電動(dòng)汽車充電技術(shù)—無線充電

電動(dòng)汽車（EV），插電式電動(dòng)汽車和xEV正在成為汽油動(dòng)力（ICE）車輛的流行替代品，以減少溫室氣體排放并減少空氣污染。通過使用非常高效的電動(dòng)機(jī)，高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)和電氣動(dòng)力傳動(dòng)系，xEV表現(xiàn)出比ICE車輛更好的性能。電動(dòng)汽車的出現(xiàn)導(dǎo)致了一種典型的人類行為的演變，稱為距離焦慮，由于在電動(dòng)汽車的直接行駛范圍內(nèi)無法使用商用充電基礎(chǔ)設(shè)施而加劇這種距離焦慮。與ICE發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的現(xiàn)代加油站不相稱的高效電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施是快速采用電動(dòng)汽車的主要限制因素之一。

為EV充電的不同方法是導(dǎo)電充電和感應(yīng)充電，也稱為無線充電。無線充電技術(shù)有可能解決電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的限制。無線充電的優(yōu)點(diǎn)包括其在車輛靜止或運(yùn)動(dòng)時(shí)的安全性和充電便利性。

以下將詳細(xì)介紹無線充電技術(shù)。

1 技術(shù)綜述[1]

無線充電實(shí)現(xiàn)了車輛的自動(dòng)充電，這可以通過三種不同的模式實(shí)現(xiàn)：

1）靜電充電;

2）準(zhǔn)動(dòng)態(tài)充電;

3）動(dòng)態(tài)充電。

靜電充電的好處包括消除電線引起的電擊危險(xiǎn)，以及安裝在家庭車庫或停車場等方便位置的能力。QWC系統(tǒng)為EV提供充電，因?yàn)樗鼈冊诙虝r(shí)間內(nèi)停止，例如在交通信號燈處，這樣可以在途中延長車輛行駛里程并降低車輛的能量存儲(chǔ)要求。DWC系統(tǒng)在通過道路上的指定充電通道途中連續(xù)為EV充電，同時(shí)也增加了行駛里程并減小了EV的電池尺寸。WPT采用2級（230 V交流）充電，功率為7.2 kW，通過無線充電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，效率高達(dá)88.5%。與充電基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的技術(shù)問題包括其設(shè)計(jì)，構(gòu)造，操作和維護(hù)。在短距離內(nèi)部署高效可靠的充電基礎(chǔ)設(shè)施將支持電動(dòng)汽車的無限制范圍。

如今，一種非常有效的無線充電方式是諧振CPT用于專用通道的動(dòng)態(tài)充電和諧振IPT在SWC和DWC中使用。在電感和電容WPT之間中進(jìn)行了比較分析。IPT技術(shù)已經(jīng)開發(fā)多年，成功商業(yè)化的低功率產(chǎn)品。磁耦合器有許多無線充電開發(fā)階段，它是發(fā)射器（Tx）和接收器之間幾毫米距離的變壓器。研究人員通過使用改進(jìn)的補(bǔ)償技術(shù)，功率水平和氣隙提高了效率。

2 無線充電—感應(yīng)電能傳輸（IPT）技術(shù)[2]

無線電力傳輸正變得越來越流行并且在諸如智能電話和電動(dòng)車輛（EV）的許多應(yīng)用中使用。因此，節(jié)能無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。

感應(yīng)電能傳輸（IPT）是一種能夠使電力無接觸地傳輸?shù)募夹g(shù)。其工作原理類似于變壓器的工作原理，其中能量通過線圈之間的相互耦合從初級傳遞到次級。典型IPT系統(tǒng)的頻率范圍從幾千赫茲到幾兆赫茲，功率傳輸水平范圍從0.5 W到50 kW，線圈之間的氣隙可達(dá)幾百毫米。由于氣隙相對較大，IPT系統(tǒng)的耦合系數(shù)通常小于0.6，而變壓器的耦合系數(shù)可能大于0.9。IPT系統(tǒng)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是其安全操作功能，特別是在惡劣天氣下。原因是初級線圈和次級線圈之間沒有物理連接。另外，基于IPT系統(tǒng)的電子設(shè)備比傳統(tǒng)的插入式或有線設(shè)備更方便和用戶友好。最近，IPT系統(tǒng)已廣泛用于商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用，例如小型電子設(shè)備的電池充電和電動(dòng)汽車（EV）。

通常，IPT系統(tǒng)可以分為兩種類型：分布式拓?fù)浜图偼負(fù)洹Ｈ绻枰B續(xù)供電，則應(yīng)用程序應(yīng)選擇使用分布式拓?fù)洹７植际较到y(tǒng)由軌道（長環(huán)布置的初級線圈）以及一個(gè)或多個(gè)拾取器（耦合到軌道的一小部分的次級線圈）組成。集總系統(tǒng)由離散的初級和次級線圈組成。根據(jù)兩個(gè)線圈之間的氣隙，集總系統(tǒng)可以進(jìn)一步分為緊密耦合和松散耦合類型。當(dāng)氣隙相對較小時(shí)，它被認(rèn)為是緊密耦合的集總系統(tǒng)，并且系統(tǒng)通常具有插入式初級。當(dāng)氣隙相對較大時(shí)，則它是松散耦合的集總系統(tǒng)，其通常由EV充電時(shí)使用。

3 利用雷達(dá)傳感器的無線充電技術(shù)[3]

