2018年新能源汽车智新峰会-中国科学院电工研究所王丽芳-电动汽车无线充电技术发展与展望

中国科学院电工研究所 王丽芳

11月15日，2018新能源新汽车智新峰会在北京召开，论坛重点围绕着打造关键零部件核心竞争力这一主题展开今天研讨。中国科学院电工研究所王丽芳作为嘉宾参会，发表“电动汽车无线充电技术发展与展望”的主旨演讲。

各位同仁，女士们，先生们，大家下午好。我今天跟大家分享的内容是电动汽车无限充电技术发展与展望。

我在中国科学院电工研究所工作，一直做这个电动汽车相关的研发工作。最近这些年来我们有很多的精力投入在电动汽车无线充电的技术。无线充电有人会关注过，有的还是一滴次听。一说无线充电，我们会想到实际上是给电动汽车充电其中一种形式。我们现在给电动汽车充电都采用的是用一根线把电动汽车的直流充电宝或者交流充电宝充电桩连接起来，我们叫做有线充电，是必须通过一根线连接起来的。我们现在可以看到电动汽车充电的形式就有很多种，我们充电站的建设有分散式，像家庭、办公场所，有大的充电站就是与直流充电站为主的公共充电站也有很多。

电动汽车供给能力另外一种形式就是换电站，换站电不是很陌生了，现在还有一些城市还在使用电的形式，主要是在一些公共领域，像公交车、环卫车，或者是有一些城市的出租车，出租车每天运营里程特别多，比我们私家车一个星期都跑得多，有一个出租车也得用换电形式的。无线充电跟换电相比肯定有它自己的一些特点，我们知道从昨天的报告，电动汽车的智能化是未来的一个发展趋势，电动汽车智能化包括辅助驾驶和无人驾驶，最终会发展到无人驾驶。

现在我们大家可能如果对于汽车比较关心或者是自己买过车开过车的都知道，辅助驾驶已经走入了我们的生活，有很多车已经有很多的功能的辅助驾驶，未来电动汽车的智能化之后，当然我们现在可能很多的智能化形式都体现在传统汽车里面，我们买的燃油车，很多车都是有辅助驾驶功能，未来智能化是可以运用在传统汽车，也可以运用在电动汽车，电动汽车智能化之后，车驾驶已经实现无人驾驶，它的智能化程度很高，不可能车无人驾驶停下来还连接一根线来充电，我想未来这种形式，想想这种场景应该不太现实。这个时候无线充电市场非常大，而且是必须的。

无线充电，从目前大家可以想到，现在还是不是不太用得上，有一些充电很多，而且无人驾驶虽然现在研究很火热，我估计这里面有很多研究这些方面的专家。现在看来，有限的这种充电有什么样的优势，我们分析一下：无线充电这个智能化程度很高，与智能电动汽车高度融合，然后从用户体验的角度来说，有良好的用户体验，我们知道用户如果是无线充电的一辆车，如果这辆车具有无线充电功能，我们是把这个车开到某一个位置，然后我们点点手机就可以充电了，我们实在不想电就关掉就可以了，你想开走的时候你就开走就行了，非常方便，就不用担心我有没有插上，有一些充电也有实现远程遥控，但是那个首先前提是必须下车之后先把这个线接上，然后可以允许是可以远程操控。

另外对于环境的要求，无线充电的地面线圈这个原理我在讲分为两个部分，两大块简单来讲，地面部分是相当于这个覆盖在地面下面的，就是跟我们这个用户没有太多的关联性，或者说是跟别的不用这个设施的，他也没有太多的关联性。这样的话，他的设备本身就已经具备了这种不同环境使用的条件，所以不用担心阴雨和潮湿，尤其是下雨天觉得充电一定要小心一点，心理上一定会这样做。因为无线充电都是自动实现，所以跟我们的用户本身没有直接的关联性。占地面积，不用占这么大的桩，无线充电不需要这个插拔的过程啊，如果做这个直流充电桩这个接插线头的企业肯定知道，那个磨损肯定是用户长期适用之后的一个抱怨了。

