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功率/效率技術準備就緒 電動車無線充電鳴槍開跑

2018-10-30
無線充電技術臻於成熟,不僅在消費性電子領域大放光彩,於電動車無線充電市場更是一觸即發。目前主流車用無線充電方案商WiTricity與高通(Qualcomm)已突破功率與效率的門檻,正積極與Tire 1車廠展開合作。

為了降低空氣汙染災害,各國相繼發布禁售燃油車法案,並祭出一系列的電動車產業相關輔導政策,發展純電力行駛的交通載具企圖可見一斑。以實際電動車發展的時間表來看,大多數的國家將從2030年開始,將全面實施電動車政策,而從2025年將看到市場明顯成長,預計在全球汽車銷售比重中,電動汽車將超過10%;而此發展也間接推動無線充電在汽車應用的發展。

由市場研究機構ResearchAndMarkets預測報告指出,2023年全球電動汽車充電站市場預計將從2018年的53億美元增加到304.1億美元,複合年增長率為41.8%。此一進展也刺激更多方案商積極投入車用無線充電的計畫,包含Qualcomm、WiTricity、Evatran、Elix Wireless、HEVO和東芝(Toshiba)等廠商,但就目前市場來看,電動車無線充電方案儼然已被Qualcomm和WiTricity兩大龍頭瓜分,其中WiTricity表示,該公司已與全球十大汽車製造商中的九家合作,預計到2022年市場規模將高達40億美元。

WiTricity大中華區總經理曹元蓀(圖1)指出,磁共振技術可說是無線充電2.0版本,有許多關鍵特性可以滿足多樣化的汽車應用,例如提供的功率輸出效率與充電速度,皆與插電式的充電效率不相上下,同時具備容易停車充電的方便性(X-Y的靈活性)、穿透材料(如水泥、雪、冰等)的充電能力,以及雙向無線電力(Bi-directional)傳輸的能力等,提供車輛隨停即充的功能(圖2)。

圖1 WiTricity大中華區總經理曹元蓀認為,磁共振是實現電動車無線充電的關鍵技術,可實現最佳的用戶體驗。
圖2 磁共振具備的關鍵能力
資料來源:WiTricity

雖然目前大多數基礎設施都是有線充電,但在消費者對於便利性的需求促使下,無線充電有望成為下一個關鍵技術,打造無須插電即能隨時充電的智慧車輛。不過曹元蓀也談到,無線充電的成長率取決於電動車引入和消費者採用的數量,隨著城市內多租戶住房、停車場和零售據點的增加,將促進無線充電基礎設施遍地開花。

車用無線充電標準拼年底上路

車用無線充電在各實驗室與研發單位正積極發展當中,而市面上也有看到一些廠商準備發售相關產品,如BMW提出2018年發售無線充電汽車車款。另一方面,車用的無線充電規格也呼之欲出,預期2018年年底SAE J2594標準將完全底定。

車輛研究測試中心(ARTC)研究發展處機電工程整合技術專案處盧建智(圖3)談到,現階段無線充電法規僅有提出一些草稿,例如美國汽車工程師協會在2016年訂出第一版SAE J2594標準,隔年確立第二版本,在規範之中將車用無線充電分為WPT1~WPT4四階段,其瓦數分別定義為3.7kW、7.7kW、11kW與22kW。從目前定義來看,WPT1~WPT3大約將無線充電效率設定為85%,而錯位(非標準最佳充電位置)標準需高達80%以上,距離則區分為Z1~Z3等級,Z1界定範圍在10~15公分之間(地面到充電接收板的距離),至於第四階段,目前還在擬定當中,尚未有明確的定義。

圖3 ARTC研究發展處機電工程整合技術專案處盧建智表示,車用無線充電法規預計將於2018年底上路,將刺激無線充電發展更上層樓。

致茂電子(Chroma)量測儀器事業部電子量測系統產品部工程師蔡誌元(圖4)表示,無線充電無疑是電動車便利又安全的充電方式,目前電動車無線充電系統尚處研發階段與市場推動的初期,其操作頻率範圍介於81.38kHz~90kHz之間;而考量充電時間問題,無線充電功率將以7.7kW為主流。整體來看,WPT1(3.7kW)與WPT2(7.7kW),主要應用於私人家庭及公共停車場;WPT3(11kW)與WPT4(22kW)應用於快速充電;而目前也已有科技企業在開發30kW/60kW應用於E-Bus充電。

