【第十届全球汽车产业峰会】中科院电工所研究员王丽芳：电动汽车无线充电及其EMC技术

4月26日，2018第十届全球汽车产业峰会在北京举办，本次论坛以“创新技术引领产业未来”为主题，会议期间，中科院电工所研究员王丽芳发表了精彩演讲。演讲内容如下：

中科院电工所研究员 王丽芳

好的，前面基本上都是跟整车，后来介绍了电机驱动系统，整车的驱动控制技术，我因为在电动汽车也属于比较老的人，就像第一个报告的詹总，我们因为从“十五”的时候，国家开始做电动汽车的时候，“十五863”2001年的时候开始在从事电动汽车领域相关研发工作，电动汽车无线充电技术是我们最近五年做的相关工作，之前做电动汽车准线控制，也就是因为前期基础以及我们所里在电磁技术方面的积累才做的电动机车无线充电技术。
      今天我这个报告是因为他们最早出的机器EMC技术，前天组委会发给我改成发展趋势，后来我一想发展趋势，我也不好讲，我又自己改成这个，但是我发现今天来了又推送是EMC，反正我讲的内容实际上是包括EMC内容，因为无线充电技术它的EMC技术，电磁干扰是大家比较关注的一项，做完之后业界也比较关注的一个参数，在开发过程中也是一个很重要的方面。
     现在电动汽车的发展刚才讲从整车角度看已经非常大，我们国家到2016年的时候已经成为全球第一大纯电动汽车的销售国，我们市场是最大的，到2017年年底我们国家销售了70多万辆，今年前面报告将要100万辆，我们预计工信部规划到2020年保有量要达到200万辆，所以整个电动汽车的数量应该确实是日益上升。而且增长的也比较快，这个大家在日常生活中，在我们周边都能够看到。
     但大家都会比较关注我有电动汽车之后，从实用角度到底到哪去充电，充电是不是方便，这是大家比较关心的。当然其实国家扶持电动汽车一个众所周知的原因跟我们很相关，就是我们买车的时候可以享受国家和地方政府的补贴，这是大家实际体会到的，我可以少出一点钱买车，另外一个其实因为从政府的角度也会关心怎么解决车有了之后如何使用的方便性上问题，这就是充电设施的建设的问题，其实国家在充电设施建设方面也给予很多的支持，除了科研项目方面，另外对于你车辆数达到多少，应该有多少基础设施，这个每年财政部都会有专项的补贴，给到示范城市里面，给到车辆比较多的城市，如果只有几辆可能拿不到补贴，像北京、上海、广州、杭州都会有比较多补贴。
     现在电动汽车充电主要有几种方式，一个是大型充电站，另外一个是分散的充电桩，一些小的区域内都有小的充电桩，还有大的公共设施，像充换电站，其实现在充换电站针对个人车辆不会有了，就是换电方式，换电方式除了针对公共汽车，还有环卫车，现在大城市北京的出租车也采用换电形式的方式在工作。而且因为北京每天司机跑400多公里，而且跑的基本上充电不想要花太多时间，现在他们还挺喜欢这种换电形式的，在北京的出租车，这是目前充电形式。
     当然无线充电是充电形式的发展趋势，另外一个是随着电动汽车智能化，我们知道刚才罗教授主持的时候也讲，以前电动汽车很火，大家都关心电动汽车，现在今天也稍微看了看，我们智能网联会场大概有两倍多的人，会场本身也很大，确实人也很多，也说明智能网联成为大家目前关注的一个热点，大家都很关心现在这个方向有什么样的进展。因为智能化体现在很多方面，我们说随着智能化的发展，他对充电技术也提出了一个要求，我们想象一下如果车辆变成无人驾驶之后，谁还会再用一个线连着这条车给这个车充电，肯定会想要有一个别的方式给它充电，这也就是说随着智能车的发展，逐渐的就是他充电形式也会跟现在有所不同。
     无线充电具有几个方面，大家现在在说无线充电，很多人估计已经不是太陌生，但是也会在想到底有没有竞争力，我们就要看跟目前已有的充电技术，用线连接的充电技术相比，有没有自己的一些特点，或者是有线的不可能达到的，或者有它一些弱势的。我总结说一个，就是无线充电能够与智能电动汽车高度融合，另外用户体验比较好，现在我们用一个APP就可以把车停好直接就能够用手机控制给他充电，哪怕当时忘记了，回家之后也可以实现它的控制。另外就是因为无线充电对环境没有严格要求，对于阴雨和潮湿环境下比较方便，有他一些优势，我们知道电的东西是怕水的，如果我们在日常生活中也知道，如果在用电设备上有水是非常危险的，如果要用充电设施，大功率肯定要注意安全的方面，大家都会提醒。
