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無線電力傳輸 (WPT)

無線電力傳輸 (WPT)

2024/1/25 10:55:27

我們都熟悉使用低功率無線充電的充電牙刷或手機充電板,但對于高功率無線充電而言,例如電動汽車 (EV),未來將面臨哪些挑戰?

幾乎所有插電式電動汽車的車主都依賴一根又重又貴的電纜來將車輛連接到電動汽車充電器充電。電纜之所以價格不菲,是因為它必須足夠粗,以承載所需的峰值充電電流(通常從 11 kW 到 100 kW 或更高),同時還要足夠結實耐磨,以承受被隨意扔進汽車后備箱或在惡劣天氣下使用,并且足夠堅固耐用,以抵御反復插拔操作的磨損消耗。即便如此,電纜和連接器的使用壽命也有限,終將因日常使用而變得危險、磨損或損壞。一個更好的解決方案是完全省去電纜和連接器。

圖 1 展示了無線電動汽車充電器的概念。車輛只需停駛在充電線圈上方,就能通過感應式無線電力傳輸為其電池充電。無線通信可確保僅在安全的情況下才進行電力傳輸,就像現代移動電話與 Qi 兼容充電板通信以確保通電之前充電區域中沒有異物存在一樣。

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圖 1:電動汽車無線充電概念

移動電話與電動汽車無線充電器之間的主要區別在于所使用的功率水平。對于高功率無線充電器,效率必須最大化,而移動電話充電器的效率通常只有 70% 。對于低成本的大眾消費品來說,這一數值可以接受,但對于電動汽車無線充電器來說卻是一種浪費,因為電動汽車無線充電器需要的系統效率接近 85% (交流電源到直流電源的轉換)

提高電力傳輸效率有三種方式:更緊密耦合的磁電路、更高的工作頻率以及更好的參數匹配,但首先讓我們來了解一下無線電力傳輸技術的基礎知識。

無線電力傳輸基礎知識

WPT 技術最早可以追溯到 19 世紀末,當時 Heinrich Hertz 用兩個拋物面反射器來聚焦射頻輻射,演示了高頻火花隙無線電力傳輸。Nikola Tesla 在世紀之交之前也進行了耦合電磁諧振電路的實驗,但沒有證據表明他成功傳輸了大量電力。最早成功演示感應電力傳輸是在 1910 年,當時點亮了一個裝在開放式變壓器上方的燈泡,但這同樣沒有轉化為實用的無線電力產品。盡管缺乏商業成功,這些早期的先驅為今天使用的一些主要無線電力傳輸技術奠定了基礎:

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對于電容和磁耦合 WPT 系統,發射器和接收器之間單位體積空氣中存儲的能量分別由下式得出:

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其中 E 和 H 分別是電場和磁場的強度,ε_0 和 μ_0 是自由空間的介電常數和磁導率值。由于 μ_0 高于 ε_0,考慮到實際電壓和電流限值,磁耦合場中傳輸的能量比電容耦合場多大約一千倍。因此,電感耦合和磁共振耦合有助于實現最高的電力傳輸。 

本質上,感應充電系統使用發射線圈來產生局部磁場,該磁場通過互感耦合到接收線圈(圖 2):

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圖 2:感應式無線電力傳輸原理圖 

發射器和接收器線圈之間的互感 M,用一個看似簡單的方程表示:

互感,M=k√(L_t L_r )

其中 Lt 和 Lr 分別是發射線圈和接收線圈的繞組電感,而 k 是耦合系數,取決于線圈的尺寸、匝數和對準精度(方向和間距)(圖 3):