圖4 Chroma量測儀器事業部電子量測系統產品部工程師蔡誌元談到,目前車用無線將以7.7kW的功率等級為主。

舉例來說,Momentum Dynamics針對自駕車與電動巴士提供50kW和75kW方案,同時亦提供高達200kW的功率等級,為軌道交通所用。此外,ElectRoad主要提供動態電動車充電(DEVC)方案,已與BMW、戴姆勒(Daimler)、福特(Ford)、Volkswagen與奧迪(Audi)和保時捷(Porsche)等車廠合作,企圖打造歐洲超快速350kW充電網路。

盧建智分析,車用無線充電目前最大突破在標準規格的制定上,預計2018年年底SAE J2594會有相關規範底定。從全球標準制定來看,主要以IEC 61980為主,可看到IEC 61980-1版本已經發布,後續將推出IEC 61980-2版本,預計在2019年11月底拍板定案。整體來說,IEC 61980與SAE J2594主要是針對充電功率、距離、可靠度、頻率、測試規範(如電磁波影響要求)等,擬定相關規範,而歐美、中國、日、韓與台灣的車用無線充電標準,主要也以SAE J2594與IEC 61980兩大標準作為參考依據。

從另一個角度來看,近年中國電動車市場急速起飛,已於近期發布中國電動汽車無線充電產品及互操作性測試活動,展開大量、嚴謹的測試和研究,為GB/T標準編制奠定基礎,據悉中國已有20多家公司響應參與。

法規制定可說是催化車用無線充電快速發展的引爆點。隨著技術、標準陸續就定位,搭配各國政府對於電動車法規政策的推動,預期車用無線充電商機將水漲船高,可看到已經有許多廠商在默默進行前期研發,並即將進入完成階段。

整體而言,目前車用無線充電,主要還是採用IPT電路架構,而諧振架構由WiTricity進行發表屬於四階電路架構,設計上較為複雜,雖然傳電距離相較於IPT架構較遠,但效率不佳,因此現階段還是採用IPT類型的二階架構為主(圖5)。

圖5 無線充電傳輸架構類型
資料來源:ARTC、新通訊元件

盧建智分析,IPT下的電路都會包含諧振設計,以設計來看並無很明顯的共振式或感應式的區分,故從電路結構上來看並無明顯區別,最大的差異度是在參數設計上的設計不同,而導致有共振式或感應式的結果,參數設計上共振式要求較嚴苛,所以在傳電線圈同尺寸下可傳距離較感應式遠一些,因此車用設計上大多採用共振式設計。

盧建智進一步談到,共振式與感應式的差異度,需要從電子術語的系統品質因數(Q值)進行說明,共振式與感應式就是Q值的不同,共振式Q值較高,設計上會導致傳電線圈上的電感值(L)參數也較大,在進行LC諧振時電源波形較純粹,因此可進行低耦合係數(k<0.3)的高效率無線傳電;感應式Q值較低,設計上L較小,所以在最高效率點會優於共振式,但是只能傳遞較近距離高耦合係數(k>0.7)的高效率無線傳電。

安全/互操作性缺一不可

安全與便利是無線充電系統的主要優勢,其中便利性除了解決接觸式充電之笨重的充電槍問題外,另外就是要克服安全與互操作性兩大問題。電動車無線充電技術受限於本身的物理限制,在工作區之內可能會產生電磁波或金屬異物進入工作區,導致充電裝置爆炸的疑慮,故不僅須要在頻率、線圈、參數設計與材料選用上小心,更需要導入一些安全防護機制,避免災害發生。

盧建智談到,在車輛外的TX與RX工作範圍內無法避免電磁波的危害,但當使用者超出無線充電工作區,基本上就不會有電磁波影響問題,因為IPT是一個固定範圍強力聚焦的架構。不過,在無線充電方案中,加入金屬異物偵測(FOD)與生物感測防護機制尤其重要,特別是金屬異物偵測是必要技術。從BMW強調其無線充電產品導入金屬異物偵測與生物感測這兩項機制,即可看出其必要性。