正因为有这些无线冲电气有这样一些优势，所以现在应该讲，国内外做对无线充电的研发还是很火热的。技术的研发到产品的研发都正在做。国内外研发的现状，这是我认为第二部分的内容。其实无线充电的概念说话说它的原理非常简单，尤其是无线充电实际上不能有很多种的方式，但是我们说在适合，因为今天不能展开这么讲，讲一两句话，在电动汽车上适合用还是这个电池能这种传输的方式，我们知道在物理上都学过，电磁场本身具有这个能量传输的特性，无线充电原理就是这么简单，就是利用这个电磁场能量传输的原理，实现这个能量的传输。

我们多少年前都学过这些磁场原理，但是那个时候也没有人去做这些事情，是2007年MIT他们做了一个，用无线的方式点亮一盏灯，在这个Intel发表一篇文章，他的文章一般会引起大家的广泛关注。我们做过学生，读过硕士、博士，现在还做研发肯定都一听是这个上面发表都比较关注。国际上也是从2007恩年MIT发表了这个之后，开始关注无线传输，玛戈时候并不是给电动汽车，电动汽车只是无线能量传输其中一个应用场景。

2008年包括英特尔，在一个展会上他们展出的。这些是指实现了能量传输但是是工业，不是常用场合，是工业场所的一些或者说消费生产层次的一些应用，到了汽车上面的应用，Leaf2012年发布了一个无线充电的样车，其他的后面我会介绍有很多的整车企业在前期就已经开始车辆和无线系统的融合。无线充电技术像韩国Tokyo是无线充电。

今天整个会议都是针对电动汽车，在这个汽车上比较典型做一些介绍，其实很多没有囊括全部。高通2015年的时候4月份Formula E电动方程式锦标赛展示了Halo无线充电技术，这个时候他们的传输距离是18厘米，但是效率可以做到90%，充电功率3.3千瓦，我们知道3.3千瓦是参数是因为车载充电机前几年的时候我们都是3.3千瓦，这两年随着电池技术的进步，很多车辆开始采用三元电池，三元电池的能量密度和功率密度都比较大了，所以我们现在新买车型的车充电机6.6千瓦比较常见，前期续时里程短还是3.3千瓦为主。

我们都知道的奔驰和宝马也正在做电动汽车，首先他们电动汽车研发我们知道这个宝马Mini，2014年7月份，奔驰在S级上进行测试，然后宝马在他的HEVI8上进行测试，奥迪在国内上没有太看到，奥迪也真实做电动汽车，2015年奥迪节推出了纯电效率为90%的无线充电系统，他们这个合作的供应商也是德国的一个公司。

这个奥迪的一个方式跟目前其他家不太一样，是现全式可升高式，这个涉及到无线充电的技术以及分类还有很多不同的形式。丰田，及混合动力汽车的典型代表。一说丰田都会想到普瑞斯，但是丰田纯电动汽车方面是在普瑞斯的做了插件式混合动力，2014年做的实验车，丰田总部基地，在日本爱知县10位车主中技术试验。这是2014年丰田汽车在媒体上高调宣布这样一个测试，但是之后他并没有公布说我测试完了之后是什么样的，这是他作为一个内部先留着的，等到真正产业化的自己心中有数。

2015年日产也公布了关于一套无线充电系统相关的信息，这个系统被形容为未来的加油站，这个白色的就是地面桩。这个日产整车企业Poster和其他公司一起研发的。无线充电技术需要提的是，庞巴迪是机车的一个牵引驱动的企业，但是无线充电方面的PRIMOVE也做了很多的工作。他们是走大功率、近距离的这样一个路线，他走的趋势跟前面高通走的不太一样，他们做的充电功率可以达到一百千瓦，2015就可以在这个纯电动中巴上，德国的几个城市进行了运行。

