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蔚来充电技术：被放弃的无线充电
2022-02-21 22:41:38· 来源：焉知新能源汽车
很多人对蔚来有误解，将充电与换电对立，认为蔚来的充电技术不行才全力发展换电。蔚来的信念：「可充、可换、可升级」。因此，除了换电站建设快速铺开，充电桩建
很多人对蔚来有误解，将充电与换电对立，认为蔚来的充电技术不行才全力发展换电。
蔚来的信念：「可充、可换、可升级」。
因此，除了换电站建设快速铺开，充电桩建设也没落下，建设速度跟特斯拉、小鹏在同一水平。
这张图是蔚来现有的充电桩类型，分别是 7kW 家充桩、20kW 小直流快充跟超充桩，之后还推了 7kW 跟 11kW 的直流家充桩。
其中 7kW 家充桩，因输入是交流电(AC)，因此称为「交流充电桩」。
家充桩依靠车载充电器（OBC）进行交直流转换充电，家充桩只担当智能开关的作用，在 OBC 走向集成或消失的当下，交流充电桩已经定型。至于常听到的快充、超充都是直流充电桩。
不管交流或直流充电桩，交直流转换的原理相同。因此，从 OBC 的电路拓扑入手，可以先建立充电技术的概念。
01、充电技术小科普
PFC 功率因子校正
PFC 是改善「功率因子」的电路。
要谈功率因子，要先了解交流电功率：
-
有功功率（Real power，单位是 W），以 P 表示；
-
无功功率（Reactive Power，单位是 var），以 Q 表示；
-
视在功率（Apparent Power，单位是 VA)，以 S 表示。
对于正弦波的波形，P、Q 及 S 可以用相量表示。θ 是电流和电压的相位角，功率因子等于此角的 cosθ P/S=cosθ 因为是余弦 θ，所以功率因子是介于 1 到 -1 之间的数值。通过调整交流电输入电流波形，减少电压与电流相位差，抑制谐波电流，使 cosθ 接近 1。
简单理解就是，PFC 的功用是输出的稳压调压，输出不随输入电压波动变化，能得到高稳定的输出电压，而主动式 PFC 的直流（DC）电压纹波很小，不太需要用大容量的滤波电容。
并且抑制高次谐波，因为高次谐波会造成电力系统发热，不但浪费电能，还有烧毁的危险。
LLC
LLC 是种串并联的谐振电路，具有谐振电感 Lr、励磁电感 Lm 和谐振电容 Cr，因此简称为 LLC。
何谓谐振？
就是：「共振」。
谐振电路是利用电感（L）及电容（C）完成电路的共振，交流电路的阻抗非定值，是随频率变化。
阻抗（Electrical impedance）是电路对电流抵抗的度量（符号 Z），在交流电路中，分为实部与虚部，实部为电阻，虚部为电抗（上图中的有功功率为实部，无功功率为虚部）。
电抗又分电容产生的容抗与电感产生的感抗，两者会随着电路的电流频率变化（电阻不会）。
容抗 = 1/2πfC，容抗在低频时变大、高频时变小，直流电频率为 0，容抗无限大，因此电容通交阻直。
电容的电压不能突变。
感抗=2πfL，与容抗相反，在低频时变小、在高频时变大，直流电频率为0，感抗为0，因此电感通直阻交。
电感的电流不能突变。
当容抗=感抗，无功功率为0，只需考虑有功功率。
利用电容跟电感特性，通过控制开关频率(调节频率)，将DC调整成目标波形，实现电压恒定。
这是设计 LLC 电路采用 FHA 绘制的 DC 特性曲线图。
ZVS(零电压切换)，电子功率组件电压在切换时为 0。
ZCS(零电流切换)，电子功率组件电流在切换时为 0。
以 Fs = Fr 的谐振点为界。
-
左侧容抗 > 感抗，谐振槽成为容性区域，为实现 ZCS，电压滞后于电流，适合 IGBT。
-