隨著電池容量變得適合大眾市場，對電動(dòng)車輛充電技術(shù)的需求不斷增加。無線充電被認(rèn)為是最有前途的自動(dòng)和方便充電技術(shù)。特別是在可公開進(jìn)入的停車位中，異物能夠容易地進(jìn)入充電線圈之間的大氣隙。由于誘發(fā)的磁場不符合規(guī)定，因此要求無線充電系統(tǒng)采取與保護(hù)瀕危物體有關(guān)的進(jìn)一步預(yù)防措施。因此，需要額外的傳感器防止它們暴露于磁場主要來保護(hù)活物體。

在電動(dòng)汽車的背景下，無線充電已經(jīng)發(fā)展了近20年。在以5-150 kHz的頻率將電網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換為交流電后，在兩個(gè)感應(yīng)線圈之間，通過交變磁場傳輸功率。與無線功率傳輸?shù)钠渌麘?yīng)用相比，磁場必須穿越初級線圈和次級線圈之間的大氣隙。

使用車輛側(cè)面的汽車?yán)走_(dá)傳感器監(jiān)測車輛底部下氣隙，可以防止生物體暴露于感應(yīng)充電系統(tǒng)引起的交變磁場。為了滿足感應(yīng)充電系統(tǒng)的要求，應(yīng)用二維信號處理技術(shù)來檢測外來物體的最輕微移動(dòng)。檢測車輛下方的平靜握持的手并且與靜態(tài)物體的反射區(qū)分開。在原型實(shí)施的幫助下評估概念可行性。此外，應(yīng)用二維信號處理技術(shù)以滿足感應(yīng)充電系統(tǒng)的要求。

4 動(dòng)態(tài)無線功率傳輸技術(shù)[4]

無線功率傳輸是一種快速發(fā)展的技術(shù)，用于通過氣隙為電子設(shè)備充電。對這種新充電技術(shù)的開發(fā)和使用的廣泛興趣是由于其簡單，免于煩人的充電電纜，更高的效率和更少的充電時(shí)間。隨著其技術(shù)進(jìn)步，無線電力傳輸技術(shù)有助于大量減少傳統(tǒng)車輛對大氣中的污染物和二氧化碳排放。然而，用于電動(dòng)車輛的無線充電的實(shí)施仍然在功率傳輸效率，能量傳輸范圍，具有低能量密度的重型電池的利用和車輛充電所花費(fèi)的時(shí)間方面存在挑戰(zhàn)。解決這些現(xiàn)有限制的方法之一是開發(fā)動(dòng)態(tài)無線功率傳輸技術(shù)。通過結(jié)合動(dòng)態(tài)無線充電，不需要電池，充電時(shí)間將大量減少。

傳統(tǒng)的無線電力傳輸系統(tǒng)包括直流側(cè)電源，其通過DC-AC逆變器轉(zhuǎn)換為AC，收發(fā)器和接收器板通過互感器，AC-DC整流器和負(fù)載耦合。收發(fā)器和接收器塊具有補(bǔ)償電路器件，其減少功率泄漏并因此傳輸更多功率。有四種主要的補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，命名如下：串聯(lián)（SS），并聯(lián)（PP），串并聯(lián)（SP）和并聯(lián)（PS）。使用特定補(bǔ)償電路的選擇取決于系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，已經(jīng)開發(fā)出更有效的補(bǔ)償電路，如電感-電容-電感（LCL）和電感-電容-電容（LCC）。

5 車對電網(wǎng)雙向無線充電[5]

可再生能源在國家電網(wǎng)中發(fā)揮著越來越大的作用。由于許多可再生能源（例如風(fēng)能和太陽能）的間歇性特征，在可再生能源可用性和同時(shí)的高峰需求之間保持平衡變得越來越困難。由于峰值需求與可再生能源峰值產(chǎn)量之間的時(shí)間不平衡，這一挑戰(zhàn)通常被稱為“鴨子曲線”。防止可再生資源產(chǎn)生的電量減少的一種方法是存儲(chǔ)“過剩”電力，然后在高峰需求期間將其反饋到電網(wǎng)中。車對網(wǎng)（V2G）技術(shù)提供了完成此任務(wù)的方法。V2G技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電動(dòng)車輛中的高功率，高容量推進(jìn)電池之間的雙向電力供應(yīng)。因此，該技術(shù)有助于穩(wěn)定電網(wǎng)供需平衡。

利用V2G動(dòng)力傳輸技術(shù)，所有電動(dòng)車輛的總電池容量提供了潛在的大型能量儲(chǔ)存器，可用于電網(wǎng)穩(wěn)定并滿足峰值能量需求。此外，正在開發(fā)用于電動(dòng)車輛的無線充電技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和“免提”充電體驗(yàn)。這些技術(shù)的組合，WPT系統(tǒng)中的V2G功能，尤其是當(dāng)自動(dòng)駕駛車輛變得普遍時(shí)，有必要利用用于電網(wǎng)目的的車輛電池能量。由于開發(fā)的新興標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)與SAEJ2954完全兼容，由此可以實(shí)現(xiàn)雙向無線功率傳輸。這意味著車輛可以在任何與標(biāo)準(zhǔn)兼容的無線充電站對G2V充電，同時(shí)還能夠在雙向充電站將電力傳輸回電網(wǎng)。只需對車載硬件進(jìn)行少量修改即可實(shí)現(xiàn)此功能。在G2V和V2G方向上都可以實(shí)現(xiàn)類似的功率傳輸水平（7 kW）和效率（＞90%）。可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)的使用便于在寬范圍的操作條件（線圈位置和電池電壓）下操作，并且在G2V和V2G模式下的操作中實(shí)現(xiàn)了性能改進(jìn)。