高频功率传输为无线电动汽车充电铺平了道路

　　许多插电式电动汽车所有者依靠厚实昂贵的电缆将车辆连接到充电器。电缆之所以昂贵，是因为它必须足够厚才能携带所需的峰值充电电流（通常从11 kW到100 kW或更多），足够坚硬，足以承受不小心地扔在汽车后部或在恶劣的天气中使用并且是足够强大，可以承受重复的插头和拔下插头操作。即便如此，电缆和连接器的寿命有限，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与他们分配吗？

　　图1显示了无线电动汽车充电器的概念。该车辆停在充电线圈上，电源通过电感无线电源传输传递，以充电其电池。无线通信可确保在安全时传输电源，就像现代手机与QI支持的充电器垫进行通信，以确保在充电场中没有外来物体，然后再应用电源。

　　图1。EV 无线充电概念。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供充电手机与电动汽车充电之间的主要区别是使用的电源水平。根据无线功率财团的数据，对于高功率EV无线充电器的效率必须化，而电话充电器的效率通常仅为70％。对于低成本商品产品来说，这是可以接受的，但对于EV Wireless充电器来说是浪费的，其中系统效率接近85％（AC到DC功率）。
　　可以通过三种方式提高功率传递效率：更紧密的磁回路，更高的频率操作和更好的匹配。但是首先，让我们看一下无线电源传输技术的基础知识。
　　无线电力传输基础知识
　　无线电力传输（WPT）技术可以追溯到1800年代后期，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）使用两个抛物线反射器展示了高频火花隙无线电源传输，以聚焦RF辐射。尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）还在世纪之交之前对耦合的电磁共振电路进行了实验，但没有证据表明他成功地传递了有意义的电力。早成功的感应动力传递的演示是在1910年阐明在开放式变压器上握着的灯泡，但同样，这并没有变成实用的无线电力产品。尽管缺乏商业上的成功，但这些早期的开拓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
　　感应短的KHz-MHz电牙刷
　　磁谐振耦合中KHz-MHz电话充电器，EV充电器
　　电容耦合短的KHz-MHz生物医学植入物
　　微波长的GHz卫星
　　激光长的THZ无人机
　　对于电容和磁WPT系统，分别通过以下方式给出了发射器和接收器之间的空气中存储的能量：
　　\ [w_ {e}（electry \，field）= \ frac {1} {2} {2} \ varepsilon_ {0} e^{2} \] \]
　　\ [w_ {m}（Magentic \，field）= \ frac {1} {2} {2} \ mu_ {0} h^{2} \]
　　其中E和H分别是电场和磁场的强度，并且是自由空间的介电常数和渗透率值。由于它更高，当考虑实用电压和电流限制时，在耦合磁场中的能量比在电容耦合场中的能量高约一千倍。因此，电感和磁共振耦合使自己达到功率传递。

　　本质上，电感充电系统使用发射器线圈生成局部磁场，该磁场通过相互电感耦合到接收线圈中（图2）：

　　图2。 电感无线功率传输示意图（图2、3和4来自Bodo's Power Systems  [PDF]的Image Image。
　　发射器和接收器线圈之间的相互感应m由看似简单的方程式给出：
　　\ [互助\，电感，m = k \ sqrt {l_ {t} l_ {r}} \] \]

　　其中l t和l r分别是传输线圈和接收线圈的绕组电感，而k是耦合系数，取决于线圈的尺寸，转弯数以及对齐（方向和分离）（图（图） 3）：

　　图3。 各种平面线圈未对准对感应功率传递效率的影响。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供可以通过插入中间线圈来增强耦合系数，该中间线圈充当“磁性镜头”以聚焦磁通量（图4）。较高的功率谐振电感耦合系统可能使用三个或更多线圈。这些中介线圈是与电容器与绕组平行的电容器的谐振坦克电路，该电容器以交替磁场的频率产生共鸣（图5）。谐振器从传输线圈增强了有效的磁场强度，并将有效接收的场集中到接收线圈中，从而显着提高了耦合效率。此外，即使只有投影磁通量的一部分被中介电路拦截，它们仍然会引起共鸣，因此分离距离和比对并不像两个简单的平坦线圈那样关键。