右侧感抗>容抗，谐振槽成为感性区域，为实现ZVS，电流滞后于电压，适合MOSFET。
MOSFET 由于开通损耗比关断损耗大(约多 60%)，因此选择 ZVS。而在 ZVS 区域2输出整流二极管具有ZCS的条件，没有反向恢复的问题，效率最高。
最后经过同步整流输出 DC 到电池包。
02、无线充电
无线充电方式主要有四种：电磁感应式、磁场共振式(又称磁耦合谐振式)、电场耦合式和无线电波式。
电磁感应式是日常见到最主要的无线充电方式，但不太适用于电动车，因为传输距离太短(最多几公分)。
电场耦合式对电极形状、材质的限制较少，且电极可以薄型化，并且不像电磁感应式要对位精准，位置较自由且发热较少，但缺点跟电磁感应式一样，距离太短。
无线电波式距离最远，但转换效率太低。只有磁场共振式符合距离、功率与转换效率达到电动车无线充电标准。
既然是磁场共振式，自然是用谐振电路，与充电桩用 LLC 不同，无线充电的谐振电路选择有以下几种：
Q1 到 Q4 是四个原边（发射侧）MOSFET，D1 到 D4 则是副边(接收侧)整流二极管，跟充电桩充电原理一样，只是变成无线，并且谐振电路的选择不同。
一，谐振电路类型
S 串行电路，电容与电感串联，对于原边，可直接与电压源型逆变器连接，输入阻抗较低、损耗小，易实现电压反馈调节。
对于副边，有类似恒压源(输出电压稳定)特性。
P 并联电路，电容与电感并联，对于原边需要电流源供电，易受扰动，实际应用少。
对于副边，有类似恒流源(输出电流稳定)特性。因此，SS 即是两边皆是串行电路、PP 两边皆是并联电路、SP 原边并联副边串联、PS 原边串联副边并联。
LCL 能恒流源，在轻负载时有很高的功率因子与谐波滤波能力。其它类型是基于以上三种电路拓扑的扩展，针对稳定条件、输入阻抗及系统传输，进行各种优化。
以蔚来的无线充电专利布局为例，蔚来很早就在电动车无线充电有布局，蔚来选择针对 DDQ 线圈的电路拓扑进行优化。线圈耦合结构的性能是影响磁场共振式电能传输的重要因素。
设计重点是如何提高耦合系数，两电感组件间，实际互感量与最大互感量之比，数值介于 1 到 -1 之间。
二，线圈耦合结构
基本三种类型分别为环形线圈、8 字形线圈（DD）和螺线管线圈：
-
环形线圈：优点绕制方便、铁损和铜损小(导磁体和导线损耗)，但耦合较差。
-
DD 线圈：与环形线圈相似，由两个环形绕圈反向串联，产生相反的磁场，耦合系数与损耗介于环形和螺旋管线圈之间。
-
螺旋管线圈是典型的铜包铁结构，磁力线集中、耦合系数高，但铁损跟铜损高。
跟手机无线充电一样，耦合系数受两线圈间的距离与偏移影响很大，如下图所示：
这是两个 30 公分的（圆形）环形线圈测试结果，这是线圈轴向对齐，平移线圈距离产生的耦合系数变化。
耦合系数为负，代表两线圈磁通方向相反。
三，蔚来的无线技术方案
在实际的生活中，由于手动泊车很难停到完全对准线圈，不能保证足够的传输功率，要增加线圈尺寸就会增加成本跟重量。
DDQ 就是为解决位置偏移，造成传输功率和效率降低的线圈形式（位置偏移后，DD 线圈的感应电压变小，Q 线圈感应电压变大，两者叠加输出，能尽量减少功率的降低）。
DDQ 线圈长这样：
DDQ 线圈是在 DD 线圈的基础上，增加一个和 DD 线圈正交的线圈 Q，产生的磁场互不影响，两线圈分别输出，输出电压通过两个整流桥后并联输出。
然后，新的问题来了。
由于 DD 线圈和 Q 线圈接受到的磁通量不一致，容易造成某一支路输出电流不均，甚至毫无输出。
会造成效率降低和 EMI(电磁干扰)特性变差，常规的整流电路，无法解决输出电流不均的问题。
CN108400625A 就是解决这问题的电路拓扑。
蔚来虽然早早布局无线充电，但未来车型规划中，连 OBC 都拿掉，对于需要在车底安装接收线圈的无线充电，恐怕早已出局。
