隨著我們在日常生活中更多地轉向使用無線產品，電力電子研究同時也在為電動汽車 (EV) 等事物發(fā)展無線充電的新趨勢。許多國家現(xiàn)在正在實施燃油經濟性法規(guī)并推動以電動汽車取代汽油車的舉措;因此，汽車制造商現(xiàn)在非常關注電動汽車的開發(fā)。雖然鋰離子電池和超級電容器等技術進步大有希望，但更平穩(wěn)地向電動汽車過渡的主要要求是基礎設施和合適的快速充電系統(tǒng)的可用性。
電動汽車充電系統(tǒng)是將來自電源的交流/直流電轉換為可為汽車電池充電的直流電的大功率轉換設備。目前所需的峰值功率約為 10kW 至 20kW。這可能會更高，具體取決于可充電時間和電池充電能力的進步。因此，政府和原始設備制造商都在推動開發(fā)能夠滿足未來電動汽車電力需求的大功率充電系統(tǒng)。本文特別關注那些無線充電系統(tǒng)。
無線充電系統(tǒng)無需物理連接即可將電源從電源傳輸?shù)截撦d。當今可用的常見方案包括以空氣為核心的變壓器。功率傳輸發(fā)生在電源和負載之間沒有任何接觸的情況下。無線電力傳輸應用從額定功率為 10瓦的低功率移動充電系統(tǒng)開始，到額定功率高達10千瓦的高功率電動汽車快速充電器。
傳統(tǒng)上，無線充電系統(tǒng)的主要問題是效率低和安全性低。研究表明，各種概念現(xiàn)在已經實現(xiàn)了超過 80% 的效率，這與有線電源轉換系統(tǒng)相當。隨著初級和次級線圈之間距離的增加，效率呈指數(shù)下降;因此，可以通過減少線圈之間的距離和采用不同的線圈構造方法來提高效率。智能功率控制確保安全，可以檢測到雜散功率傳輸并立即暫停功率傳輸。監(jiān)管指南(例如 SAE J2954)正在實施，以始終確保安全。
無線電力傳輸可以通過多種方式實現(xiàn)，但最常見的是感應和諧振傳輸方法。感應功率傳輸基于變壓器原理，其中初級側的交流電壓在次級側感應電壓，從而引發(fā)功率傳輸(圖 2)。這種方法對初級和次級繞組之間的耦合高度敏感——即隨著距離的增加，功率損耗變得巨大，從而降低了效率。因此，這種方法僅限于手機充電器等低功率應用。
諧振方法基于初級和次級之間的阻抗匹配。設計諧振電路以允許形成磁場的隧道效應(圖 3)。即使線圈相距很遠，這也可以最大限度地減少功率損失并提高效率。因此，該方法可用于需要高功率傳輸?shù)膽弥?。使用這種方法的研究記錄了超過 85% 的效率。
在這兩種方法中，傳輸?shù)碾娏咳Q于幾個參數(shù)：
1) 兩個線圈之間的氣隙
2) 電感值、功率開關損耗、電路寄生等。
3) 功率波形頻率
這些關鍵參數(shù)在實際系統(tǒng)中容易發(fā)生巨大變化。執(zhí)行完整的系統(tǒng)仿真有助于實現(xiàn)可預測的結果，并幫助設計工程師獲得最有效的配置。在沒有準確的仿真模型的情況下，需要幾個具有不同組件和配置的原型，這會耗費時間和金錢。
用于電動汽車充電的典型無線充電系統(tǒng)包括：
1) 電源——這可以是來自電網的交流電，也可以從可再生能源(如太陽能)以直流形式獲取。因此，功率調節(jié)單元 (PCU) 在將所需功率傳輸?shù)截撦d時應考慮輸入的變化。
2) 相移諧振橋式轉換器——這些轉換器以幾百赫茲的頻率工作，并使用輸入側 PCU 的開關頻率。器件的開關、其寄生效應、損耗等都會影響功率傳輸。使用精確模型對拓撲進行仿真有助于在設計過程的早期階段估計性能。
3) 初級和次級線圈及其電感——電感值隨位置變化，可視為隨時間變化。這直接影響系統(tǒng)阻抗，從而影響系統(tǒng)中的損耗。如果可以在仿真平臺中對電感進行建模和測試，則可以設計出最有效的線圈配置，而無需多個原型。仿真程序應該允許一種簡單的方法來包括方程或數(shù)據(jù)驅動的建模，并提供跨一系列參數(shù)的設計優(yōu)化機制。
4) 次級整流器——將交流電壓轉換為直流電壓，為電池充電并為其他負載供電。
5) 有效的通信協(xié)議——識別次級側是否存在有效負載。這確保了不會啟動錯誤的電力傳輸并確保安全。
考慮到系統(tǒng)的復雜性和系統(tǒng)組件的參數(shù)變化，系統(tǒng)的仿真和優(yōu)化有助于預測性能并提供可靠的設計。SaberRD 等仿真平臺可以實施該系統(tǒng)，以驗證在線圈間距、組件變化等各種條件下的性能。建模工具的可用性增強了這一點，這些工具可以創(chuàng)建準確的模型，從而產生準確的模擬輸出。圖 4 顯示了無線移動充電系統(tǒng)的實施以及如何檢查各種條件下的性能，包括初級和次級繞組之間的耦合變化。
如前所述，無線充電系統(tǒng)的輸出功率對變化的氣隙、設備參數(shù)、電路寄生、負載等高度敏感。在諧振方法的情況下，功率器件之間的互連引入的寄生效應影響很大。在仿真中，可以導入寄生元件的3D模型，進行綜合分析。這在進行硬件原型之前優(yōu)化了設計。此外，諸如 SaberRD 中的多變量分析之類的分析為分析具有多個參數(shù)變化的設計提供了高度的自由度。因此，準確的仿真有助于準確確定設計的性能并減少硬件原型迭代的次數(shù)。
無線充電系統(tǒng)無需互連電纜進行充電，可隨時隨地充電。有了這個，車輛可以使用容量更低的電池并更頻繁地充電。例如，巴士可以在停靠在巴士站時充電，如圖 5 所示。除此之外，由于沒有機械連接器和電纜，系統(tǒng)的可靠性也得到了提高。
事實證明，無線充電對未來的電動汽車充電系統(tǒng)產生了巨大影響。減少“里程焦慮”并實現(xiàn)像內燃機一樣的用戶體驗將促進電動汽車的普及并幫助實現(xiàn)電動汽車的承諾。無線充電可能只是關鍵的推動因素之一。
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