隨著我們在日常生活中更多地轉(zhuǎn)向使用無線產(chǎn)品，電力電子研究同時也在為電動汽車 (EV) 等事物發(fā)展無線充電的新趨勢。許多國家現(xiàn)在正在實施燃油經(jīng)濟性法規(guī)并推動以電動汽車取代汽油車的舉措;因此，汽車制造商現(xiàn)在非常關(guān)注電動汽車的開發(fā)。雖然鋰離子電池和超級電容器等技術(shù)進步大有希望，但更平穩(wěn)地向電動汽車過渡的主要要求是基礎(chǔ)設(shè)施和合適的快速充電系統(tǒng)的可用性。

電動汽車充電系統(tǒng)是將來自電源的交流/直流電轉(zhuǎn)換為可為汽車電池充電的直流電的大功率轉(zhuǎn)換設(shè)備。目前所需的峰值功率約為 10kW 至 20kW。這可能會更高，具體取決于可充電時間和電池充電能力的進步。因此，政府和原始設(shè)備制造商都在推動開發(fā)能夠滿足未來電動汽車電力需求的大功率充電系統(tǒng)。本文特別關(guān)注那些無線充電系統(tǒng)。

無線充電系統(tǒng)無需物理連接即可將電源從電源傳輸?shù)截撦d。當(dāng)今可用的常見方案包括以空氣為核心的變壓器。功率傳輸發(fā)生在電源和負載之間沒有任何接觸的情況下。無線電力傳輸應(yīng)用從額定功率為 10瓦的低功率移動充電系統(tǒng)開始，到額定功率高達10千瓦的高功率電動汽車快速充電器。

傳統(tǒng)上，無線充電系統(tǒng)的主要問題是效率低和安全性低。研究表明，各種概念現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了超過 80% 的效率，這與有線電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相當(dāng)。隨著初級和次級線圈之間距離的增加，效率呈指數(shù)下降;因此，可以通過減少線圈之間的距離和采用不同的線圈構(gòu)造方法來提高效率。智能功率控制確保安全，可以檢測到雜散功率傳輸并立即暫停功率傳輸。監(jiān)管指南(例如 SAE J2954)正在實施，以始終確保安全。

無線電力傳輸可以通過多種方式實現(xiàn)，但最常見的是感應(yīng)和諧振傳輸方法。感應(yīng)功率傳輸基于變壓器原理，其中初級側(cè)的交流電壓在次級側(cè)感應(yīng)電壓，從而引發(fā)功率傳輸(圖 2)。這種方法對初級和次級繞組之間的耦合高度敏感——即隨著距離的增加，功率損耗變得巨大，從而降低了效率。因此，這種方法僅限于手機充電器等低功率應(yīng)用。

諧振方法基于初級和次級之間的阻抗匹配。設(shè)計諧振電路以允許形成磁場的隧道效應(yīng)(圖 3)。即使線圈相距很遠，這也可以最大限度地減少功率損失并提高效率。因此，該方法可用于需要高功率傳輸?shù)膽?yīng)用中。使用這種方法的研究記錄了超過 85% 的效率。

在這兩種方法中，傳輸?shù)碾娏咳Q于幾個參數(shù)：

1) 兩個線圈之間的氣隙

2) 電感值、功率開關(guān)損耗、電路寄生等。

3) 功率波形頻率

這些關(guān)鍵參數(shù)在實際系統(tǒng)中容易發(fā)生巨大變化。執(zhí)行完整的系統(tǒng)仿真有助于實現(xiàn)可預(yù)測的結(jié)果，并幫助設(shè)計工程師獲得最有效的配置。在沒有準(zhǔn)確的仿真模型的情況下，需要幾個具有不同組件和配置的原型，這會耗費時間和金錢。

用于電動汽車充電的典型無線充電系統(tǒng)包括：

1) 電源——這可以是來自電網(wǎng)的交流電，也可以從可再生能源(如太陽能)以直流形式獲取。因此，功率調(diào)節(jié)單元 (PCU) 在將所需功率傳輸?shù)截撦d時應(yīng)考慮輸入的變化。

2) 相移諧振橋式轉(zhuǎn)換器——這些轉(zhuǎn)換器以幾百赫茲的頻率工作，并使用輸入側(cè) PCU 的開關(guān)頻率。器件的開關(guān)、其寄生效應(yīng)、損耗等都會影響功率傳輸。使用精確模型對拓撲進行仿真有助于在設(shè)計過程的早期階段估計性能。

3) 初級和次級線圈及其電感——電感值隨位置變化，可視為隨時間變化。這直接影響系統(tǒng)阻抗，從而影響系統(tǒng)中的損耗。如果可以在仿真平臺中對電感進行建模和測試，則可以設(shè)計出最有效的線圈配置，而無需多個原型。仿真程序應(yīng)該允許一種簡單的方法來包括方程或數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模，并提供跨一系列參數(shù)的設(shè)計優(yōu)化機制。

4) 次級整流器——將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，為電池充電并為其他負載供電。

5) 有效的通信協(xié)議——識別次級側(cè)是否存在有效負載。這確保了不會啟動錯誤的電力傳輸并確保安全。

考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性和系統(tǒng)組件的參數(shù)變化，系統(tǒng)的仿真和優(yōu)化有助于預(yù)測性能并提供可靠的設(shè)計。SaberRD 等仿真平臺可以實施該系統(tǒng)，以驗證在線圈間距、組件變化等各種條件下的性能。建模工具的可用性增強了這一點，這些工具可以創(chuàng)建準(zhǔn)確的模型，從而產(chǎn)生準(zhǔn)確的模擬輸出。圖 4 顯示了無線移動充電系統(tǒng)的實施以及如何檢查各種條件下的性能，包括初級和次級繞組之間的耦合變化。

如前所述，無線充電系統(tǒng)的輸出功率對變化的氣隙、設(shè)備參數(shù)、電路寄生、負載等高度敏感。在諧振方法的情況下，功率器件之間的互連引入的寄生效應(yīng)影響很大。在仿真中，可以導(dǎo)入寄生元件的3D模型，進行綜合分析。這在進行硬件原型之前優(yōu)化了設(shè)計。此外，諸如 SaberRD 中的多變量分析之類的分析為分析具有多個參數(shù)變化的設(shè)計提供了高度的自由度。因此，準(zhǔn)確的仿真有助于準(zhǔn)確確定設(shè)計的性能并減少硬件原型迭代的次數(shù)。

無線充電系統(tǒng)無需互連電纜進行充電，可隨時隨地充電。有了這個，車輛可以使用容量更低的電池并更頻繁地充電。例如，巴士可以在?？吭诎褪空緯r充電，如圖 5 所示。除此之外，由于沒有機械連接器和電纜，系統(tǒng)的可靠性也得到了提高。

事實證明，無線充電對未來的電動汽車充電系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大影響。減少“里程焦慮”并實現(xiàn)像內(nèi)燃機一樣的用戶體驗將促進電動汽車的普及并幫助實現(xiàn)電動汽車的承諾。無線充電可能只是關(guān)鍵的推動因素之一。