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以无线克服电动汽车的里程焦虑

作者:Majid Dadafshar时间:2019-01-21来源:电子产品世界收藏

  随着动力传动系统从内燃机(ICE)向电动机发展,汽车行业正在经历史上最大的变化时期之一。虽然现代(EV)续航里程方面的技术进展显著,但对于采用的最大障碍之一是消费者担心受困于电池没电,即所谓的“里程焦虑”。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201901/396960.htm

  为应对这一挑战,大多数努力都致力于让电池变得更好、车辆更高能效,但其它方法也开始崭露头角。其中最有意思的就是为EV无线充电的能力,这使得电池在车辆运行且无需“硬接线“与电源相连接的情况下也能充满电。半导体技术对于成功的无线充电(WEVC)起着重要的作用。

  采用新技术涉及一个变化的过程,不同于那些似乎享受“变化”本身的早期采用者,这对于许多主流消费者来说可能很难。鉴于EV处于发展初期,里程焦虑常被认为是其采用速度低于预期的一个原因。即使充满电,除了用于本地通勤之外,一般EV的续航里程都远远小于汽油动力车辆。这意味着在家以外的充电似乎会成为一种必要。此外,充电站远没有加油站那样普遍,导致(用户)有可能并担心受困。最后,尽管电源管理技术的进步使得充电时间得以大幅减少,但仍然比传统加油站要长得多。

  虽然充电基础设施正在快速扩张,尤其是像大众汽车这样的公司在美国投资20亿美元用于清洁汽车基础设施,这也是其为处理柴油机排放丑闻的努力之一。但许多公司正在寻找其他方式,能够更便利地对车辆进行充电。其中一个正在讨论和评估中的关键技术是无线充电,特别是最终能够动态地为车辆充电。

  虽然许多人视无线充电为新技术,但其实它已有百年历史。早在1894年,在纽约市,Nikolai Tesla为整个实验室的电灯供电,证明了该技术的可行性。但此后就几乎再无进展,直到最近移动设备的增长使这项技术再度崭露头角,主要是因为其为用户带来的便利。

  工作原理

  原则上,无线充电的工作方式与有线充电非常相似。电源电压转换为直流电(DC)并用于为电池充电。在较高的功率水平下,会使用功率因数校正(PFC)级。大多数基于主电源的充电器使用电流隔离变压器,这是有线和无线充电器之间的本质区别。

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图1: 典型充电器框图

  在有线应用中,变压器是一个带有核心的单元,可确保初级产生的(几乎)所有通量都能耦合到次级。这确保了高水平功率传输,进而助力构建高能效的充电器。

  为了打造无线充电器,变压器被分为初级和次级,初级(发射器)保留在充电器中,次级(接收器)位于将要充电的设备中。初级和次级之间的距离将因应用而异,并会对充电器的性能产生重大影响。

  通过将核心替换为“空气”,通量传输减少。如果在基于核心的变压器中,耦合系数(k)近似为1,那么在无线应用中,k的值将接近0.25。实际值将与两个线圈之间的距离成反比,且如果初级和次级未对准,则实际值也将减小。

  然而,通过在初级和次级引入磁共振可改善这种情况。通过使用两个调谐电路,功率以特定的频率传输,且与非谐振方法相比,功率传输的能效可近乎翻倍。

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图2: 采用谐振方法的无线功率传输

  这种方法的另一优点是具有更好的电磁干扰(EMI)性能,这对无线充电的大规模推广至关重要。它还允许使用诸如零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)等技术,这两种技术对于实现极高能效的功率传输都起着重要作用。



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