电动汽车充电技术—无线充电

电动汽车（EV），插电式电动汽车和xEV正在成为汽油动力（ICE）车辆的流行替代品，以减少温室气体排放并减少空气污染。通过使用非常高效的电动机，高压储能系统和电气动力传动系，xEV表现出比ICE车辆更好的性能。电动汽车的出现导致了一种典型的人类行为的演变，称为距离焦虑，由于在电动汽车的直接行驶范围内无法使用商用充电基础设施而加剧这种距离焦虑。与ICE发动机车辆的现代加油站不相称的高效电动汽车充电基础设施是快速采用电动汽车的主要限制因素之一。

为EV充电的不同方法是导电充电和感应充电，也称为无线充电。无线充电技术有可能解决电动汽车充电基础设施的限制。无线充电的优点包括其在车辆静止或运动时的安全性和充电便利性。

以下将详细介绍无线充电技术。

1 技术综述[1]

无线充电实现了车辆的自动充电，这可以通过三种不同的模式实现：

1）静电充电;

2）准动态充电;

3）动态充电。

静电充电的好处包括消除电线引起的电击危险，以及安装在家庭车库或停车场等方便位置的能力。QWC系统为EV提供充电，因为它们在短时间内停止，例如在交通信号灯处，这样可以在途中延长车辆行驶里程并降低车辆的能量存储要求。DWC系统在通过道路上的指定充电通道途中连续为EV充电，同时也增加了行驶里程并减小了EV的电池尺寸。WPT采用2级（230 V交流）充电，功率为7.2 kW，通过无线充电系统实现，效率高达88.5%。与充电基础设施相关的技术问题包括其设计，构造，操作和维护。在短距离内部署高效可靠的充电基础设施将支持电动汽车的无限制范围。

如今，一种非常有效的无线充电方式是谐振CPT用于专用通道的动态充电和谐振IPT在SWC和DWC中使用。在电感和电容WPT之间中进行了比较分析。IPT技术已经开发多年，成功商业化的低功率产品。磁耦合器有许多无线充电开发阶段，它是发射器（Tx）和接收器之间几毫米距离的变压器。研究人员通过使用改进的补偿技术，功率水平和气隙提高了效率。

2 无线充电—感应电能传输（IPT）技术[2]

无线电力传输正变得越来越流行并且在诸如智能电话和电动车辆（EV）的许多应用中使用。因此，节能无线充电系统的设计是一项关键任务。

感应电能传输（IPT）是一种能够使电力无接触地传输的技术。其工作原理类似于变压器的工作原理，其中能量通过线圈之间的相互耦合从初级传递到次级。典型IPT系统的频率范围从几千赫兹到几兆赫兹，功率传输水平范围从0.5 W到50 kW，线圈之间的气隙可达几百毫米。由于气隙相对较大，IPT系统的耦合系数通常小于0.6，而变压器的耦合系数可能大于0.9。IPT系统的一个显著优点是其安全操作功能，特别是在恶劣天气下。原因是初级线圈和次级线圈之间没有物理连接。另外，基于IPT系统的电子设备比传统的插入式或有线设备更方便和用户友好。最近，IPT系统已广泛用于商业和工业应用，例如小型电子设备的电池充电和电动汽车（EV）。

通常，IPT系统可以分为两种类型：分布式拓扑和集总拓扑。如果需要连续供电，则应用程序应选择使用分布式拓扑。分布式系统由轨道（长环布置的初级线圈）以及一个或多个拾取器（耦合到轨道的一小部分的次级线圈）组成。集总系统由离散的初级和次级线圈组成。根据两个线圈之间的气隙，集总系统可以进一步分为紧密耦合和松散耦合类型。当气隙相对较小时，它被认为是紧密耦合的集总系统，并且系统通常具有插入式初级。当气隙相对较大时，则它是松散耦合的集总系统，其通常由EV充电时使用。

3 利用雷达传感器的无线充电技术[3]