     另外一个无线充电优点是占地面积比较小，磨损老化问题相对小一点，装置固定在那，不用每次充电的时候插拔再连接，没有一个磨损过程，这跟有线充电是不一样的。综上，因为这样一些特点，所以全世界现在也在比较关注投入很多精力在做无线充电这项技术。
     因此我们用简单的话说，无线充电系统更适用于智能电动汽车和智能电网，我们知道电动汽车发展给电网带来很大冲击，凡是在建站的地方都会增容，我们要充电站企业或者是建站这些企业都知道，增容费是一个很大的数字。我们电动汽车的数量发展起来之后，对电网是一个很大的负荷，如果数量达到100万，甚至更多，将来达到500万辆的时候，肯定是一个很大的负荷，如果在使用电动汽车，给电动汽车用电网充电的时候，也就是电动汽车在充电的时候，如果在使用的时候没有一些智能控制的手段或者方式的话，对电网肯定有很大的影响。因此我们说无线充电技术已经成为一个解决电动汽车充电问题的有效手段和现实途径。
     现在国内外都比较关注无线充电技术，做到一个什么程度，我们看一下，今天高通的同事也在这，高通其实是在国际上做的比较领先的，工程化做的也在前面，在2015年4月FormulaE电动方程式锦标赛上展示了研发Halo无线充电技术，他们最早开发3.3千瓦的无线充电技术，高通属于美国公司，在中国也有相关办事机构，相干公司做本地化一些研发。从机车公司角度，就像奔驰、宝马，他们合作研发的电动汽车无线充电技术，奔驰已经在S级的车上进行测试，充电时间不到两个小时，下一步合作目标就是降低充电时间。
     每次和别人聊起来，就会问我无线充电缩短充电时间了吗，首先会问这个，我说那你看车是不是需要这么大功率充电，是不是能缩短充电时间，核心是你充电功率是不是变大，充电功率不变大的时候跟有线充电是一样的，不管无线充电还是有线充电对电流来说还是一样的，只是充电方式发生变化。
     在奥迪2015年推出充电效率是90%的充电系统，这套系统特点是线圈可升降，这也是无线充电现在一种方式，一般说无线充电线大家了解过，车停在某个地方有两个线圈供电，但是有的会是地面可以举起来，还有是车上那个有一个移动装置可以下来，这是不同企业设计不同结构的东西。
    还有德国公司也是这样结构，丰田在电动汽车从混合动力到燃油电池，标杆车型都是以丰田车型为主，都是以他标杆车作为我们研发目标。它把普锐斯要做充电形式的车型做了插电式的混合动力车。在日本总部所在地，就是爱知县八个用户家庭，十位住宅中进行了实验，其实2014年当时发布这件事还挺轰动的，2014年的时候电动车无线充电技术还没有像现在这样成为一个关注热点，后来也没有再报道，实验结果是什么样的，接下来丰田是采用批量生产技术，现在还看不到一些媒体方面的报道，我估计最起码量产计划可能现在还没有，但是接下来或者什么时间就看各企业自己的时间表了。
     日产我们知道做纯电动车是国际上领先的，他公布了关于一套无线充电系统相关信息，这个系统被形容为“未来加油站”，这套无线充电技术由日产和Foster+Partners，因为我们知道无线充电技术对于有线充电技术差别就是讲，我给你哪款车型号怎么开发一个系统，跟车上东西有关联，不能说这个东西随意就是既适用于A，也适用于B。
    刚才讲到地面可以举起来的感应线圈，进行充电，庞巴迪做的就是这样一个，是一个德国公司，他们研发的无线充电系统PRIMOVE充电功率可以做到100千瓦以上，我跟庞巴迪聊过，他们主要想往大功率走，现在示范的也是客车，不像国内做几十千瓦，他们都做100千瓦甚至更高，那天跟我聊想做到几百千瓦，觉得公交车几分钟充满走了，所以他们公司理念是这样子的，你看他2015年就在德国的几个城市做纯电动巴士的无线充电系统示范，也是一个示范性验证技术。
    对于公交车来说，是把车上装置降下来，因为我们知道公交车底盘相对比较长也比较大，所以对公交车来说把车上这个降下来，但是对于乘用车开发类似的技术是把地面上举起来的装置。
我们说起无线充电都会讲，首先有静止式的，车停在那个地方一动不动充电形式，前面讲的都是这几种，不管线圈动还是不动，总归是在一个位置，车是不动的，现在还有一个形式，边走边充，其实就是我们叫移动式无线充电，车在移动过程中就充上电了，这个现在国际上比较典型的代表就是韩国的科学技术研究院开发的，在龟尾市测试的充电马路。