然而,如何實現金屬異物偵測與生物感測這兩個技術呢?最簡單的方式就是採用攝影機、紅外線、偵測雷達,甚至是加入一些偵測線圈設計,來實現金屬異物偵測。

盧建智透露,ARTC採用的金屬異物偵測,是透過線圈設計進行偵測,此舉不僅可降低成本費用,偵測異物的反應更為直接。若紅外線和攝影機偵測,有可能會受到光的影響,造成感測誤差,此外加裝攝影機的方式,也會墊高一些BOM成本。

另一方面,從一般消費者的使用心態來看,總不會希望自己加裝的無線充電車輛無法相容於其他充電樁(或充電底盤),也基於此,符合法規規範並做好認證測試,在安全規範的需求下,提升產品互操作性與充電效率非常重要。

事實上,電動車無線充電解決方案包括三個主要元件,包含電源控制站、車輛配件(Vehicle Assembly, VA)和地面配件(Ground Assembly, GA)等三大元素(圖6)。

圖6 電動車無線充電解決方案三大關鍵元件
資料來源:WiTricity

SAE J2954規範效率要求高 測試驗證重要性遽增

蔡誌元談到,車用無線充電標準對整體系統傳輸效率要求85%以上,在GA/VA錯位的容許範圍內要求效率還須高於80%,因此在SAE J2954規範裡詳細描述效率的測試方式與建議,要求效率測試至少驗證144個點位置,再加上旋轉與汽車胎壓、荷重不平衡的傾斜角度模擬測試要求,手動測試至少費時數十小時。

故目前已有廠商,如Chroma推出無線充電自動測試方案以及符合SAE J2954要求的FOD測試平台與金屬異物溫度量測方案,將有效大幅縮短80%以上測試時間,並滿足無線充電應用安全的FOD功能。

蔡誌元表示,Chroma提出最新的測試應用,無線充電測試平台可操作於高頻的振動以模擬汽車停泊戶外強風造成車體晃動條件,確保無線充電系統仍可維持高效率的輸出與運作;另外電動車無線充電板GA與VA體積重量龐大,測試的位置不易調整,Chroma將推出GA/VA中心匹配位置的自動校準調整功能,提供使用者更便利的測試方案,解決GA/VA「對不準」問題。

目前日商Hioki也有推出電動車無線充電器測試方案,但Chroma有完整系列的可編程交流電源、直流電子負載與自動化測試系統,涵蓋了SAE J2954的充電標準3.7~22kW功率要求,可對無線充電器進行輸入端的電源效應測試、輸出端的穩定度精準度量測及限電壓限電流保護測試,再搭配依標準推薦性規程內容所開發的電動車無線充電器測試平台,可進行X, Y, Z, Ψ, Θ, Φ六個軸向的錯位角度模擬與效率量測。

據悉,Chroma無線充電測試平台與測試方案已獲中國三大指標實驗室中國汽車技術研究中心(CATARC)、中國電力科學研究院有限公司(中國電科院)、國網電力科學研究院實驗驗證中心(NARI)、韓系車廠與國際知名電動車用無線充電解決方案領導廠商採用與推薦。

蔡誌元分析,目前尚未有大規模商業化的無線充電站,只有特定地點區域的示範站,例如新頁科技與武漢普天新能源在湖北武漢共同建立的電動汽車無線充電示範站。整體而言,無線充電除了追求大功率與電源轉換效率外,朝便利性與安全性方向發展,研發房間規模充電技術,提升FOD技術能力,將會是國內廠商領先國際的機會與挑戰。

從家庭開始導入 EV無線充電漸具雛型

曹元蓀認為,未來十年中汽車產業將引爆破壞式創新革命。當尚未看到無線充電基礎設施完全成型前,預計有98%的電動車無線充電從家庭開始布建,工作功率為11kW。該公司主要是提供電動車擁有方便又直觀的充電體驗,當汽車停入車道/車庫時,即能自行充電。以目前來看,該公司可支援的無線充電技術無電量限制,但受限於家庭或辦公室可用的電量,使其電力供給需求約11kW甚至更低電量。

人們對於汽車安全要求仍處持續上升之發展態勢,汽車產業正關注加強和實施汽車各部分系統的安全功能,以消除可能有的威脅。舉例來說,國際非電離輻射防護委員會(INCIRP)的電磁場暴露限值安全準則,即是將汽車保持在最高安全級別規範之一。

 

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