移动式无线充电国际情况，移动式无线充电在我们国内如果看过电动汽车一些新闻、微信之类的，会有一些最起码有样线，小的时候看到过几百米国内已经有好几表了，但是是一个小的，不是真正在运行的。在国际上，韩国的KAIST针对电动车无线充电技术研究比较深入，2013年就在多地进行测试，以前看那个电动汽车年会在韩国举行的时候还专门组织过去参观他们这条试验线。

宝马，今年北京的车展上，把2018年款530E Iperformance进行展示，这辆款将于明年进行量产。这个公司也是一个相当于汽车零部件的一个供应商，其实他们主要也是汽车电控，充电板与22伏电源相练，仅3.5小时就可以虫满9.4KWH的电池组。我正好跟他们的宝马供应商，前一阵子有一个技术交流，当时也聊过，他们这个无线充电作为这个用户购买这款车型的一个选项，就是你可以选是不是需要无线充电还是无线充电，因为毕竟要增加成本，这不会不经过沟通直接加到这个车辆上。这种车型的使用，后面我会讲这个产业化标准和这些问题。国外很多车是直接有自己的停车场，所以它的充电设施部署基本上是在自己家里，很多相关的问题跟我们国内不太一样。在家庭以及办公所这种场所下是比较方便。

国内的讲比较少，国内要细节研究的单位非常多，很多的大学带着研究生，查硕士论文、博士论文或者查他们发表的期刊上的文章也可以看到很多，我们不再一一展开讲，我们这个学生也非常多了。还有一些企业，中兴在无线充电技术方面前期投入了大量的力量，人力物力方面投入很多力量，他们一直侧重于做电动汽车客车方面的无线充电技术，我们这个团队一直是从乘运车开始做，当然做这件事情也是有一个契机，刚好北京市科委认为电动汽车存电的方式会有别的形式，我印象中是从之011年就面向全国发的一个招标，允许大家投标，正好我们被选中了，选中了之后就做了乘运车无线充电。我们的基础就是一直是基于乘运车的出身，如果乘运车可以解决这些问题，那么在客车就不是什么大的问题。

产业化面临的挑战。无线充电直接实现产业化，就像我们现在购买直流充电桩或者交流充电机这么容易，还没有到那个程度，还是有一些问题。从企业或者是从用户的角度关心很多问题，当然从国家层面、政府层面以及从标准委的层面也做了大量的工作。我们存电的标准是中国电力企业联合会，他们牵头成立了一个无线充电工作组，从去年开始紧锣密鼓地制订了很多的相关标准和政策，很多标准经过了很多轮的讨论，也不可能一下子把所有的标准都讨论那么清楚，因为有的还有技术性的问题。这个标准不光是这个出来一个限定的原则就OK，其实这个如何去实现，标准里面如何定义，有很多细节内容以及技术上的问题，因此现在还有一些很多在讨论的，像我刚刚所说这个不操作性的问题，不同过滤等级无线充电系统之间互操作性。

我们知道无线充电系统刚刚讲跟有线充电一样也是分为不同的功率的等级，但一般来说对于这个乘运车来说不会做到一百千瓦，尽管我们这种特斯拉还有我们一些新兴的造车出的这个特性，他的可充电功率可以达到100多千瓦，无线充电的这个角度对于乘运车来太能够往那个方向发展，估计几十千瓦也差不多了，跟他技术以及性价比、产业化很多关联的内容。

国际上目前对于无线充电的分类功率等级，包括美国以及欧洲的。美国SAE，美国汽车工程师学会，分的功率就是1-4，3.7、7.7、11.7到22千瓦，有一个最小的效率是85，这个大家如果做有线的直流充电机和车载充电机觉得这个效率还可以，最小效率是这个。如果真正可以自己做研发充电仔细测这个效率也不是这么一直高，尤其是低负载的时候，不同的车型这个适应起来还是有很大的变化。

