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无线充电技术是电动汽车推广的一大法宝

2020-11-10 15:40:10 贸泽电子Mark Patrick 阅读:
无线充电提供了一种更直接,更方便的充电方法,但驾驶员必须开车进入带有充电垫的停车位,这种充电方法还为在高速公路上安装充电基础设施打开了大门,使车辆可以在旅行过程中充电以扩大续航里程。

根据最近发布的《彭博社2020年电动汽车展望》(Bloomberg Electric Vehicle Outlook 2020)报告,尽管COVID-19大流行导致电动汽车市场增速放缓,但市场对于电动汽车销量的预测还是比较乐观。该报告着重指出,到2030年,新电动汽车的销量将会继续增长,预计将达到2600万辆。可选车型不断增多,更低的电池成本,以及更广泛的市场采用将推动电动汽车销量持续增长。市场提供的更广泛电动汽车充电基础设施将进一步提高消费者的信心,并减少许多电动汽车潜在购买者可能出现的续航里程担忧问题。xmcednc

电动汽车充电站的部署成本非常昂贵。特斯拉(Tesla)等引领电动汽车市场的新兴汽车制造商认为,非常有必要发展充电基础设施,这对于在早期阶段建立重要的市场份额至关重要。市场已有的汽车品牌则从没有为建立加油(充电)站网络而烦恼,他们主要依靠越来越多的商业机构部署的充电基础设施。建立行业标准的连接配置对于增加有线电动汽车充电站的快速发展也非常关键。xmcednc

最初,汽车行业专注于采用车载充电器和位于停车场的快速充电站。电动车车主现在则正在设想在其车库内或道路上安装充电器,以作为一种夜间充电的便捷方式。购物中心停车场,快餐店和咖啡店外都设有充电站,在所有这些情况下,都需要一根导线将充电桩连接到车辆。xmcednc

一种给配备有适当装置的电动车辆充电的替代方法是采用无线充电。对电动汽车进行无线充电的概念并没有什么新奇,但是由于一些不真实的神话传播导致市场认为这种技术对于电动汽车不切实际,因此市场的采纳速度一直很慢。其中包括缺乏电动汽车无线充电的行业标准,较低的功率传输效率和较长的充电时间等等。无线充电提供了一种更直接,更方便的充电方法,但驾驶员必须开车进入带有充电垫的停车位,这种充电方法还为在高速公路上安装充电基础设施打开了大门,使车辆可以在旅行过程中充电以扩大续航里程。xmcednc

无线充电技术

有几种方式可以无线传输能量,每种方式具有不同的实施标准、传输效率和传输距离。几年前,智能手机等一些消费类设备已经开始使用紧凑型台式无线充电板充电。但是,为智能手机充电的电气要求与电动汽车充电有很大不同。对于电动汽车充电,在给定时间内传输的电量非常关键。无线充电有两种基本方法;电感式或电容式。电感式方法可以采用近场电磁技术,利用两个线圈之间的磁通量来传输能量。电容式方法采用两个板之间的电场耦合,基本上形成一个大电容器。两种形式的无线功率传输(WPT)相对效率都旗鼓相当,并且接近于85~95%的有线充电效率,但是它们受到基本相同的实用条件限制,即理想的功率传输距离大概是几厘米。要使处在停车位表面上的线圈或充电板与安装在车辆底部的类似线圈或充电板之间达到如此小的距离不切实际。首先,车辆悬架系统从满载到空载的垂直高度差可能达数十厘米。同样,在充电舱中停车时的位置精度可能需要停车传感器来引导驾驶员以实现最佳的充电耦合。xmcednc

然而,另一种方法是使用磁共振技术通过磁场在两个谐振线圈之间传递能量。磁耦合谐振(MCR)技术要求发送和接收线圈都以相同的谐振频率工作,从而实现更高的能量传输效率。电容器和电阻器等阻抗匹配元件用于补偿每个谐振器架构中的物理差异,并调整电路以实现最佳功率传输,参见图1。最重要的是,这种技术的实际传输距离明显优于近场方法。xmcednc

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1:使用磁耦合谐振频率技术和阻抗匹配以及补偿元件进行电动汽车无线充电。(来源:WiTricityxmcednc

