EV 无线充电测试系统构建

受今年的气候变化影响，世界范围内的加速推动CO2 减排，已实现低碳环保。在节能减排的政策推动下，电动汽车（EV）和插电式混合动力汽车（PHEV）等，作为2050年汽车电动化已被至于汽车工业发展的重要地位。国内提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和的目标，为了实现这个目标，EV和PHEV需要加速普及。目前作为 EV和PHEV普及面临的主要需要解决问题包括3个方面，降低汽车成本、提升续航里程、改善充电便利性。在减低成本方面，EV、PHEV的成本中半数以上来自于电池，排除创新技术发展的影响，降低电池成本无疑会对电池容量产生或多或少的影响。所以，为了延长EV续航里程，从电机逆变器效率提升，电池能量密度提升，搭载电池容量增加等方面，持续性的进行探索和测试。如果EV在行驶路途中可以进行充电，EV搭载的电池容量就可以很好的得到控制，整车成本也就能得到控制，与此同时续航里程的延长也得到了解决。因此，高速公路服务区内的快速充电服务的需求非常迫切。

为了提高充电便利性实现快速充电，如果充电过程中不使用充电插头和充电线缆，充电操作将变得非常简单。实现这种充电方式的方案之一，就是利用无线充电技术（WPT）来实现。无线充电技术目前在手机产业中的应用已经非常成熟，在车辆领域的应用技术也在不断发展。在不久的将来，我们把车停在车位上就能实现自动充电，甚至在车辆行驶过程中也能通过路面下的无线充电设备进行充电，这些都将是可以实现的。新能源汽车的WPT，主要采用电磁感应原理进行开发实现的，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。

图 1  EV无线充电示意图

针对应用电磁感应原理WPT系统，实验测试规范IEC 61980已经发布，面向实用性的测试验证环境也在逐渐被构建。基于上述应用背景，下面给大家介绍一下WPT测试验证环境的构建。

WPT测试验证设备包括主要互换性安全性测评价装置、行驶中充电模拟试验装置。互换性安全性测评价装置是主要针对车辆驻车状态下WPT的测试环境，行驶中充电模拟试验装置是主要针对车辆行驶状态下WPT的测试环境。由于WPT的基本原理是基于电磁场感应实现的，测试过程中会产生电磁波，为了避免外界环境引入电磁波噪声对电磁波的干扰，所有测试装置都需要安置于大型的电磁波屏蔽暗室内，同时为了对电磁波进行数据化测量，系统中还配置了电磁波探测仪。

1. 电磁波屏蔽暗室

在WPT工作过程中，会发生一部分电能量以电磁波的形式被放射到空间内。参考IEC 61980作为基准，WPT系统使用85kHz的频率进行电能量传输，输出功率在50w以上的时候，不能发生超出电波法的规制值的情况。WPT过程中的放射的电磁波，也需要考虑因电磁感应线圈的形状和车辆搭载位置而产生差异。综合考虑，作为WPT的测试系统组件，可以满足车辆停放的大型电磁波屏蔽暗室构建环境的基础。尺寸方面建议使用长宽高为10m*10m*5m的空间，为了便于车辆进出，门的宽高尺寸不小于2.8m*2.8m，这样一些轻卡车型也能进入环境中进行测试。电磁波屏蔽暗室内部地面b需要采用无钢筋的混凝土浇筑，地面以下深度25cm的位置进行屏蔽层的铺设。这样的布置即便WPT系统的地面上的电磁感应线圈装置，直接配置于电磁波屏蔽暗室内部地面表面，也可以避免线圈和屏蔽层发生相互作用。同时室内需布置排烟设备，用于PHEV车辆的尾气收集排放。

图 2   电磁波屏蔽暗室示意图

2. 互换性安全性评价装置

IEC 61980中规定根据WPT地面到车辆侧电磁感应线圈的高度（垂直z方向）进行分级，在此基础上对水平方向（x、y方向）的位置偏差对电力传输效率的影响进行测试评价。可以看出，标准针对电力传输效率对设备相对位置的依存性的测试评价非常重视。互换性安全性评价装置是，通过模拟地面侧和车辆侧电磁感应线圈装置之间的相对位置变化，对驻车WPT系统的结合系数和传输电量进行测定的测试评价设备。互换性安全性评价装置由三部分组成，分别是搭载电磁感应线圈的载台单元、搭载测量设备的测量单元、用于控制测量部分和载台部分的系统控制单元。

载台单元中，地面侧电磁感应线圈装置固定在xyz载台上，车辆侧电磁感应线圈装置固定在xyz载台上方位置的框架上。这样地面侧电磁感应线圈装置在xyz载台的带动下，可以完成XYZ三方向的位置变化，从而实现电磁感应线圈之间的相对位置变化。

测量单元主要由测试测量设备组成，主要包括电流表、电压表、数据记录仪、红外热成像摄像头、光纤温度计、磁场测量仪、电磁场测量仪、示波器、LCR表、CAN通信板块等组件。除此之外，大容量交流/直流稳定电压与高电压大容量直流电子负载装置，支持了WPT系统供电电源和电子负载的设备基础。

图 3   xyz载台示意图

控制单元主要由系统工控机和测试数据显示监控组成，工控机可以控制测量单元的各种测试设备，可以通过对xyz载台的控制，实现x、y、z坐标方向的变化，也可以通过z轴保持，xy坐标变换实现磁感应线圈结合系数的测试评价。

3. 电磁波探测仪

WPT是基于电磁感应进行电量传输的，电磁场也是在感应线圈附近存在。IEC 61980中要求，感应线圈之间、车辆正面、侧面、背面的电磁场，需要符合国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）要求的最低限值。利用电磁波探测仪可以进行电磁波密度的探测，可以对感应线圈之间、车辆正面、侧面、背面的电磁场强度进行量化测试。

图 4   电磁波探测仪示意图

4. 行驶中充电模拟试验装置

根据车辆行驶过程中的WPT和车辆驻车时WPT存在差异，车两侧的磁感线圈需要在地面上的多个磁感线圈上连续移动，测试设备的短周期时间控制，以及设备中需要布置多个地面上的磁感线圈，这些相关的设计是测试系统需要重点开发的部分。因此，行驶中WPT系统的测试研究开发是，高再现性的电池感应线圈走行状态模拟测试系统中必备的测试环境。这个装置由两部分组成，地面侧的电磁感应线圈放置在一个基台上，车辆侧的电磁感应线圈固定在夹具上，吊装在一个滑轨上。车辆侧电磁感应线圈可以沿滑轨进行运动，从而实现行驶过程中无线充电的状态。因为这个环境属于半实物仿真构造，所以空间越大，模拟仿真效果越接近真实场景。

图 5   行驶中充电模拟试验装置示意图

总结：驻车和行车的无线充电都可以应用无线充电功能测试系统进行测试评价，完整的系统配置在拥有电磁波探测仪的电磁波屏蔽暗室内部。同时电磁波屏蔽暗室具备很高的屏蔽性，也可进行更多的无线充电相关实验验证工作。此次介绍的无线充电测试系统构建方法作为一种基础测试系统平台，可以应用到机构技术研究、供应商产品开发、标准制定验证等多个领域，同时助力无线充电技术的进一步发展。