蔚来充电技术:被放弃的无线充电

原创 焉知新能源汽车 2022-02-21 20:15

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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