電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)介紹第一部分

“無線充電器”?！?a href="/tags/電動(dòng)汽車" target="_blank">電動(dòng)汽車”。兩個(gè)被廣泛討論的概念。將它們放在一個(gè)句子中，例如“讓我將電動(dòng)汽車連接到無線充電器?” 沒那么多。

今天幾乎所有的電動(dòng)汽車都使用傳導(dǎo)充電，但仍然存在揮之不去的擔(dān)憂。安全是一個(gè)潛在問題，尤其是在潮濕條件下。家用 110V 或 220V 系統(tǒng)最多需要 10 小時(shí)才能為 EV 充滿電。公共快速充電站有更多可用電量，可以在更短的時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車充電，但它們占用大量空間，設(shè)備可能被盜。此外，快速充電器會(huì)降低電池壽命。

無線充電在低功耗消費(fèi)應(yīng)用中已經(jīng)存在多年——無線剃須刀隨處可見，電動(dòng)牙刷自 1990 年代初就開始使用它。甚至醫(yī)療領(lǐng)域也在使用無線充電進(jìn)行皮下植入物。

在汽車領(lǐng)域，無線充電是 GM EV1 的一項(xiàng)功能，這是主要制造商的首款量產(chǎn)電動(dòng)汽車。EV1 以及數(shù)百輛第一代豐田 RAV4 EV 和雪佛蘭 S10 EV 使用符合 J1773 標(biāo)準(zhǔn)的槳通過感應(yīng)充電。

有三個(gè)充電級(jí)別。車輛本身包括一個(gè) 1.2kW 1 級(jí)充電器，該充電器使用標(biāo)準(zhǔn)的 120V 插座。它可以充滿電，但需要長(zhǎng)達(dá) 14 小時(shí);它的主要目的是提供快速充電，讓車輛回家或到商業(yè)充電站。

對(duì)于家庭安裝，2 級(jí)充電器提供 6.6kW，但需要 208-240vac 電源。將 EV1 充滿電需要 8 個(gè)小時(shí)，盡管它可以在一到三個(gè)小時(shí)內(nèi)達(dá)到 80% 的電量。

不幸的是，對(duì)于 J1773，2001 年加州空氣資源委員會(huì) (CARB) 決定將 J1772(一種導(dǎo)電(有線)充電接口)作為加州電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致其消亡。

在那之后，無線充電的進(jìn)展一直很緩慢，盡管自 1997 年豐田普銳斯推出以來，電動(dòng)汽車已經(jīng)成為主流汽車領(lǐng)域的一部分。

不過，現(xiàn)在，未來看起來更加光明。Navigant Research在其研究報(bào)告“電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)”中預(yù)測(cè)，2013 年至 2022 年，全球輕型汽車無線充電設(shè)備的銷售額將以 108% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)2022年的年銷量略低于302,000輛。

不過，讓我們不要太興奮。為了在 2022 年實(shí)現(xiàn)超過 100% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率，預(yù)測(cè)需要從 2013 年 400 輛的微小起點(diǎn)開始，這一年純電動(dòng)汽車的銷量約為 110,000 輛。

盡管在市場(chǎng)上進(jìn)展緩慢，但無線充電有幾個(gè)理想的特點(diǎn)：

· 充電過程簡(jiǎn)單、自動(dòng)，無需司機(jī)輸入

· 與有線系統(tǒng)相比，它具有抗破壞性，甚至可以安裝在車庫表面下方

· 不需要接觸，也沒有暴露的電氣連接

· 對(duì)車輛的影響小——安裝的設(shè)備小而輕

· 新設(shè)計(jì)效率高，媲美有線充電

無線充電原理

電動(dòng)汽車的無線充電使用近場(chǎng)充電 (NFC)：發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過感應(yīng)將能量傳輸?shù)礁浇慕邮站€圈。發(fā)射器線圈產(chǎn)生的穿過接收器線圈并有助于功率傳輸?shù)拇磐坎糠质莾蓚€(gè)線圈之間距離的函數(shù)。傳輸效率取決于線圈之間的耦合 (k) 及其品質(zhì)因數(shù) (Q)。

緊耦合系統(tǒng)提供了最有效的功率傳輸，但代價(jià)是對(duì)線圈錯(cuò)位的高度敏感。此類系統(tǒng)在發(fā)射器和接收器在幾毫米范圍內(nèi)的手機(jī)等消費(fèi)應(yīng)用中很受歡迎。電動(dòng)汽車無線充電需要在線圈對(duì)齊方面具有更大的靈活性和更長(zhǎng)的范圍，因此它使用具有諧振接收器-發(fā)射器組合的系統(tǒng)。這允許更松散的耦合，但效率較低。 如果兩個(gè)高 Q 諧振器放置得非常接近，使得它們之間存在耦合，則諧振器可以交換能量。

發(fā)生器輸出幅度為 Vg、頻率為 ω 的正弦電壓，輸出電阻為 Rg。源(發(fā)射器)和設(shè)備(接收器)諧振器線圈由電感器Ls 和Ld表示，通過它們的互感M耦合，其中M = k √ ( LsLd )。

諧振器由線圈和電容器串聯(lián)構(gòu)成。Rs 和Rd 是各個(gè)諧振器的線圈和諧振電容器的寄生電阻。負(fù)載由等效交流電阻RL表示。

最大功率傳輸效率 (PTE) 出現(xiàn)在諧振頻率，并且是兩個(gè)線圈電磁耦合的函數(shù)。當(dāng)源阻抗和設(shè)備阻抗匹配時(shí)，它們之間的功率傳輸 (PT) 就會(huì)發(fā)生。如果兩個(gè)線圈強(qiáng)耦合，則 PT 隨頻率而變化，在諧振頻率之上和之下具有雙峰。

PTE和PT不能同時(shí)優(yōu)化;EV 充電器設(shè)計(jì)通常側(cè)重于首先提高 PTE，然后使用自適應(yīng)阻抗匹配等技術(shù)來提升 PT。