无线充电偏移的问题，能不能对准，对准了之后很好，可是偏移了之后怎么样？这些标准里面都有严格的限定，将来要上市场的话，这些都是满足要求的。

互操纵性。如果地面端是一个，但是不同的车辆来了之后，那我怎么样能够工作呢？这是互操作性需要解决的问题。另外，不同的充电组之间，我们的标准是分不同的距离，按照不同功率等级不同距离设计出来的肯定是系统最优的，也正是因为根据不同车型，有的车就离地14-15%，还有27到25的充电距离，假设这个地面端，因为这个互操作性不会说车载端把这个车的车载端换到那个车上，无非是这辆车开到了A的充电站也可以充，开到B也可以充，ABC这三个地方不是同一个供应商，或者同一个供应商但是设计的时候，不是按照同一个功率等级设备，不是按照最优的设计，这个互操作性如何解决的问题？因为我们知道充电就是两个之间连接的距离，地面端和车载端多高的距离，对整个系统的设计是有影响的。这是系统设计如何考虑。

无线能量传输依赖什么？这是首先实现能量传输的主体，能量就是靠这个传输，其他的结构这个电力电子部件都是为这个辅助实现这个交直流的变化，为了使这个机构可以工作的更好，这个能量完全是靠这个来传过来的，但是不同的企业这个设计的磁偶以及结构不相同，这样不同车辆到同样的这个，或者不同的车辆到同样的地面端怎么样能够工作，或者说工作的有很多效率的要求，偏移还有功效要求这是不同磁偶的要求。做过相关研究，就知道DDQ还有两个双DDQ串联很多的形式，怎么样实行互操作，这个也是接下来整个行业，其实不管是谁在做这件事情，谁要实现产业化，都面临着一些共同的问题。

现在直流充电机大家还想尽可能充电的时候不用离他这么近，这个电力电子高频变化，可能还有电磁波的问题，就像原来高压线大家都会关心，都会想到这些问题，无线充电我刚刚讲是因为这个电磁能量进行传输，大家首先会想到他的一个电磁辐射电磁的问题，电磁安全性的问题，国际上是有相关的标准，ICNIPR2010，是国际非电离辐射防护委员会。

现在这个委员会制定的对人体在不同的频率下的安全限制，包括我们国家，其他国家也是参照这个标准来制定相关的电磁限制的问题，也有很多不同的区域。在它的工作场区，这个电磁辐射很高了，因为你就让它工作，但是只要离开了它一定的区域，它都有一个非常安全的值。我们国家现在也想基本上参照这个，但是实际上我们制定标准的时候还遇到很多相关别的障碍，我就不再这儿展开来讲这个标准化方面的事情。

产业化面临的问题，异物的检测与活体的保护。刚才讲了很多的优势，地面端是铺在路面上，不用考虑环境的潮湿、下雨的问题。有另外一个问题，不工作的时候没有问题，不用担心。但是工作的时候这个地面端是给电的，地面端给电的时候，它和车载端进行了能量传输的过程中，如果万一有异物侵入怎么样进行检测以保护，对于我们这个性能有影响的，假设我们知道对于这个电池厂商来说有一个铁板，这个地面头这个能量传输实现不了，或者有多大的一个限值。还有我们对生命体的保护，首先是活体，小猫小狗他的生物觉得那儿挺暖和，时间长了对他有多大的影响，还有淘气还子非得跑到那儿不知道怎么弄，这都是属于义务检测与国际保护相关的一些研究内容，这个如果是在公共场所下确实国际上前一阵子我们也讨论过，非常难做到怎么样实现全部的防护，而且使用很方便。

从技术的角度，一个是对接口的检测，还有一些易拉罐、铝片、钢片、钢丝求这些异物的类型，这些在国标面肯定会规定，这些检测要达到。活体保护，通过不同的方式如果检测到活体必须要停止充电了，因为对于生命的呵护这是第一位的，不能充电也是没有什么问题。

