電動汽車充電技術—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，高壓儲能系統和電氣動力傳動系，xEV表現出比ICE車輛更好的性能。電動汽車的出現導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無法使用商用充電基礎設施而加劇這種距離焦慮。與ICE發動機車輛的現代加油站不相稱的高效電動汽車充電基礎設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電充電和感應充電，也稱為無線充電。無線充電技術有可能解決電動汽車充電基礎設施的限制。無線充電的優點包括其在車輛靜止或運動時的安全性和充電便利性。

以下將詳細介紹無線充電技術。

1 技術綜述[1]

無線充電實現了車輛的自動充電，這可以通過三種不同的模式實現：

1）靜電充電;

2）準動態充電;

3）動態充電。

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系統為EV提供充電，因為它們在短時間內停止，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系統在通過道路上的指定充電通道途中連續為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，通過無線充電系統實現，效率高達88.5%。與充電基礎設施相關的技術問題包括其設計，構造，操作和維護。在短距離內部署高效可靠的充電基礎設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充電和諧振IPT在SWC和DWC中使用。在電感和電容WPT之間中進行了比較分析。IPT技術已經開發多年，成功商業化的低功率產品。磁耦合器有許多無線充電開發階段，它是發射器（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的補償技術，功率水平和氣隙提高了效率。

2 無線充電—感應電能傳輸（IPT）技術[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）的許多應用中使用。因此，節能無線充電系統的設計是一項關鍵任務。

感應電能傳輸（IPT）是一種能夠使電力無接觸地傳輸的技術。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幾百毫米。由于氣隙相對較大，IPT系統的耦合系數通常小于0.6，而變壓器的耦合系數可能大于0.9。IPT系統的一個顯著優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系統的電子設備比傳統的插入式或有線設備更方便和用戶友好。最近，IPT系統已廣泛用于商業和工業應用，例如小型電子設備的電池充電和電動汽車（EV）。

通常，IPT系統可以分為兩種類型：分布式拓撲和集總拓撲。如果需要連續供電，則應用程序應選擇使用分布式拓撲。分布式系統由軌道（長環布置的初級線圈）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。集總系統由離散的初級和次級線圈組成。根據兩個線圈之間的氣隙，集總系統可以進一步分為緊密耦合和松散耦合類型。當氣隙相對較小時，它被認為是緊密耦合的集總系統，并且系統通常具有插入式初級。當氣隙相對較大時，則它是松散耦合的集總系統，其通常由EV充電時使用。

3 利用雷達傳感器的無線充電技術[3]

隨著電池容量變得適合大眾市場，對電動車輛充電技術的需求不斷增加。無線充電被認為是最有前途的自動和方便充電技術。特別是在可公開進入的停車位中，異物能夠容易地進入充電線圈之間的大氣隙。由于誘發的磁場不符合規定，因此要求無線充電系統采取與保護瀕危物體有關的進一步預防措施。因此，需要額外的傳感器防止它們暴露于磁場主要來保護活物體。

在電動汽車的背景下，無線充電已經發展了近20年。在以5-150 kHz的頻率將電網電源轉換為交流電后，在兩個感應線圈之間，通過交變磁場傳輸功率。與無線功率傳輸的其他應用相比，磁場必須穿越初級線圈和次級線圈之間的大氣隙。

使用車輛側面的汽車雷達傳感器監測車輛底部下氣隙，可以防止生物體暴露于感應充電系統引起的交變磁場。為了滿足感應充電系統的要求，應用二維信號處理技術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物體的反射區分開。在原型實施的幫助下評估概念可行性。此外，應用二維信號處理技術以滿足感應充電系統的要求。

4 動態無線功率傳輸技術[4]

無線功率傳輸是一種快速發展的技術，用于通過氣隙為電子設備充電。對這種新充電技術的開發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。隨著其技術進步，無線電力傳輸技術有助于大量減少傳統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。解決這些現有限制的方法之一是開發動態無線功率傳輸技術。通過結合動態無線充電，不需要電池，充電時間將大量減少。

傳統的無線電力傳輸系統包括直流側電源，其通過DC-AC逆變器轉換為AC，收發器和接收器板通過互感器，AC-DC整流器和負載耦合。收發器和接收器塊具有補償電路器件，其減少功率泄漏并因此傳輸更多功率。有四種主要的補償拓撲結構，命名如下：串聯（SS），并聯（PP），串并聯（SP）和并聯（PS）。使用特定補償電路的選擇取決于系統的應用領域。目前，已經開發出更有效的補償電路，如電感-電容-電感（LCL）和電感-電容-電容（LCC）。

5 車對電網雙向無線充電[5]

可再生能源在國家電網中發揮著越來越大的作用。由于許多可再生能源（例如風能和太陽能）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量之間的時間不平衡，這一挑戰通常被稱為“鴨子曲線”。防止可再生資源產生的電量減少的一種方法是存儲“過剩”電力，然后在高峰需求期間將其反饋到電網中。車對網（V2G）技術提供了完成此任務的方法。V2G技術可實現電網與電動車輛中的高功率，高容量推進電池之間的雙向電力供應。因此，該技術有助于穩定電網供需平衡。

利用V2G動力傳輸技術，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，可用于電網穩定并滿足峰值能量需求。此外，正在開發用于電動車輛的無線充電技術，以實現自動和“免提”充電體驗。這些技術的組合，WPT系統中的V2G功能，尤其是當自動駕駛車輛變得普遍時，有必要利用用于電網目的的車輛電池能量。由于開發的新興標準系統與SAEJ2954完全兼容，由此可以實現雙向無線功率傳輸。這意味著車輛可以在任何與標準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。只需對車載硬件進行少量修改即可實現此功能。在G2V和V2G方向上都可以實現類似的功率傳輸水平（7 kW）和效率（＞90%）。可調匹配網絡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了性能改進。