四，其它车企的无线技术方案
上汽智己
上面提到由于手动很难精准对位，因此有的车企特别强调自动泊车的功能。
智己 L7 宣称它的 IM AD 系统能做到记忆泊车、代客泊车。利用车端环视摄像头，透过 VSLAM(视觉同步定位与地图构建)对特微点的提取，结合车辆的 IMU(惯性测量单元)，进行自车定位。
基于加戴的停车场或车位地图，做出路径规划和运动控制，最后经过多传感器的数据融合，实现精准停车。
不过在发射线圈跟接收线圈有间隙，在无线充电时如果有金属异物或生物存在，两端线圈的电磁场会对其加热，非常不安全。
因此，异物检测（FOD）与活体检测（LOD），是无线充电装置很重要的安全设施，在智己的宣传或专利中，并没有提到相关的检测。
反倒在同属上汽集团的通用五菱，有注册相关的专利，并且能利用整车控制器对其进行清除。
在发射侧的顶面要涂抹疏水疏油的双疏材料，如含氟弱酸聚合物、有机硅烷聚合物，使发射侧顶面光滑吸附力小，形成易清洁表面，当砂石或水滴、油滴落在顶面，可自滑落。
发射侧要安装传感器，对无线充电桩进行监控，再通过无线通信，将异物讯息传到车端控制器。
这里主要判断标准是「重量或图像识别」（依据实装的无线充电桩采用何种传感器）。最后依据异物种类，决定采取何种清除手端。
如果吹扫、声光跟喷淋都无法清除，通知车主人工清除。最终五菱这些技术，智己会用上多少？不得而知，只希望多多益善吧，毕竟安全无小事。
Momentum Dynamics
电动车无线充电既然有走精准定位的公司，自然也有走往大线圈尺寸的公司。
Momentum Dynamics 就是如此。
别看示意图上接收侧那小小的四个方块，实际上大小是这样，每块长跟宽超过 70 公分，功率为 50 kW，4 块总计为 200 kW。
据 Momentum Dynamics 宣传，在发射侧与接收侧最佳距离约 7 英寸(17.78公分)的情况下，充电效率在 92-94% 之间，接近普通直流桩充电效率。
对于公交车的使用场景，无线充电的好处是操作简单，节省人工拔插充电桩的时间，使用零碎的等候时间，无需额外浪费时间充电，可以使公交车全天保持服务，提高公交车使用率。
况且公交车路线固定，有固定的停靠站，适合安装固定的无线充电发射侧与相关的充电机柜。
相对于无轨电车，可以不用架设路面上的电缆，只需当地电容足够，场地允许就能安装。
从专利来看，Momentum Dynamics 使用的是平面螺旋结构，利用特定方式连接，缺点就是体积不小并且重量不轻。
04、无线充电发展展望
目前电动车无线充电发展较好的领域在大众道路运输。
相比于燃油公交车，电动公交车环保，无线充电更易补能，充份利用零碎时间。
相比于无轨电车，无线充电在市容跟铺设维修有优势。
电动车无线充电，SAE(美国汽车工程车协会)的J2954，针对 22kW 以下的功率标准，分为四级：
是各国制定电动车无线充电标准的重要参考。但只有少数车企对此有相关的开发计划，毕竟无线充电对距离、角度要求很高，并且需要传感器配合，不然充电功率惨不忍睹。
成本高、效率不高。
由于安装车底，有碰撞风险，最重要是很多人对其电磁波有安全疑虑。
技术、成本与社会原因，使电动车无线充电在私家车领域，注定是少数车企的选择。
时不时能看到宣传边开边充的高速公路车道，更多是画大饼，没多大意义。
因为绝大部份电动车没有加装接收线圈，根本充不了电，而高速公路的金属垃圾或碎屑，反而会因电磁感应发热，造成安全危害。
因此，下次看到力吹高速公路无线充电时，就应该知道大概率概念比技术强。
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