许多插电式电动车车主依靠笨重且昂贵的电缆将车辆连接到充电器。该电缆价格昂贵，因为它必须足够粗，能够承载所需的峰值充电电流（通常从 11 kW 到 100 kW 或更高），足够坚固，能够承受不小心扔到汽车后座或在恶劣天气下使用，并且足够坚固，可以承受反复插拔操作。即便如此，电缆和连接器的使用寿命有限，终会因日常使用而变得不安全、磨损或损坏。更好的解决方案是完全放弃它们吗？
图 1 显示了无线电动汽车充电器的概念。车辆停在充电线圈上，通过感应式无线电力传输来传输电力，为电池充电。无线通信可确保安全地传输电力，就像现代手机与支持 Qi 的充电板进行通信一样，以确保在通电之前充电区域中不存在异物。
图 1. 电动汽车无线充电概念。图片由博多电力系统提供 [PDF]
手机充电与电动汽车充电的主要区别在于所使用的功率水平。根据无线充电联盟的说法，高功率电动汽车无线充电器的效率必须化，而手机充电器的效率通常只有 70%。这对于低成本商品来说是可以接受的，但对于电动汽车无线充电器来说是一种浪费，因为电动汽车无线充电器需要接近 85% 的系统效率（交流到直流电源）。
功率传输效率可以通过三种方式提高：更紧密耦合的磁路、更高的工作频率和更好的匹配。但首先，让我们看一下无线电力传输技术的基础知识。
无线功率传输基础知识
无线功率传输(WPT) 技术可以追溯到 1800 年代末，当时 Heinrich Hertz 演示了使用两个抛物面反射器聚焦 RF 辐射的高频火花隙无线功率传输。尼古拉·特斯拉在世纪之交之前也尝试过耦合电磁共振电路，但没有证据表明他成功地传输了有意义的电力。感应电力传输早的成功演示是在 1910 年，照亮了开放变压器上的灯泡，但同样，这并没有变成实用的无线电力产品。尽管缺乏商业成功，这些早期先驱者为当今使用的一些主要无线电力传输技术奠定了基础：
WPT方法范围频率用途
电感式短的kHz-MHz电动牙刷
磁共振耦合中kHz-MHz手机充电器、电动汽车充电器
电容耦合短的kHz-MHz生物医学植入物
微波长的兆赫卫星
激光长的太赫兹无人机
对于电容式和磁性 WPT 系统，发射器和接收器之间单位体积空气中存储的能量分别由下式给出：
\[W_{e}(电场\,场)=\frac{1}{2} \varepsilon_{0}E^{2}\]
\[W_{m}(磁力场)=\frac{1}{2} \mu_{0}H^{2}\]
其中 E 和 H 分别是电场和磁场的强度，是自由空间的介电常数和磁导率值。由于它更高，当考虑到实际电压和电流限制时，在耦合磁场中可以传输的能量比在电容耦合场中传输的能量大约多一千倍。因此，感应耦合和磁共振耦合有助于实现的功率传输。
本质上，感应充电系统使用发射器线圈来生成局部磁场，该磁场通过互感耦合到接收线圈（图 2）：
图 2. 感应式无线功率传输原理图（图 2、3 和 4 来自 RECOM AC/DC Book of Knowledge 第 10 章。）所用图片由Bodo's Power Systems提供 [PDF]
发射器和接收器线圈之间的互感 M 由看似简单的方程给出：
\[互感\,电感,M=k\sqrt{L_{t}L_{r}}\]
其中 L t和 L r分别是发射线圈和接收线圈的绕组电感，k 是耦合系数，它取决于线圈的尺寸、匝数和对准（方向和间隔）（图3）：
图 3. 各种扁平线圈未对准对感应功率传输效率的影响。图片由博多电力系统提供 [PDF]
可以通过插入中间线圈来增强耦合系数，中间线圈充当“磁透镜”来聚焦磁通量（图 4）。较高功率谐振感应耦合系统可以使用三个或更多个线圈。这些中间线圈是谐振回路，具有与绕组并联的电容器，该电容器在交变磁场的频率下谐振（图 5）。谐振器增强发射线圈的有效磁场强度，并将有效接收场集中到接收线圈，从而显着提高耦合效率。此外，即使只有部分投射磁通量被中间电路拦截，它们仍然会谐振，因此间隔距离和对齐并不像两个简单的扁平线圈那么重要。
图 4. 使用中间谐振器的谐振电感耦合。图片由博多电力系统提供 [PDF]
图 5.具有中间谐振器的 WPT 的等效电路模型。图片由博多电力系统提供 [PDF]
中间谐振器不必如图 4 所示对称放置 - 如果功率传输的限制因素是足够的磁通量，则靠近发射器线圈放置的成对谐振器将通过耦合因子 k 12和放大局部磁场k 23表示与更远的接收器线圈的更强的耦合系数k34。
