[標的] NIO-US 充電技術-無線充電

看板Stock作者asdf95 (K神我們巴西見)時間2年前 (2022/02/12 23:55)推噓14(24推 10噓 31→)

留言65則, 34人參與討論串1/1

我可以保證，這是股版針對電動車充電技術寫最詳細的文這只是開頭之後會講述主流車企在充電技術的選擇有何不同 1. 標的：NIO-US 2. 分類：多 3. 分析/正文：一、充電技術小科普很多人對蔚來有誤解，將充電與換電對立，認為蔚來的充電技術不行，才全力發展換電。蔚來的信念：可充、可換、可升級蔚來除了換電站建設快速鋪開，充電樁建設也沒落下，建設速度跟特斯拉、小鵬在伯仲之間。 https://imgur.com/gDmPRzs

這張圖是蔚來現有的充電樁類型，分別是7kW家充樁、20kW小直流快充跟超充樁 (之後還有7kW跟11kW的直流家充樁)。其中7kW家充樁，因輸入是交流電(AC)，因此稱為交流充電樁。家充樁依靠車載充電器(OBC)進行交直流轉換充電，家充樁只擔當智能開關的作用，在OBC走向集成或消失的當下，交流充電樁已經定型。至於常聽到的快充、超充都是直流充電樁。不管交流或直流充電樁，交直流轉換的原理相同。因此從OBC的電路拓撲入手，先建立充電技術的概念。 https://imgur.com/JHALLhc

(一)PFC(Power Factor Correction，功率因數校正) PFC是改善功率因數的電路。要談功率因數，要先了解交流電功率：有功功率(real power，單位是W)，以P表示無功功率(reactive power，單位是var)，以Q表示視在功率(apparent power，單位是VA)，以S表示 https://imgur.com/t7jO1a1

對於正弦波的波形，P、Q及S可以用相量表示。 θ是電流和電壓的相位角，功率因數等於此角的cosθ P/S=cosθ 因為是餘弦θ，所以功率因數是介於1到-1之間的數值。通過調整交流電輸入電流波形，減少電壓與電流相位差，抑制諧波電流，使cosθ接近1。 https://imgur.com/MFrG89L

PFC的功用是輸出的穩壓調壓，輸出不隨輸入電壓波動變化，能得到高穩定的輸出電壓，而主動式PFC的直流(DC)電壓紋波很小，不太需要用大容量的濾波電容。並且抑制高次諧波，高次諧波會造成電力系統發熱，不但浪費電能，還有燒毀的危險。 (二)LLC LLC是種串並聯的諧振電路，具有諧振電感Lr、勵磁電感Lm和諧振電容Cr，因此簡稱為LLC。何謂諧振？就是共振。諧振電路是利用電感(L)及電容(C)完成電路的共振，交流電路的阻抗非定值，是隨頻率變化。 https://imgur.com/IYqF5Tn

阻抗(Electrical impedance)是電路對電流抵抗的度量(符號Z)，在交流電路中，分為實部與虛部，實部為電阻，虛部為電抗(上圖中的有功功率為實部，無功功率為虛部)。電抗又分電容產生的容抗與電感產生的感抗，兩者會隨著電路的電流頻率變化(電阻不會)。容抗=1/2πfC，容抗在低頻時變大、高頻時變小，直流電頻率為0，容抗無限大，因此電容通交阻直。電容的電壓不能突變。感抗=2πfL，與容抗相反，在低頻時變小、在高頻時變大，直流電頻率為0，感抗為0，因此電感通直阻交。電感的電流不能突變。當容抗=感抗，無功功率為0，只需考慮有功功率。利用電容跟電感特性，通過控制開關頻率(調節頻率)，將DC調整成目標波形，實現電壓恆定。 https://imgur.com/NB9YYJM

這是設計LLC電路採用FHA繪製的DC特性曲線圖。 ZVS(零電壓切換)，電子功率元件電壓在切換時為0。 ZCS(零電流切換)，電子功率元件電流在切換時為0。以Fs=Fr的諧振點為界。左側容抗>感抗，諧振槽成為容性區域，為實現ZCS，電壓滯後於電流，適合IGBT。右側感抗>容抗，諧振槽成為感性區域，為實現ZVS，電流滯後於電壓，適合MOSFET。 MOSFET由於開通損耗比關斷損耗大(約多60%)，因此選擇ZVS。而在ZVS區域2輸出整流二極體具有ZCS的條件，沒有反向恢復的問題，效率最高。最後經過同步整流輸出DC到電池包。 (三)無線充電無線充電方式主要有四種：電磁感應式、磁場共振式(又稱磁耦合諧振式)、電場耦合式和無線電波式。 https://imgur.com/TBTxF5E