其实无线充电线发展到这个程度，大家觉得是不是有人说直接去生产就好了，如果说市场成熟的时候，我们就直接去生产，其实现在还不是，技术没有成熟到说直接去生产的程度，我们想一个东西要想批量生产的话，其实在市场上走哪都可以用的，这个目前来说不管国内国外，完全达到这样的一个水平的还没有，实际上受到很多限制，所以我这就讲一下，在目前随着无线充电技术发展，面临的产业化技术的挑战有哪些。
首先就互操作性问题，互操作性，我们知道无线充电系统有地面发送装置，有地面发送线圈，车上接受线圈，如果说地面装置是A公司供应，接收装置是B公司供应的，跑到A公司供应地面上，B公司产品能不能工作，如果自己开发肯定知道，因为是一套系统，肯定是可以的。如果换成别人的，像我把电机逆变器拆改，强电用A家，弱电用B家，你们是两个独立产品，如果能在一起工作，这肯定是前期很好的协调配合才可以实现的，无线充电系统也是这样，这个互操作性问题，像我们现在见到充电桩一样，不管是什么品牌的车，无论是先进的高端的还是低端的，只要见到充电桩满足我的功率等级就可以给我的充电，这是我们用户对于充电桩的需求。
    两三年前会发现，我开的北汽的车跑到比亚迪的充电桩可能就充不了电，因为通信协议各方面不同，现在随着国标强制执行，整车企业把相关协议连接线变成国标，尤其直流装线全部按照国标版在改，这样对于我们用户也是一种有线充电桩的互操作性和通运性，对于无线充电系统，我如果地面充电设施和车上充电设施不管在哪都能用，这个叫互操作，互操作一个是不同功率，其实我们国内已经意识到这个问题，从去年开始成立了国家无线充电标准化工作组在讨论这个问题，后面我会给大家讲一下实际的进展。
    国际上SAEJ2954也做了一些相关研究，去年中国和德国就无线充电互操作性方面进行一个研讨，在德国方面，包括在欧洲方面这些到底如何去实现，怎么定义和约束，也是目前正在讨论的问题，还有一个除了功率，不同充电距离，很多人关心过，他们说车上有没有人，我们充电距离对于无线充电充电距离底盘距离地面高度问题，我们知道车空载的时候和满载，坐上五个人，一般以五个人为例的车型，他的车离地间隙肯定不一样，大家关心在不同的离地间隙中无线充电系统能不能工作，另外一个就是说我变了之后效率还是不是那么高，能降到多少都是大家关注的一些问题，这是充电距离一个因素。
    另外就是不同磁耦合结构，是负责能量传输主要部件，地面采用一种耦合结构，车上是另外一种耦合结构，这个也要在产业化过程中，我们要批量生产，必须解决这些问题，不同地形的线圈做出来大家常用的平面盘式线圈，以及DD型线圈，以及DDQ型线圈，一般情况下地面采用是DD型线圈，车上线圈也是会以这样一种形式，如果一个厂家进行整个系统设计肯定是这样的，如果不同厂家有不同的想法，肯定理念不相同，如果将来产业化生产就有这个问题，这就是不同磁耦合结构问题。
    另外一个就是电磁安全性问题，电磁安全性是大家非常关注，不管做的有多好，大家首先说用这个无线充电系统，或者看到别人在用的时候，对我身体健康有没有影响，这是比较关注的，这个就是最早关于国际非电力防辐射委员会发布的导则，ICNIRP2010标准，最早是2007标准，这个对人体在什么样电磁环境下限值多大有一个约束，在这个限值下像国标和SAEJ2954对这个限值得有一个规定，国标里面正在讨论马上会公布的，国标对于保护区域，各个区域分了一二三四，车是属于车外，一是属于电磁场工作区域，一就是因为车在这，在这个工作区域，二是两侧，三是车的两边，车的外围的，四是车内，分个四个区域，判断它的电磁场的强度，这是国标目前的要求。
    国标一个送审稿里面对于无线充电系统工作频率就是85千赫，有一个范围，就是81.38到90，对于电磁场限度和限值不同频率范围，属于公众暴露的3K到400K，电场强度是83伏每米，磁感应强度是27。
    对于车内测量是这样的，在不同位置我们脚踏板、座位、靠背、头枕这个位置实际测试的时候，要过强制标准这些点都要进行测试，因此到时候把国家标准完全执行，用户所关心这些点，电磁场环境应该是没有问题的。
    对于电动汽车无线充电电磁环境限制和测试方法，刚才是说在一个固定的情况下，他不同区域限制值是多少，另外不同线圈偏移距离和离地间隙情况下对电磁场进行测量，我们知道偏移距离，偏移远和近的时候，电磁场效率也不相同，可能磁场强度也不相同，这是这个里面的要求。
