以無線克服電動(dòng)汽車的里程焦慮

作者：安森美半導(dǎo)體Majid Dadafshar

隨著動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)從內(nèi)燃機(jī)(ICE)向電動(dòng)機(jī)發(fā)展，汽車行業(yè)正在經(jīng)歷史上最大的變化時(shí)期之一。雖然現(xiàn)代電動(dòng)汽車(EV)續(xù)航里程方面的技術(shù)進(jìn)展顯著，但對(duì)于采用的最大障礙之一是消費(fèi)者擔(dān)心受困于電池沒電，即所謂的“里程焦慮”。

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，大多數(shù)努力都致力于讓電池變得更好、車輛更高能效，但其它方法也開始嶄露頭角。其中最有意思的就是為EV無線充電的能力，這使得電池在車輛運(yùn)行且無需“硬接線“與電源相連接的情況下也能充滿電。半導(dǎo)體技術(shù)對(duì)于成功的電動(dòng)汽車無線充電(WEVC)起著重要的作用。

采用新技術(shù)涉及一個(gè)變化的過程，不同于那些似乎享受“變化”本身的早期采用者，這對(duì)于許多主流消費(fèi)者來說可能很難。鑒于EV處于發(fā)展初期，里程焦慮常被認(rèn)為是其采用速度低于預(yù)期的一個(gè)原因。即使充滿電，除了用于本地通勤之外，一般EV的續(xù)航里程都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于汽油動(dòng)力車輛。這意味著在家以外的充電似乎會(huì)成為一種必要。此外，充電站遠(yuǎn)沒有加油站那樣普遍，導(dǎo)致(用戶)有可能并擔(dān)心受困。最后，盡管電源管理技術(shù)的進(jìn)步使得充電時(shí)間得以大幅減少，但仍然比傳統(tǒng)加油站要長(zhǎng)得多。

雖然充電基礎(chǔ)設(shè)施正在快速擴(kuò)張，尤其是像大眾汽車這樣的公司在美國(guó)投資20億美元用于清潔汽車基礎(chǔ)設(shè)施，這也是其為處理柴油機(jī)排放丑聞的努力之一。但許多公司正在尋找其他方式，能夠更便利地對(duì)車輛進(jìn)行充電。其中一個(gè)正在討論和評(píng)估中的關(guān)鍵技術(shù)是無線充電，特別是最終能夠動(dòng)態(tài)地為車輛充電。

雖然許多人視無線充電為新技術(shù)，但其實(shí)它已有百年歷史。早在1894年，在紐約市，Nikolai Tesla為整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的電燈供電，證明了該技術(shù)的可行性。但此后就幾乎再無進(jìn)展，直到最近移動(dòng)設(shè)備的增長(zhǎng)使這項(xiàng)技術(shù)再度嶄露頭角，主要是因?yàn)槠錇橛脩魩淼谋憷?/p>

無線技術(shù)工作原理

原則上，無線充電的工作方式與有線充電非常相似。電源電壓轉(zhuǎn)換為直流電(DC)并用于為電池充電。在較高的功率水平下，會(huì)使用功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)。大多數(shù)基于主電源的充電器使用電流隔離變壓器，這是有線和無線充電器之間的本質(zhì)區(qū)別。

圖1: 典型充電器框圖

在有線應(yīng)用中，變壓器是一個(gè)帶有核心的單元，可確保初級(jí)產(chǎn)生的(幾乎)所有通量都能耦合到次級(jí)。這確保了高水平功率傳輸，進(jìn)而助力構(gòu)建高能效的充電器。

為了打造無線充電器，變壓器被分為初級(jí)和次級(jí)，初級(jí)(發(fā)射器)保留在充電器中，次級(jí)(接收器)位于將要充電的設(shè)備中。初級(jí)和次級(jí)之間的距離將因應(yīng)用而異，并會(huì)對(duì)充電器的性能產(chǎn)生重大影響。

通過將核心替換為“空氣”，通量傳輸減少。如果在基于核心的變壓器中，耦合系數(shù)(k)近似為1，那么在無線應(yīng)用中，k的值將接近0.25。實(shí)際值將與兩個(gè)線圈之間的距離成反比，且如果初級(jí)和次級(jí)未對(duì)準(zhǔn)，則實(shí)際值也將減小。