磁耦合谐振无线功率传输(MCR-WPT)技术正在电动汽车行业得到广泛采用,其中包括EVTricity等重要的公司。与其他无线充电技术相比,这种技术具有许多优势,见图2。xmcednc

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2:采用磁耦合谐振频率用于电动汽车无线功率传输的优势。(来源:WiTricityxmcednc

磁耦合谐振充电器的实现

磁耦合谐振无线功率传输系统的示例功能框图如图3所示。功率放大器和逆变器驱动模块可以采用最新的基于GaN或SiC工艺的宽带隙(WBG)功率半导体技术。宽带隙半导体受高工作温度的影响较小,具有高达10倍的击穿电压特性,并且能够以比同类硅半导体器件更高的开关频率工作。自从第一批宽带隙器件进入市场以来,服务于汽车市场的大多数半导体供应商现针对栅极驱动和功率转换应用都在提供宽带隙功率晶体管。与硅MOSFET器件相比,宽带隙器件的传导损耗(Rdson)低很多,可降低高达100倍,因此具有更低的开关损耗特性。宽带隙器件通常体积较小,因此占用的电路板空间较小。由于它们可以在更高的开关频率下工作,因此可以采用体积更小的被动元件,从而进一步减小PCB整体尺寸。而且,由于传导损耗降低,转换效率提高,并且散发的废热减少,从而能够进一步节省额外的空间。适用于电动汽车功率转换应用的宽带隙器件包括UnitedSiC的SiC FET英飞凌(Infineon)公司CoolFET系列SiC MOSFET器件。xmcednc

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3:典型的磁耦合谐振无线功率传输系统功能框图,其中显示了主要组件。(来源:贸泽电子)xmcednc

在充电系统和车辆内部系统之间还需要建立蓝牙通信链路,以报告电动汽车的充电状态、充电电压和电流等信息,并反馈充电进度以便使特定充电垫充电效率最大化。充电器和车辆之间的信号处理功能可使系统运行保持在所需的谐振频率和最大功率传输效率点。xmcednc

不断发展的电动汽车无线充电技术

采用无线技术给电动汽车充电的概念并不新奇。一些大学已经与领先汽车制造商进行合作,例如新西兰奥克兰大学正在进行的项目展示了一个共振充电试验项目,在2011年即能够实现30厘米距离、220W无线充电功率和95%的传输效率。该项目采用最初由高通公司开发的HaloIPT技术,这项技术之后于2019年出售给WiTricity。在2018年,宝马将WiTricity磁耦合谐振无线功率传输技术整合到定制版的BMW530e车型中,在8厘米的气隙下实现了85%的传输效率。无线充电垫可提供3.2kW的充电功率,可在大约3.5个小时内完成汽车9.2kWh电池的充电。xmcednc

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4:宝马的无线充电和充电垫。(来源:宝马公司)xmcednc

随着人们对无线充电兴趣的不断提高,而且磁共振技术已被证明行之有效,汽车行业希望标准化机构SAE International来引导该技术的未来发展。基于WiTricity磁共振耦合技术的标准制定已经于2012年开始。 SAE J2954标准目前处于高级发展阶段,该标准规定了电动汽车无线功率传输的细则,并有望在2020年底之前最终确定。J2954规定了三种充电速度:WPT 1、2和3,最大充电功率分别为3.7kW、7.7kW和11kW。为了满足卡车和公共交通等商用车辆对更高容量能量传输的需求,标准J2954/2可容许500kW的充电功率。xmcednc

一些政府举措也带动了对无线充电技术的研发,以解决消费者对于续航里程和电动汽车需求的更高价位点的担忧,从而推动电动汽车的进一步普及。欧洲绿色车辆倡议(European Green Vehicles Initiativ,UNPLUGGED)始于2014年,一直在与行业合作伙伴进行合作,已经在欧洲建立了两个测试和开发中心,并正在研究行驶途中充电的可能性。xmcednc

结论

磁共振耦合技术看起来将要极大地改变电动汽车的充电格局。尽管业界广泛使用术语“无线”,但磁共振只是一种无线充电方法,并未使用任何射频技术来传输能量。通过在主要道路上的特殊车道上为电动汽车充电可以为电动汽车的采用和开发带来了更显著的优势,能够减少车主对于续航里程的焦虑,电动汽车制造商也可以降低电池容量,从而能够节省成本,并减轻车身的重量。xmcednc

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