电动汽车使用无线充电

随着我们在日常生活中更多地转向使用无线产品，电力电子研究同时也在为电动汽车 (EV) 等事物发展无线充电的新趋势。许多国家现在正在实施燃油经济性法规并推动以电动汽车取代汽油车的举措;因此，汽车制造商现在非常关注电动汽车的开发。虽然锂离子电池和超级电容器等技术进步大有希望，但更平稳地向电动汽车过渡的主要要求是基础设施和合适的快速充电系统的可用性。

电动汽车充电系统是将来自电源的交流/直流电转换为可为汽车电池充电的直流电的大功率转换设备。目前所需的峰值功率约为 10kW 至 20kW。这可能会更高，具体取决于可充电时间和电池充电能力的进步。因此，政府和原始设备制造商都在推动开发能够满足未来电动汽车电力需求的大功率充电系统。本文特别关注那些无线充电系统。

无线充电系统无需物理连接即可将电源从电源传输到负载。当今可用的常见方案包括以空气为核心的变压器。功率传输发生在电源和负载之间没有任何接触的情况下。无线电力传输应用从额定功率为 10瓦的低功率移动充电系统开始，到额定功率高达10千瓦的高功率电动汽车快速充电器。

传统上，无线充电系统的主要问题是效率低和安全性低。研究表明，各种概念现在已经实现了超过 80% 的效率，这与有线电源转换系统相当。随着初级和次级线圈之间距离的增加，效率呈指数下降;因此，可以通过减少线圈之间的距离和采用不同的线圈构造方法来提高效率。智能功率控制确保安全，可以检测到杂散功率传输并立即暂停功率传输。监管指南(例如 SAE J2954)正在实施，以始终确保安全。

无线电力传输可以通过多种方式实现，但最常见的是感应和谐振传输方法。感应功率传输基于变压器原理，其中初级侧的交流电压在次级侧感应电压，从而引发功率传输(图 2)。这种方法对初级和次级绕组之间的耦合高度敏感——即随着距离的增加，功率损耗变得巨大，从而降低了效率。因此，这种方法仅限于手机充电器等低功率应用。

谐振方法基于初级和次级之间的阻抗匹配。设计谐振电路以允许形成磁场的隧道效应(图 3)。即使线圈相距很远，这也可以最大限度地减少功率损失并提高效率。因此，该方法可用于需要高功率传输的应用中。使用这种方法的研究记录了超过 85% 的效率。

在这两种方法中，传输的电量取决于几个参数：

1) 两个线圈之间的气隙

2) 电感值、功率开关损耗、电路寄生等。

3) 功率波形频率

这些关键参数在实际系统中容易发生巨大变化。执行完整的系统仿真有助于实现可预测的结果，并帮助设计工程师获得最有效的配置。在没有准确的仿真模型的情况下，需要几个具有不同组件和配置的原型，这会耗费时间和金钱。

用于电动汽车充电的典型无线充电系统包括：

1) 电源——这可以是来自电网的交流电，也可以从可再生能源(如太阳能)以直流形式获取。因此，功率调节单元 (PCU) 在将所需功率传输到负载时应考虑输入的变化。

2) 相移谐振桥式转换器——这些转换器以几百赫兹的频率工作，并使用输入侧 PCU 的开关频率。器件的开关、其寄生效应、损耗等都会影响功率传输。使用精确模型对拓扑进行仿真有助于在设计过程的早期阶段估计性能。

3) 初级和次级线圈及其电感——电感值随位置变化，可视为随时间变化。这直接影响系统阻抗，从而影响系统中的损耗。如果可以在仿真平台中对电感进行建模和测试，则可以设计出最有效的线圈配置，而无需多个原型。仿真程序应该允许一种简单的方法来包括方程或数据驱动的建模，并提供跨一系列参数的设计优化机制。

4) 次级整流器——将交流电压转换为直流电压，为电池充电并为其他负载供电。

5) 有效的通信协议——识别次级侧是否存在有效负载。这确保了不会启动错误的电力传输并确保安全。

考虑到系统的复杂性和系统组件的参数变化，系统的仿真和优化有助于预测性能并提供可靠的设计。SaberRD 等仿真平台可以实施该系统，以验证在线圈间距、组件变化等各种条件下的性能。建模工具的可用性增强了这一点，这些工具可以创建准确的模型，从而产生准确的模拟输出。图 4 显示了无线移动充电系统的实施以及如何检查各种条件下的性能，包括初级和次级绕组之间的耦合变化。

如前所述，无线充电系统的输出功率对变化的气隙、设备参数、电路寄生、负载等高度敏感。在谐振方法的情况下，功率器件之间的互连引入的寄生效应影响很大。在仿真中，可以导入寄生元件的3D模型，进行综合分析。这在进行硬件原型之前优化了设计。此外，诸如 SaberRD 中的多变量分析之类的分析为分析具有多个参数变化的设计提供了高度的自由度。因此，准确的仿真有助于准确确定设计的性能并减少硬件原型迭代的次数。

无线充电系统无需互连电缆进行充电，可随时随地充电。有了这个，车辆可以使用容量更低的电池并更频繁地充电。例如，巴士可以在停靠在巴士站时充电，如图 5 所示。除此之外，由于没有机械连接器和电缆，系统的可靠性也得到了提高。

事实证明，无线充电对未来的电动汽车充电系统产生了巨大影响。减少“里程焦虑”并实现像内燃机一样的用户体验将促进电动汽车的普及并帮助实现电动汽车的承诺。无线充电可能只是关键的推动因素之一。