　　图4。 使用中间谐振器的谐振电感耦合。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供

  

  图5。与中间谐振器的WPT的等效电路模型。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供中间谐振器不必对称地放置，如图4所示 - 如果功率传递的限制因子是足够的磁通量，则将靠近发射器线圈的配对谐振器通过耦合因子k 12和K 23对于更强的耦合因子K34与更遥远的接收器线圈。

　　此类中介线圈对于WPT应用至关重要，在WPT应用中，传输和接收线圈之间的距离和对齐不是固定的，例如，在电动道路上为驾驶行驶的行驶车辆充电。特斯拉（Tesla）以及其他公司包括在旅途中为车辆弹簧弹簧的金属电源连接器进行充电的原型，但底特律是美国个实施了无接触式的公路收费的城市基于无线电源传输的系统。该系统成功证明了高达19 kW的充电率。
　　高频无线电源传输
　　使用电源50/60 Hz交替的电流可从电源供应提供的电流，可以通过归纳来进行收费，但这对于更高的势力效率低。
　　传输频率越高，可以根据以下方式传输功率越多。
　　\ [p_ {out} = \ omega_ {0} mi_ {t} i_ {t} \]
　　如果输出功率p out等于共振时的角频率，则乘以相互电感，m，传输线圈中的电流以及接收线圈中产生的诱导电流，i r。因此，传输功率与交替磁场的频率成正比。但是，涡流和开关损耗随着较高的频率而增加，因此的WPT工作频率取决于其他系统参数的峰值电感功率传递效率。
　　借助现有的高功率开关技术，共振频率在20 kHz至150 kHz之间取得了效果。
　　影响系统效率的终重要因素是与电源，线圈和负载电阻匹配。功率传递效率（PTE MAX）可以从以下关系（共鸣）得出：
　　\ [pte_ {max} = \ frac {\ omega_ {0}^{\，\，\，\，2} m^{1} r_ {l}} {r_ {r_ {t}（r _ {r}+r_ {l}）^{2}+\ omega_ {0}^{\，\，\，\，\，\，\，\，\，2} m^{2}（r_ {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。
　　载荷，接收和传输线圈电阻都应相同，以获得性能。

　　这在WPT系统的设计中造成了一些实际问题。发射器的高电流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的变压器，以使线圈获得的耦合变速箱功率。同样，负载是具有非线性内部电阻特性的电池组，取决于其充电状态，因此需要DC/DC在板载充电（OBC）单元，可以阻止调节以达到功率接收，就像光伏DC/DC转换器中使用的功率点跟踪（MPPT）电路（图6）。

　　图6。WPT 功率阶段，具有预期的转换效率。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供为了满足效率目标，主动前端（AC到DC转换和功率因数校正）需要使用Bridgeless Botgetem Pole配置或类似（图7），并且逆变器将需要使用完整的桥梁或变体LLC拓扑。这两种设计都需要使用几个孤立的晶体管驱动器。

　　图7。GAT 图腾杆无用的整流器示例电路。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供通过高功率开关设计，通常很难平衡每条腿的电源散落电感，从而导致不对称的性能和开关不稳定性。隔离高侧和低侧门驱动器可消除此问题（图8）。

　　图8。 完整的桥门驱动器示例电路。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供ROCOM提供了一系列紧凑型栅极驱动器电源模块，具有高隔离，功率晶体管开关的不对称输出电压以及宽的工作温度范围，使其非常适合此类高功率设计，包括双向电路。

　　在电动汽车中，另一个主动整流器电路将从接收线圈转换为AC，以充电中间总线电容器C DC。这种不受管制的直流总线电压可以提供高功率数字DC/DC转换器，例如ROCOM的15 kW OBC设计COMOM 的15 kW（可平行的75 kW）高压在板载充电器上。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供这种15 kW的转换器设计将接受宽的直流输入电压范围25 VDC高达280 VDC，并将输出电压提高到可编程的200 V-800 VDC，以充电高压电动汽车电池堆栈，其效率超过97％。内置的MPPT电路优化了整个充电周期内的功率传输效率。 CAN-BUS接口允许与标准电池管理系统控制器进行通信，并允许平行单元之间的主动负载共享。