電磁感應式是日常見到最主要的無線充電方式，但不太適用於電動車，因為傳輸距離太短(最多幾公分)。電場耦合式對電極形狀、材質的限制較少，且電極可以薄型化，並且不像電磁感應式要對位精準，位置較自由且發熱較少，但缺點跟電磁感應式一樣，距離太短。無線電波式距離最遠，但轉換效率太低。只有磁場共振式符合距離、功率與轉換效率達到電動車無線充電標準。既然是磁場共振式，自然是用諧振電路，與充電樁用LLC不同，無線充電的諧振電路選擇有以下幾種： https://imgur.com/3ziMrGh

Q1到Q4是四個原邊(發射側)MOSFET，D1到D4則是副邊(接收側)整流二極管，跟充電樁充電原理一樣，只是變成無線，並且諧振電路的選擇不同。 1.諧振電路類型 S(series circuit)，串聯電路，電容與電感串聯，對於原邊，可直接與電壓源型逆變器連接，輸入阻抗較低、損耗小，易實現電壓反饋調節。對於副邊，有類似恆壓源(輸出電壓穩定)特性。 P(parallel circuit)，並聯電路，電容與電感並聯，對於原邊需要電流源供電，易受擾動，實際應用少。對於副邊，有類似恆流源(輸出電流穩定)特性。因此SS即是兩邊皆是串聯電路、PP兩邊皆是並聯電路、 SP原邊並聯副邊串聯、PS原邊串聯副邊並聯。 LCL能恆流源，在輕負載時有很高的功率因數與諧波濾波能力。其它類型是基於以上三種電路拓撲的擴展，針對穩定條件、輸入阻抗及系統傳輸，進行各種優化。以蔚來的無線充電專利布局為例(是的，你沒看錯，蔚來很早就在電動車無線充電有布局)，在專利號CN108400625A，蔚來選擇針對DDQ線圈的電路拓撲進行優化。線圈耦合結構的性能是影響磁場共振式電能傳輸的重要因素。設計重點是如何提高耦合係數(coefficient of coupling，符號為k，兩電感元件間，實際互感量與最大互感量之比，數值介於1到-1之間)。 2.線圈耦合結構基本三種類型分別為環形線圈、8字形線圈(DD)和螺線管線圈： https://imgur.com/PVs8oW1

環形線圈繞制方便、鐵損和銅損小(導磁體和導線損耗)，但耦合較差。 DD線圈與環形線圈相似，由兩個環形繞圈反向串聯，產生相反的磁場，耦合系數與損耗介於環形和螺旋管線圈之間。螺旋管線圈是典型的銅包鐵結構，磁力線集中、耦合系數高，但鐵損跟銅損高。跟手機無線充電一樣，耦合係數受兩線圈間的距離與偏移影響很大，如下圖所示： https://imgur.com/TqyRxEl

這是兩個30公分的(圓形)環形線圈測試結果，這是線圈軸向對齊，平移線圈距離產生的耦合係數變化。耦合係數為負，代表兩線圈磁通方向相反。 3.蔚來的無線技術方案在實際的生活中，由於手動泊車很難停到完全對準線圈，不能保證足夠的傳輸功率，要增加線圈尺寸就會增加成本跟重量。 DDQ就是為解決位置偏移，造成傳輸功率和效率降低的線圈形式 (位置偏移後，DD線圈的感應電壓變小，Q線圈感應電壓變大，兩者疊加輸出，能盡量減少功率的降低)。 DDQ線圈長這樣： https://imgur.com/zk9ieYf

DDQ線圈是在DD線圈的基礎上，增加一個和DD線圈正交的線圈Q，產生的磁場互不影響，兩線圈分別輸出，輸出電壓通過兩個整流橋後並聯輸出。然後，新的問題來了。由於DD線圈和Q線圈接受到的磁通量不一致，容易造成某一支路輸出電流不均，甚至毫無輸出。會造成效率降低和EMI(電磁干擾)特性變差，常規的整流電路，無法解決輸出電流不均的問題。 CN108400625A就是解決這問題的電路拓撲。 https://imgur.com/KjhQW7Y