然而，通過在初級(jí)和次級(jí)引入磁共振可改善這種情況。通過使用兩個(gè)調(diào)諧電路，功率以特定的頻率傳輸，且與非諧振方法相比，功率傳輸?shù)哪苄Э山醴丁?/p>

圖2: 采用諧振方法的無線功率傳輸

這種方法的另一優(yōu)點(diǎn)是具有更好的電磁干擾(EMI)性能，這對(duì)無線充電的大規(guī)模推廣至關(guān)重要。它還允許使用諸如零電壓開關(guān)(ZVS)或零電流開關(guān)(ZCS)等技術(shù)，這兩種技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)極高能效的功率傳輸都起著重要作用。

WEVC的當(dāng)前狀態(tài)

即使在可預(yù)見的將來，插線式的電源仍然是對(duì)深度放電電池進(jìn)行充電的最佳方法，但WEVC的目標(biāo)是在車輛行駛時(shí)為電池充電。在車輛使用之時(shí)為其充電的能力可助力實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航里程，或可采用更小的電池，進(jìn)而通過減少電池/整體車重來提高續(xù)航里程。

近年來，許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和公司都參與了開發(fā)原型系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)WEVC。一些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是靜態(tài)WEVC，比如Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology(IISB)開發(fā)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將線圈置于靠近車輛前部的位置，從而顯著減小了線圈尺寸。

2017年，Regional Transit Authority of Central Maryland展示了靜態(tài)充電系統(tǒng)的另一項(xiàng)應(yīng)用。他們沿路安裝了一個(gè)靜電充電站，讓巴士在等待乘客上下車時(shí)能夠充滿電。如此一來，電動(dòng)公交車現(xiàn)在能夠完成(交通)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何路線。

當(dāng)然，最終目標(biāo)是讓車輛能夠在高速公路快速行駛的同時(shí)進(jìn)行充電，并且許多公司在這方面取得了進(jìn)展。高通公司的動(dòng)態(tài)電動(dòng)汽車充電(DEVC)系統(tǒng)已展示出能夠在60英里/小時(shí)左右的高速公路行駛速度下提供高達(dá)20kW的功率。在其它的重要進(jìn)展中，日本汽車制造商本田發(fā)表了一篇關(guān)于大功率動(dòng)態(tài)充電的論文，描述了對(duì)一個(gè)充電功率為180kW(600V直流電、300A電流條件下)的系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)試，其可在高達(dá)96英里/小時(shí)的行駛速度下充電。

雖然每種方法都取得了巨大飛躍，但各種方法的互通性至關(guān)重要，為此，美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)最近發(fā)布了SAE J2954標(biāo)準(zhǔn)，這是全球首個(gè)針對(duì)功率水平高達(dá)11kW的無線功率傳輸?shù)囊?guī)格。

總結(jié)

無線充電是克服EV發(fā)展阻力(例如里程焦慮)的關(guān)鍵，并對(duì)該技術(shù)在全球范圍內(nèi)的采用起著重要作用。早期的推行(如馬里蘭州的公共汽車系統(tǒng))起到了作用，但像高通和本田等公司正在測(cè)試的動(dòng)態(tài)充電計(jì)劃終將實(shí)現(xiàn)EV的最終目標(biāo)，即具有超越汽油動(dòng)力汽車的無限續(xù)航里程和便利性。

這場(chǎng)革命的核心是半導(dǎo)體器件，它們終將提供所需的能效和可靠性，使這些理論性的方案成為大規(guī)模生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)和成功。安森美半導(dǎo)體是一家在此方面非?；钴S的公司，在電源管理和高能效電源轉(zhuǎn)換方面擁有廣泛的經(jīng)驗(yàn)。在其產(chǎn)品范圍內(nèi)，安森美半導(dǎo)體提供全面的產(chǎn)品系列，包括高能效IGBT和MOSFET等分立式開關(guān)器件、MOSFET驅(qū)動(dòng)器、電壓和電流管理系統(tǒng)、AC-DC控制器和穩(wěn)壓器、智能功率模塊和電池管理產(chǎn)品等。