新能源汽车无线充电技术标准制定及进展

盖世汽车综合 2017-12-09

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中科院电工所研究员 王丽芳

我给大家做的报告是电动汽车无线充电技术。最近几年我带的团队一直在做电动汽车的无线充电技术。在这儿综合地讲一下整个国内外的情况和标准制定以及现在目前取得的进展。

电动汽车本身的发展刚才我们好几位专家都已经做了介绍,我不再详细讲了。

充电的几种形式无非就是大型的充电站、分散的充电桩还有充换电站,通过电源线把电和电动汽车连接起来,是一个有线的形式。随着电动汽车的发展,智能化现在是电动汽车发展的重要发展方向了。现在有很多我们的新能源汽车新的制造厂商,其实都是因为他们对智能车有独到的技术见解,最终的智能车发展是全自动驾驶阶段。如果将来电动汽车走向全自动驾驶的阶段,谁来给电动电车充电?

无线充电正好解决这样一个问题,能够和智能电动汽车进行高度融合。我们没有达到这个智能化程度,智能化非常高的也有非常好的用户体验,对环境要求比较低,这就是无线充电的优势。这样的话,无线充电更适应于将来的电动汽车,随着电动汽车大批量的发展和智能电网的融合是非常重要的话题。过去觉得电网没有太大的压力,从今年开始到后续,现在已经到了非燃油时代的结点,我们知道我们除了燃油,我们的汽车的另外一个能源就是电能了。电能的使用肯定是需要未来电网融合来配合使用的,无线充电技术将来能够成为解决电动汽车充电问题的独到手段。

下面讲一下目前国内外都做到什么样的程度。整体来说,无线充电不是一个特别新的概念,它的概念是几百年前就有的。被大家关注提到日程上来是MIT2007年无线灯泡发表以后,就陆续地有了在电动汽车上,开始在不断地做一些样机和演示系统。这分别介绍一下,我们现在都知道国内外做得比较多的,一个是高通,它在2015年4月份的FormulaE电动方程式锦标赛上展示了Halo无线充电技术。另外一个就是WiTricity的无线充电系统。

我们知道丰田在电动汽车方面,尤其是混合动力汽车方面,它的普锐斯是最有竞争力的车型。它把普锐斯做成插电式的,也在做试验验证,无线充电的,在用户的家中作为无线充电的试验来演示。2014年发布的时候还是很积极的,近几年很快就会问世,问世其实就是要产业化。现在还没有见到他们的产品。

日产是2015年也在做相关的系统,它说的是未来的充电站。这个是庞巴迪,庞巴迪是近距离的,发送端和接收端距离非常近,2015年进行了运行。无线充电分静止式和移动式,在移动式比较典型的就是韩国的KAIST开发的移动式的设备,分了好几个阶段。现在已经做到第五代,实现了不同的功率等级,具有联合效益,也是在做一个短距离的示范运营。美国ORNL也在做相关的试验,2015年搭建了移动式的无限充电展示系统。国内的很多情况是有些公司做的,我这儿就没有说了,产业化的方面没有特别明显。

无线充电现在和整车企业每次讨论的时候,大家首先会问,有没有什么标准,人家要做成产品。不像我们有线充电那么成熟,目前如果要立即进行产业化,无线充电的标准还不是完全具备条件的。首先国际上它的标准也发布得不是很全面,有几个可供参考的:首先是SAE,他们发布比较有权威,他们发布了这里面的J2954,专门针对轻型车的无线充电系统。其次就是IECTC69还有ISOTC22,他们分别都在做相关工作。SAEJ2954,一说无线充电,很多无线电领域的专家就会说,你们占的频率是哪个频率。SAE规定的是81.38-90kHz。我们也专门讨论了我们国家的无线充电工作频率应该在什么范围内。我刚才讲SAE的J2954对不同工作功率分了四个等级,传输功率还有最小效率以及偏移时的最小效率。偏移达到多少,能最大偏到多少,这也是大家比较关心的。所以SAE对于不同的高度传输的功率、效率以及偏移时的效率都给了定义。现在国内的很多整车企业对于零部件地要求的时候,基本上参照SAE的标准在做。我们国家的标准目前还没有正式出台。

