電動汽車充電技術(shù)—無線充電

電動汽車（EV），插電式電動汽車和xEV正在成為汽油動力（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機(jī)，高壓儲能系統(tǒng)和電氣動力傳動系，xEV表現(xiàn)出比ICE車輛更好的性能。電動汽車的出現(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)動機(jī)車輛的現(xiàn)代加油站不相稱的高效電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施是快速采用電動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)有可能解決電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的限制。無線充電的優(yōu)點包括其在車輛靜止或運動時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]

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

1）靜電充電;

2）準(zhǔn)動態(tài)充電;

3）動態(tài)充電。

靜電充電的好處包括消除電線引起的電擊危險，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，因為它們在短時間內(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，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)計是一項關(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)的一個顯著優(yōu)點是其安全操作功能，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)?。如果需要連續(xù)供電，則應(yīng)用程序應(yīng)選擇使用分布式拓?fù)?。分布式系統(tǒng)由軌道（長環(huán)布置的初級線圈）以及一個或多個拾取器（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，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，則它是松散耦合的集總系統(tǒng)，其通常由EV充電時使用。

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。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，用于電動車輛的無線充電的實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的時間方面存在挑戰(zhàn)。解決這些現(xiàn)有限制的方法之一是開發(fā)動態(tài)無線功率傳輸技術(shù)。通過結(jié)合動態(tài)無線充電，不需要電池，充電時間將大量減少。

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“過?！彪娏Γ缓笤诟叻逍枨笃陂g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)可實現(xiàn)電網(wǎng)與電動車輛中的高功率，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動力傳輸技術(shù)，所有電動車輛的總電池容量提供了潛在的大型能量儲存器，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)用于電動車輛的無線充電技術(shù)，以實現(xiàn)自動和“免提”充電體驗。這些技術(shù)的組合，WPT系統(tǒng)中的V2G功能，尤其是當(dāng)自動駕駛車輛變得普遍時，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)行少量修改即可實現(xiàn)此功能。在G2V和V2G方向上都可以實現(xiàn)類似的功率傳輸水平（7 kW）和效率（＞90%）?？烧{(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模式下的操作中實現(xiàn)了性能改進(jìn)。