电动汽车的无线充电

电动汽车整体平稳过渡的主要要求是基础设施以及适用和快速充电系统的可用性。

 

随着我们转向在日常生活中更多地使用无线产品,Power Electronics的研究正在同时推动电动汽车(EV)等无线充电领域的新趋势。许多国家正在实施燃料经济法规并推动采用电动汽车替代汽油车辆的举措; 因此,汽车制造商现在重点关注电动汽车的发展。尽管锂离子电池和超级电容器等技术的进步非常有希望,但向电动汽车平滑过渡的主要要求是基础设施以及适用和快速充电系统的可用性。

电动车辆的充电系统是高功率转换设备,其将来自电源的AC / DC电力转换成可以给车辆的电池充电的DC电力。目前所需的峰值功率为10kW至20kW。这取决于充电的时间和电池充电能力的提高。因此,政府和原始设备制造商都有动力开发满足未来电动汽车动力需求的高能充电系统。本文特别关注那些无线充电系统(图1)。

 

 

 

 

图1:无线充电系统的框图

无线充电系统在没有物理连接的情况下将电源从电源传输到负载。目前可用的通用方案包括以空气为核心的变压器。电源传输在源和负载之间没有任何接触。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,到高功率电动车辆快速充电器,额定功率高达10 千瓦

传统上,无线充电系统的主要问题是低效率和安全。研究表明,各种概念现在已经实现了超过80%的效率,这与有线电力转换系统相当。随着主线圈和次线圈之间的距离增加,效率呈指数下降; 因此,通过减小线圈之间的距离并采用不同的线圈构造方法可以提高效率。智能功率控制可以检测到安全性,可以检测到虚假的功率传输并立即暂停功率传输。诸如SAE J2954等监管准则正在实施中,以确保安全。

无线电力传输可以通过多种方式实现,但最常见的是电感和谐振传输方法。感应式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,从而引起功率传输(图2)。这种方法对初级绕组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,效率降低。因此,此方法仅限于手机充电器等低功耗应用。

谐振方法基于初级侧和次级侧之间的阻抗匹配。谐振电路被设计成允许形成对磁场的隧穿效应(图3)。这样可以最大限度地减少功率损耗,即使线圈相距甚远,效率也会更高。因此,该方法可用于需要高功率传输的应用。用这种方法进行的研究记录了超过85%的效率。

 

 

 

 

图2:感应功率传输[1]

 

 

 

 

 

图3:共振功率转换[1]

在这两种方法中,传输的功率量取决于几个参数:

1)两个线圈之间的气隙

2)电感值,电源开关损耗,电路寄生效应等。

3)功率波形的频率

这些关键参数在实际系统中容易出现巨大变化。执行完整的系统仿真有助于实现可预测的结果,并帮助设计工程师实现最高效的配置。在没有精确的仿真模型的情况下,需要具有不同组件和配置的多个原型,这花费时间和金钱。

典型的EV充电无线充电系统包括:

1)电源 - 可以是来自电网的电力,也可以是交流电,也可以是可再生能源,如直流电的太阳能。因此,功率调节单元(PCU)应在将所需功率传输至负载的同时考虑输入的变化。

2)一个phasehifted谐振桥式转换器 - 这些工作在几百kHz的输入端PCU使用开关频率。器件的开关,寄生效应,损耗等都会影响功率传输。用精确模型模拟拓扑可以帮助估计设计过程早期阶段的性能。

3)初级和次级线圈及其电感 - 电感值随位置而变化,可视为随时间变化。这直接影响系统的阻抗,从而影响系统的损耗。如果可以在仿真平台上对电感进行建模和测试,则可以设计最有效的线圈配置,而无需多个原型。仿真程序应该允许一种简单的方法来包含方程或数据驱动建模,并提供跨越参数范围的设计优化机制。

4)次级整流器 - 将交流电压转换为直流电压,为电池充电并提供其他负载。

5)有效的通信协议 - 用于识别次级侧是否存在有效负载。这确保错误的电力传输不会启动并确保安全。

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。仿真平台(例如SaberRD)可以实现该系统,以验证线圈间距,元件变化等各种条件下的性能。随着建模工具的可用性的增加,这可以创建精确的模型,从而产生精确的模拟输出。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耦合的变化。有关更多详细信息,可以在Sabre论坛中访问基于此类系统的文章和设计示例[2]。

 

 

 

 

图4:汽车移动充电无线充电系统

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,电路寄生效应,负载等非常敏感。在谐振方法的情况下,功率器件之间的互连所引入的寄生效应的影响是显着的。在仿真中,可以导入寄生参数的3D模型并进行综合分析。在进行硬件原型之前,这会优化设计。另外,诸如SaberRD中的多元分析等分析给出了高度的自由度来分析具有多个参数变化的设计。因此,准确的仿真有助于精确确定设计的性能,并减少硬件原型迭代次数。

无需互连电缆即可充电的无线充电系统可实现即时充电。有了这个,车辆可以使用较低容量的电池并更频繁地充电。例如,如图5所示,总线停在公交车站时可以充电。除此之外,由于没有机械连接器和电缆,系统的可靠性得到提高。

 

 

 

 

 

图5:在线计费的无线充电系统

无线充电证明对电动汽车的未来充电系统产生巨大影响。减少“范围焦虑”并实现像内燃机这样的用户体验,将会扩大并帮助实现电动汽车的承诺。无线充电可能只是成为主要推动因素之一。

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