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。
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。
(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
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。
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。
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。
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。
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：
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：
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：
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：
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。
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。
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。
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──
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。
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：
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。
創作內容
蔚來(NIO-US)全戰略藍圖分析(十一)充電技術
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