对于这个电池厂来说，如果两个对的很准，这个效率就会很高。如果要是出现了偏移，就是移的比较远，效率首先受到影响。这个对位检测也是非常重要的。现在我们也正在跟他们做智能驾驶专门的团队，在智能电动汽车上无线充电的系统，大家在一块讨论。

智能车即使是无人驾驶的车辆，现在有一些车辆实现了可以代替自动泊车的功能，但是自动泊车并不是说一定要保证两厘米还是三厘米，只是可以保证体验这个范围之内，平的精度，我们要求它对的很准确，对于它停车位置的精度是有要求的，实际上现在智能车这个方面，我们知道靠这个GPS可以加基站，但是也不是说可以精确这么准确，因此这个对位检测以及抗偏移其实也是整个系统里面需要注意的问题，也是需要想一些办法到时候实现的。国际标准，美国和SAE制定这个标准是J2954等等这是相关的内容。

国家的标准已经讨论通过了四项，通用要求、特殊要求以及通讯协议和电磁暴露限值。

我们团队研发进展和成果。

电动汽车可以看到无线充电是一个什么样的工作原理。我们充电系统一定离不了电网，电来源于电网，经过诊流以及DCA经过这个地面端的补偿网络接到发射线圈，这就是地面整个部分的内容。发射线圈和车载车上面的接收线圈，也一样有补偿网络，因为我们给这个动力电池会有一个直流的转换。这样我们可以看到这个气隙就是之间的距离，气隙左边就是这个地面端的部分，气隙右边就是在这个车上的部分，所以接收线圈诊断补偿系统是无线充电系统车载部分的内容，需要实现的功能。无线充电系统的设计实际上是一个多目标的问题，因此我们一说充电系统或者说我们说运营到车上的系统，我们都会追求它的效率，我们都追求车的叙事里程长，要求美一个部件叙事里程长，同时要求这个节能少、能耗低，那么充电的时候效率高也是非常重要的。无线充电系统的效率和功率、可靠性等等这些不同的指标是整个系统需要进行协调的。往往你想要达到这个，比方说想要效率高距离能短一点最好了，实际上根据这个实际应用场合进行综合优化和权衡。

讲完了之后，把这个电池耦合机构把这个地面发射线圈和车载接收线圈还有很多的不同形式，不同的线圈有一些什么样的优点和特点，除了你分析了它的优点特点和效率之外，还会考虑一个实现的可行性和将来产业化成本降低的问题。因为这个不能完全依赖于实验室的东西，将来未来这些一定要实现批量生产的。

我要实现电磁场同步的话，是最怕金属的，我有金属在里面这个磁场损坏非常大，左边这张图就是没有金属车企的电磁场同步，我们可以看到这是非常好的。有了金属车体之间这个电磁场的工作，有一些被去带了，这是金属中产生了涡流损耗，没有汽车车体影响这个互感量和耦合系数很高，有了这个金属覆盖之后，就是这个装在这个底盘上的时候，这个互感量这个下降有多大，下降了将近10倍。这个耦合系数也下降了很多。我们知道其实耦合系数以及能量损失受到很大的影响。

汽车的底盘不可能因为要装无线充电我改了，这都发展几十年了，而且这个系数如果用的话，只能动性现在实验人家已有的东西。 就用这个磁体评比降低这个涡流损耗。这个磁体屏蔽有非常多的结构，这些都是我们进行研究不同结构的类型，对比分析，不同的磁铁结构到底有一些什么样的优势，我这儿列的两种，这个要讲起来太细的东西非常多了，都有专门的硕士生就干这一件事情，一个硕士毕业甚至好几个都要持续地做。

这个不同磁场结构，磁场同步我们可以看到这个磁场分布不相同的，从这儿我们也可以分析到它的涡流损耗是不一样的。因此我们肯定最终是选择使得涡流损耗减小的结构适应我们整个系统，还考虑整个分量增加以及成本增加，所有的设计最终都要择中考虑。整个系统设计还是非常多的。前面讲到有一个阻抗网络和线圈，整个系统网络阻抗和优化设计是非常重要的内容，如果只讲无线充电技术本身，有很多的核心的关键技术，今天就相当于只展开讲一点。