    另外除了刚才讲的前几个问题，一个互操作性一个电磁场，另外一个义务检测和活体保护，很多人问过我类似问题，你工作的时候如果一个猫狗在那爬一爬，甚至待比较长时间有没有问题，这是活体保护，另外就是说别人假设搞破坏放上一个什么东西，你这个系统一个能不能工作，因为是在一个室外环境下，所以这个都是整个系统需要解决的问题，叫异物检测和活体保护。
    首先是能够识别叫源边设备，发动设备地面端，如果能检测到异物要发处警告，并且停止充电或者不起动充电，有些异物没有影响，就会正常工作，这是异物保护和活体检测，地面设备具有保护活体的功能，不管小生命小动物，一个是被动防护，另外一个是主动防护，肯定在实际产业化过程中这些措施是必须有的。
还有一个对位检测，你对的不准还能充吗，在技术问题对位检测的问题，车到底是在哪个位置区域内，检测多少偏移范围并停止充电，不启动充电，现在从无线充电技术角度，谁家做的偏移距离大一点，我充电效果还很好的话，说明我这个适应能力比较强，这也是不同厂家竞争一系列产品的竞争点。
    国际标准刚才讲SAEJ2954，另外就是国际标准ICETC69，关于无线充电的要求，以及无线充电技术要求，再一个ISOTC22目前也在针对这个无线充电系统进行标准化工作。
    国标目前已经有以下四项通过审查，无线充电系统通运要求还有特殊要求，以及无线充电和车载设备通信协议，再一个对于公众安全相关电磁暴露限制和测试方法。
    刚才讲通信协议互操作性比较容易实现，通信本身就是一个无限的，大家只要按照固定的通用约束要求去通信就OK，这是相对容易，但是技术上问题反倒难实现。
    最后简单介绍一下经过前期积累目前做到什么样程度，我们知道无线充电系统已经不光在电动汽车上，大家最熟悉是手机的无线充电，很多现在高端都可选，可以买具有无线充电功能，无线充电系统在电动汽车上实际上是一个中距离无线充电，特点是耦合系数小，漏感大，大家肯定要求传输效率高，就是说在功率、效率、距离和可靠性方面都要达到最优，达到折中，这是他需要解决的问题，因此在这个方面，其实主要问题就是四个方面，就是线圈的设计与电磁场的优化，另外是功率变化和策略，结构与理论模型，阻抗匹配与参数优化设计，这里面和电子电离相关内容肯定必不可少，不管有线还是无线都是必须的。
    我们现在做的无线充电系统是基于北汽车型，最早跟北汽合作的比较多一些，他最早开发车型E150，这是北汽第一款批量化市场化，这款车已经停产了，150、160都停产了，都变成EU系列。3.3千瓦的无线充电系统，这个正好跟车载的充电机是3.3千瓦功率一样。我们这个就相当于整车不用做任何调整可以用，效率做到90.5，距离20厘米，经过后期我们已经做了高低温和振动试验，以及泡水，地面设施肯定会有在雨天和潮湿环境下使用的情况，所以要做相关试验，验证在实际装车之后测得各个点的一些电磁场强度的值，能够看得出来是满足国际标准的限值的，而且稍微离开一点，它磁场强度下降是非常快的。
    后期因为我们是2010年开始做，2013年北京科博会，2014京津冀以及后来央视很多报道也报道了相关研发，有的时候直接在展会上有一些报道。
    现在在北汽E200、E150、EU260进行搭载，完成装车调试，这是现场一些照片，进行了奖金6个月试车道路测试，完成了不同季节，尤其是冬季和夏季环境下的可靠运行。
    除了3.3千瓦也在开发其他功率等级，像6.6千瓦和30千瓦无线充电系统，这个都是静止式，刚才讲是移动式，主要是博士生研究生为主开发，前期做了很多优化设计，已经搭载相关平台，这是一个缩小的使用模型，是实际能工作的，整个工作原理跟在车上是一样，除了没有实际去装车，整个系统和研究工作做的比较深入。
    现在比较关心是我信息传输的时候，我到底是采用什么样的通讯模式，其实能量和信息同时耦合传输的话，这是现在一种新的方式，现在可以做到在传输一米距离，能量传输1千瓦，信号达到500BPS，前两天实验结果可以做到1兆BPS，这样的通讯速率。我的报告就到这里，谢谢。

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