关于磁辐射,只要谈到无线充电,大家都会关注这个问题。之前我们有一些人体安全辐射的限制,根本是没有考虑有电动汽车无线充电这样一个系统要工作,完全根据医学的系统来提的限制。那时候是在环保部那个范围内,汽车无线充电是不可能工作的。现在出现了新的系统,按照国际的限制ICNIRP,现在大家做的电动汽车无线充电系统正好在这个领域里面涵盖的。在它的频率范围内规定了磁场强度分别应该是多少。包括不同的值,在车内和车周边以及它装无线充电系统的不同距离远近都有一个严格的限制定义。对于我们国家的标准是这样子的:国家标准委正式下达了无线充电系统的通用要求,国家标准制定的计划协同了中国汽车技术中心与跟充电基础设施相关的国家电力工业联合会。因此无线充电系统这个标准就是在电力工业联合会和中国汽车技术中心两个单位牵头,跨行业共同制定无线充电系统标准。今年7月份正式成立了无线充电系统的工作小组。有地方在制定相关无线充电的地方标准。广东省和上海市去年在媒体上也看到了上海也出台了无线充电标准。目前工作组正在制定3项标准,《电动汽车无线重点系统特殊要求》《电动汽车车载充电机和无线充电设备之间的通信协议》以及《电动汽车无线充电的电磁暴露限值与测试方法》,目前正在讨论和执行这三个标准。无线充电系统实际上是地面的一部分是固定在地面上的,车上的那部分是随着车走的。假设将来有很多不同的车型,另外有不同的无线充电系统供应厂商,这是不是可以充电?这是大家想走产业化都非常关注的问题,这就是互操作性的问题,这在逐渐地制定相关的标准。首先是线圈通信协议的问题,这都是跟整个工作关联性非常紧密的两个技术点。我们现在也有一个团队,国内好几个单位联合起来做相关的研究,制定相关的标准。

下面介绍一下我目前做到什么样的程度。我来自中科院电工所。前期一直在做整车控制系统相关工作,因为电工所电工电能新技术前期在电能方面的积累比较多。前期取得了一些比较好的进展。目前大的进展,正在开展无线充电系统的小规模的示范城市。功率等级3.3KW,是为了吻合车载充电机的功率,这个整车的电机系统就不用再做整改了。这是整车比较关心的,我们不改变整车其他电机技术的情况下做无线充电系统。充电电压全按照电池系统的要求,传输距离是20厘米,在地面上不用加装任何东西,直接固定在车的底盘下方,和地面的距离大概是20厘米,能够实现整个系统的最大整车传输效率。无线充电的拓扑结构是这样的:这个是我们传统的充电机都要经过的环节,经过DCAC逆变,然后这是器械左边的,就是在地面的这部分。然后在右边的这部分就是接收线圈到整流就是车上面了,就是车载系统。整个靠这样一个系统实现了把电能传输过去。这里几大主要机构:一个是磁耦合机构,一个是磁场匹配。这是开发的电力电子变换器,如何设计电磁场和线圈设计保证整个无线充电系统的效率是高效的,这是整个系统设计方面的难点。

在无线充电系统里面,有一些建模和传输机理方面的研究。我们是一个研究所,在研究方面做得比较多,做得比较深,包括实际建模的一些工作,包括磁的系统和电路系统的仿真,再就是联合仿真。对于无线充电系统,我们知道磁耦合机构是发送端到接收端的能量传输。我们在实验室的工作效率非常高,一旦装到车上,汽车的底盘是一个金属材料,这对于无线充电系统是影响最大的。几年前做出一套系统,在实验室效果非常好。现在我们能实现装到车上效率也能达到90%以上,之前上了车是不行的。这是解决实用环境对整个系统性能的影响,采用不同的磁频结构,分析涡流损耗和磁场分布。在系统设计里面,会有补偿特性和多目标优化。它希望体积小、重量小但效率要高,传输的距离要满足整车的要求。所有功率、效率、电压都要符合要求,那怎么样设计出一个最优化的方案来?这就是要多目标优化。除了线圈本身,我们的阻抗匹配和磁线圈如何匹配在一起,保证整个系统是合理损耗。磁对额定功率传输偏移容忍度也是不固定的,这就是系统容忍度的问题。在电动汽车里面,对于电池来说,我们知道电池的工作特性,在电压高和低,或者是SOC不同的时候,在充电的时候,有的车可能是20%,有的可能是70%,不同用户使用的情况不相同。我们知道电池作为整个无线充电系统的复杂性,它的阻抗特性是不相同的,对整个无线充电系统也是有影响的。这是实际装车之后,还有很多的跟用户的交互,然后定位和智能控制,从无线系统的设计来说设计了很多相关别的技术。

这是刚才前面介绍的MIT的Witricity的参数和国内几个大学的参数。装车之后到底是什么样的限值,我们测了驾驶员的位置然后副驾驶然后后排座椅。这是车内,车外就是两个门,我们是装在车的尾巴那个地方,磁场应该是最高的。因此,这是满足国际防辐射小组的要求的。第一批车型都是在北汽的车型上搭载,做了很多展览,也受到一些领导的关注。现在一直在做小规模装车的道路示范运行,经过了6个月的实车道路检测,实现了无线充电在不同环境下的测试运行。移动式的无线充电系统方面,它也有一些难点。首先它有多个线圈,车上只有一个点。这样耦合关系就复杂了,线圈会有连接的地方,不可能一根长线全面连接下去,这是切换控制的问题。另外非工作线圈的磁场屏蔽问题,在实际变成一个实用的产品的时候对于移动式无线充电也有很多的技术难点。这是在实验室前期做的时候,做地面两个线圈,车上一个线圈,铺设了小的线路,做了很多前期的探索。平均效率做到98%。

后面这部分主要是我们目前的进展。我的报告就到这儿,谢谢!


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