目前已经作出了哪些不同功率等级。我们因为一直在十五开始电动汽车研发工作，那个时候不是无走线充电，一直在做电动汽车看准线，这儿年轻人非常多，现在你们直接又看准线了，如果参加过十五斗知道，2001年我们总线是不确定，我们当时不知道什么准，因为我们常常说没有那么多的智能部件，我们电动汽车一下子电机传输这么多的能量，这么多的信息，我怎么样实现这个传统的点亮是不限时，2001年国家科技部支持下，我们也联合了很多的真车企业，当时一汽东风，还有几个著名一起来做，我们那个时候做的，之后又在做整车控制电池管理系统，无线充电技术我们是从2011年开始做这个无线充电。

当时首先得益于北京市科委的支持，后期也得到的很多国家支撑计划863项目以及去年的国家的重点研发计划里面，我不知道关注过没有，基础设施有一个无线充电，课题也是我们牵头承担的。研发出来3.3，6.6和3.3和6.4KW。我们这个系统是完全结合着北汽E150开发设计的，因此完全是按照它的整车辆上面需要的电压范围就是260伏到400伏，这个150装上这个之后大概就20厘米，系统效率可以达到90%以上。最早150，接着就是北汽，北汽新能源开发了E160，E200，后来就EU260不同的车型都进行装车。我们毕竟不像大的企业，好像是条件很好，我们条件比较差，我们很多还要这样子。现在我们逐渐也会有一些改善。

这是第三方的测试，在做无线充电系统，一个是自己肯定要摸底，另外要测一下这个实际的线能，真正比价一下这个实验性能。一般情况下，首先是完成一个实验室的样机，装车可以跑，这是最基本的。另外，如果为了进一步的产业化和工程化方面来走，这个环境实验以及环境适应形式非常重要，做高低温的震动，这个环境相关泡水的责实。同时对这个电池安全进行测试，实际开发的系统那个时候，国家标准没有开始制定，因为国际上是有这个标准。完全按照这个来测，是满足这个求的。进行6个月的实车道路测试，在不同的阶级，在北京做的，没有专门跑到寒冷地区做。前期这些成果也得到了国家的支持，当然也有一些企业的支持，但是已国家为主，政府、和北京的。所以参加了很多的展览，科博，京津冀，今年在军博全国科技活动中军民融合展得到了当初的万部长，北京市科委闫主任以及今年我们的科技部长王部长也都去了我们这个成果这个展厅这儿，挺感兴趣的。

研发的角度，无线充电肯定是单项的，还有在做双项的无线充电技术，我们知道做有线充电系统也有和电网互动的问题，一定是双向的问题。双向无线充电系统方面我们也进行了相关的不同的充电方式等级，应该是3.3千瓦左右的，然后DCDC效率可以达到93%，这次从世博上贴下来的图。

移动式无线充电是有一个小团队专门深入研究，移动式无线充电这个设计方案有很多种，我们分析了，进行过很多深入关键技术的研究，实验这个平台就是做了一个2.5千瓦的轨道实验平台，接下来会做一个十米长的，主要是为了把很多的技术说清楚，我们现在有很多的工程或者是示范，特别深入的技术还是需要很长的时间研究。不是直接做了一个样子就OK了。

能量信息耦合同时耦合这样一个系统，实现一米的距离，能量传输，效率是73%，信息传输1.7Mbps。特殊的环境下需要能量以及信息同时数，无线充电的传输应该是在不同的技术，因为要有一个线插拔的情况，一定考虑有水的安全性没有保障了，因此无线充电有这些特殊场合，这些特殊场合下，无线充电能量传输，另外一个是信息的传输。

我的报告就到这儿，谢谢大家。

以上内容据峰会现场速记整理，未经嘉宾本人审阅。