这种中间线圈对于发射线圈和接收线圈之间的距离和对准不固定的 WPT 应用至关重要，例如，在为行驶在其上的移动车辆充电的电动道路上。特斯拉等公司已经构建了原型道路充电系统，其中车辆具有底部弹簧加载的金属电源连接器，可以在行驶中充电，但底特律是美国个实施非接触式道路充电的城市基于无线电力传输的系统。该系统成功展示了高达 19 kW 的充电速率。
高频无线电力传输
可以使用市电提供的低频 50/60 Hz 交流电进行感应充电，但这对于较高功率来说效率较低。
传输频率越高，可以传输的功率就越多，具体如下：
\[P_{out}=\omega_{0}MI_{t}I_{t}\]
其中，输出功率 P out等于谐振角频率 ω o乘以互感M、发射线圈中的电流以及接收线圈中产生的感应电流I r。因此，发射功率与交变磁场的频率成正比。然而，磁芯涡流和开关损耗随着频率的升高而增加，因此 WPT 工作频率取决于峰值感应功率传输效率的其他系统参数。
利用现有的大功率开关技术，20kHz至150kHz之间的谐振频率可以达到效果。
影响系统效率的一个重要因素是电源、线圈和负载电阻的匹配。功率传输效率 (PTE max ) 可通过以下关系得出（谐振时）：
\[PTE_{max}=\frac{\omega_{0}^{\,\,\,2}M^{1}R_{L}}{R_{t}(R_{r}+R_{L} )^{2}+\omega_{0}^{\,\,\,2}M^{2}(R_{r}+R_{L})}\]
其中 RL、R t和 R r分别是负载、发射器和接收器欧姆电阻。
为了获得性能，负载、接收和发射线圈电阻应全部相同。
这在WPT系统的设计中产生了一些实际问题。发射器的大电流电源前端和逆变器具有非常低的内部阻抗，因此可能需要高频阻抗匹配变压器以获得线圈的耦合传输功率。同样，负载是具有非线性内阻特性的电池组，该特性取决于其充电状态，因此需要 DC/DC 板载充电 (OBC) 单元，该单元可以进行阻抗调整以获得功率接收，非常类似于光伏 DC/DC 转换器中使用的功率点跟踪 (MPPT) 电路（图 6）。
图 6. 具有预期转换效率的 WPT 功率级。图片由博多电力系统提供 [PDF]
为了满足效率目标，有源前端（交流到直流转换和功率因数校正）将需要使用无桥图腾柱配置或类似配置（图 7），并且逆变器将需要使用全桥或变体LLC 拓扑。两种设计都需要使用多个隔离晶体管栅极驱动器。
图 7. GaN 图腾柱无桥整流器示例电路。图片由博多电力系统提供 [PDF]
对于高功率开关设计，通常很难平衡每个桥臂中的电源接地杂散电感，从而导致性能不对称和开关不稳定。隔离高侧和低侧栅极驱动器可以消除这个问题（图 8）。
图 8. 全桥栅极驱动器示例电路。图片由博多电力系统提供 [PDF]
RECOM 提供一系列紧凑型栅极驱动器电源模块，具有高隔离度、非对称输出电压（可实现功率晶体管开关）和宽工作温度范围，使其成为此类高功率设计（包括双向电路）的理想选择。
在电动汽车中，另一个有源整流器电路将转换来自接收线圈的交流电，为中间总线电容器 C DC充电。这种未经调节的直流总线电压可以为高功率数字 DC/DC 转换器单元供电，例如 RECOM 的 15 kW OBC 设计。
RECOM 的 15 kW（可并联至 75 kW）高压车载充电器。图片由博多电力系统提供 [PDF]
该 15 kW 转换器设计可接受 25 VDC 至 280 VDC 的宽直流输入电压范围，并将输出电压提升至可编程 200 V-800 VDC，为高压电动汽车电池组充电，效率超过 97%。内置MPPT电路优化了整个充电周期内的功率传输效率。CAN 总线接口允许与标准电池管理系统控制器进行通信，并允许并联单元之间的主动负载共享。
有线电动汽车充电的替代方案
就技术而言，无线功率传输是有线电动汽车充电系统的可行替代方案，即使由于成本较高而并非主流。随着电动汽车成为常态而不是例外，简单地驾驶到停车位并无线充电电池的易用性和便利性将使 WPT 更具吸引力，特别是因为车辆自动移动和停车的技术已经存在。终，使用电动道路进行的移动 WPT 充电将消除使用电动汽车的“里程焦虑”，使电池能够在旅程结束时而不是在开始时充满电。