随着电池容量变得适合大众市场，对电动车辆充电技术的需求不断增加。无线充电被认为是最有前途的自动和方便充电技术。特别是在可公开进入的停车位中，异物能够容易地进入充电线圈之间的大气隙。由于诱发的磁场不符合规定，因此要求无线充电系统采取与保护濒危物体有关的进一步预防措施。因此，需要额外的传感器防止它们暴露于磁场主要来保护活物体。

在电动汽车的背景下，无线充电已经发展了近20年。在以5-150 kHz的频率将电网电源转换为交流电后，在两个感应线圈之间，通过交变磁场传输功率。与无线功率传输的其他应用相比，磁场必须穿越初级线圈和次级线圈之间的大气隙。

使用车辆侧面的汽车雷达传感器监测车辆底部下气隙，可以防止生物体暴露于感应充电系统引起的交变磁场。为了满足感应充电系统的要求，应用二维信号处理技术来检测外来物体的最轻微移动。检测车辆下方的平静握持的手并且与静态物体的反射区分开。在原型实施的帮助下评估概念可行性。此外，应用二维信号处理技术以满足感应充电系统的要求。

4 动态无线功率传输技术[4]

无线功率传输是一种快速发展的技术，用于通过气隙为电子设备充电。对这种新充电技术的开发和使用的广泛兴趣是由于其简单，免于烦人的充电电缆，更高的效率和更少的充电时间。随着其技术进步，无线电力传输技术有助于大量减少传统车辆对大气中的污染物和二氧化碳排放。然而，用于电动车辆的无线充电的实施仍然在功率传输效率，能量传输范围，具有低能量密度的重型电池的利用和车辆充电所花费的时间方面存在挑战。解决这些现有限制的方法之一是开发动态无线功率传输技术。通过结合动态无线充电，不需要电池，充电时间将大量减少。

传统的无线电力传输系统包括直流侧电源，其通过DC-AC逆变器转换为AC，收发器和接收器板通过互感器，AC-DC整流器和负载耦合。收发器和接收器块具有补偿电路器件，其减少功率泄漏并因此传输更多功率。有四种主要的补偿拓扑结构，命名如下：串联（SS），并联（PP），串并联（SP）和并联（PS）。使用特定补偿电路的选择取决于系统的应用领域。目前，已经开发出更有效的补偿电路，如电感-电容-电感（LCL）和电感-电容-电容（LCC）。

5 车对电网双向无线充电[5]

可再生能源在国家电网中发挥着越来越大的作用。由于许多可再生能源（例如风能和太阳能）的间歇性特征，在可再生能源可用性和同时的高峰需求之间保持平衡变得越来越困难。由于峰值需求与可再生能源峰值产量之间的时间不平衡，这一挑战通常被称为“鸭子曲线”。防止可再生资源产生的电量减少的一种方法是存储“过剩”电力，然后在高峰需求期间将其反馈到电网中。车对网（V2G）技术提供了完成此任务的方法。V2G技术可实现电网与电动车辆中的高功率，高容量推进电池之间的双向电力供应。因此，该技术有助于稳定电网供需平衡。

利用V2G动力传输技术，所有电动车辆的总电池容量提供了潜在的大型能量储存器，可用于电网稳定并满足峰值能量需求。此外，正在开发用于电动车辆的无线充电技术，以实现自动和“免提”充电体验。这些技术的组合，WPT系统中的V2G功能，尤其是当自动驾驶车辆变得普遍时，有必要利用用于电网目的的车辆电池能量。由于开发的新兴标准系统与SAEJ2954完全兼容，由此可以实现双向无线功率传输。这意味着车辆可以在任何与标准兼容的无线充电站对G2V充电，同时还能够在双向充电站将电力传输回电网。只需对车载硬件进行少量修改即可实现此功能。在G2V和V2G方向上都可以实现类似的功率传输水平（7 kW）和效率（＞90%）。可调匹配网络的使用便于在宽范围的操作条件（线圈位置和电池电压）下操作，并且在G2V和V2G模式下的操作中实现了性能改进。