蔚來雖然早早布局無線充電，但未來車型規劃中，連OBC都拿掉，對於需要在車底安裝接收線圈的無線充電，恐怕早已出局。 4.其它車企的無線技術方案 (1)上汽智己上面提到由於手動很難精準對位，因此有的車企特別強調自動泊車的功能。智己L7宣稱它的IM AD系統能做到記憶泊車、代客泊車(專利號CN113335271A)。利用車端環視攝像頭，透過VSLAM(視覺同步定位與地圖構建)對特微點的提取，結合車輛的IMU(慣性測量單元)，進行自車定位。基於加戴的停車場或車位地圖，做出路徑規劃和運動控制，最後經過多傳感器的數據融合，實現精準停車。不過在發射線圈跟接收線圈有間隙，在無線充電時如果有金屬異物或生物存在，兩端線圈的電磁場會對其加熱，非常不安全。因此，異物檢測(FOD)與活體檢測(LOD)，是無線充電裝置很重要的安全設施，在智己的宣傳或專利中，並沒有提到相關的檢測。反倒在同屬上汽集團(600104.SH)的通用五菱，有註冊相關的專利CN113844287A，並且能利用整車控制器對其進行清除。 https://imgur.com/I1qleeA

在發射側的頂面要塗抹疏水疏油的雙疏材料，如含氟弱酸聚合物、有機矽烷聚合物，使發射側頂面光滑吸附力小，形成易清潔表面，當砂石或水滴、油滴落在頂面，可自滑落。發射側要安裝傳感器，對無線充電樁進行監控，再通過無線通訊，將異物訊息傳到車端控制器。這裡主要判斷標準是重量或圖像識別(依據實裝的無線充電樁採用何種傳感器)。最後依據異物種類，決定採取何種清除手端。如果吹掃、聲光跟噴淋都無法清除，通知車主人工清除。最終五菱這些技術，智己會用上多少？不得而知，只希望多多益善吧，畢竟安全無小事。 (2)Momentum Dynamics 電動車無線充電既然有走精準定位的公司，自然也有走往大線圈尺寸的公司。 Momentum Dynamics就是如此。 https://imgur.com/PT8Tnt2

別看示意圖上接收側那小小的四個方塊，實際上大小是這樣── https://imgur.com/krOAu7B

每塊長跟寬超過70公分，功率為50kW，4塊總計為200kW。據Momentum Dynamics宣傳，在發射側與接收側最佳距離約7英寸(17.78公分) 的情況下，充電效率在92-94%之間，接近普通直流樁充電效率。對於公車的使用場景，無線充電的好處是操作簡單，節省人工拔插充電樁的時間，使用零碎的等候時間，無需額外浪費時間充電，可以使公車全天保持服務，提高公車使用率。況且公車路線固定，有固定的停靠站，適合安裝固定的無線充電發射側與相關的充電機櫃。相對於無軌電車，可以不用架設路面上的電纜，只需當地電容足夠，場地允許就能安裝。從專利US20200168393A1來看，Momentum Dynamics使用的是平面螺旋結構，利用特定方式連接。 https://imgur.com/3lWcaQ5

缺點就是體積不小並且重量不輕。 5.無線充電發展展望目前電動車無線充電發展較好的領域在大眾道路運輸。相比於燃油公車，電動公車環保，無線充電更易補能，充份利用零碎時間。相比於無軌電車，無線充電在市容跟鋪設維修有優勢。電動車無線充電，SAE(美國汽車工程車協會)的J2954，針對22kW以下的功率標準，分為四級： https://imgur.com/hF0pYuu

是各國制定電動車無線充電標準的重要參考。但只有少數車企對此有相關的開發計劃，畢竟無線充電對距離、角度要求很高，並且需要傳感器配合，不然充電功率慘不忍睹。成本高、效率不高。由於安裝車底，有碰撞風險，最重要是很多人對其電磁波有安全疑慮。技術、成本與社會原因，使電動車無線充電在私家車領域，注定是少數車企的選擇。時不時能看到宣傳邊開邊充的高速公路車道，更多是畫大餅，沒多大意義。因為絕大部份電動車沒有加裝接收線圈，根本充不了電，而高速公路的金屬垃圾或碎屑，反而會因電磁感應發熱，造成安全危害。下次看到吹無線充電高速公路時，別再被騙了。 4. 進退場機制：長期投資 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 61.223.124.241 (臺灣) ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Stock/M.1644681336.A.68F.html

噓

peter98

02/12 23:59, 2年前 , 1^F

02/12 23:59, 1^F

噓

qwert810

02/13 00:12, 2年前 , 2^F

02/13 00:12, 2^F

噓

winniesc

02/13 00:12, 2年前 , 3^F

02/13 00:12, 3^F