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圖 3:不同扁平線圈錯位對感應電力傳輸效率的影響

通過插入充當“磁透鏡”的中間線圈,可以增強耦合系數,從而聚焦磁通量(圖 4)。更高功率的諧振電感耦合系統可以使用三個或更多個這樣的線圈。這些中間線圈為諧振儲能電路,帶有一個與線圈繞組并聯的電容器,以在交變磁場的頻率下諧振(圖 5)。諧振線圈能夠增強發射線圈的有效磁場強度,并將有效接收磁場集中到接收線圈,從而顯著提高耦合效率。此外,即使中間諧振電路只能攔截部分磁通量,它們仍然會諧振,因此與簡單的兩個平面線圈系統相比,對于間距和對準精度的要求并沒有那么嚴格。

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圖 4:使用中間諧振線圈的諧振電感耦合

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圖 5:具有中間諧振線圈的 WPT 等效電路模型

中間諧振線圈不必如圖 4 所示對稱放置,如果電力傳輸的限制因素是足夠的磁通量,則靠近發射線圈的成對諧振線圈將通過耦合因子 k12 和 k23 放大局部磁場,從而使耦合因子 k34 更強,到達更遠的接收線圈。 

這種中間線圈對于發射線圈和接收線圈之間的距離和對準不固定的 WPT 應用而言必不可少,例如電動車輛在行駛過程中的無線充電。  Tesla 等公司已經建造了道路內置充電系統原型,其中車輛配有底部彈簧加載的金屬電源連接器,可以在行駛中進行充電,但美國底特律是美國第一個實施基于無線電力傳輸的非接觸式道路充電系統的城市 。該系統成功展示了高達 19 kW 的充電速率。

高頻無線電力傳輸

理論上可以使用市電提供的低頻 50/60 Hz 交流電進行感應充電,但這對于較高功率傳輸來說效率不高。 

根據以下原理,傳輸頻率越高,可傳輸的電力就越多:

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其中輸出功率 P_out 等于諧振時的角頻率 ω_0、互感 M,、發射線圈中的電流 I_t 與接收線圈中產生的感應電流 I_r 之積。  因此,傳輸的電力與交變磁場的頻率成正比。  然而,隨著頻率的增加,磁芯渦流和開關損耗也會隨之增加,因此存在一個最佳 WPT 工作頻率,該頻率取決于其他系統參數,以實現感應電力傳輸的最高效率。

利用現有的高功率開關技術,一個介于 20 kHz 至 150 kHz 之間的諧振頻率可以獲得最佳傳輸效果。

影響系統效率的最后一個重要因素是電源、線圈和負載電阻的匹配。  最大電力傳輸效率 (PTEmax) 可以從以下關系式中得出(諧振時):

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其中  RL,Rt 和  Rr 分別是負載、發射器和接收器的電阻。 

為了獲得最佳性能,負載、接收線圈和發射線圈的電阻應該完全相同。 

實際上,這在 WPT 系統的設計中存在一些挑戰。發射器的高電流電源前端和逆變器具有非常低的內部阻抗,因此可能需要一個高頻阻抗匹配變壓器以獲得最高耦合傳輸電力傳輸到線圈。同樣,負載是一個電池組,其非線性內阻特性取決于其充電狀態,因此為了能以最優效率接收電力,需要一個可以進行阻抗調諧的 DC/DC 車載充電器 (OBC),這與光伏 DC/DC 轉換器中使用的最大功率點跟蹤 (MPPT) 電路非常類似(圖 6)。

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圖 6:具有預期轉換效率的 WPT 功率驅動

為了達到效率目標,有源前端(AC 到 DC 轉換和功率因數校正)將需要使用無橋圖騰柱配置或類似配置(圖 7),而逆變器將需要使用全橋或 LLC 拓撲變體。這兩種設計都需要使用多個隔離晶體管柵極驅動器,在這一點上,RECOM 可以用標準和可編程隔離柵極驅動器 DC/DC 電源來支持 WPT 設計:

 

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圖 7:GaN 圖騰柱無橋整流器示例電路

在高功率開關設計中,通常很難平衡每個支路中的電源接地端雜散電感,這可能會導致性能不對稱和開關不穩定。隔離高側和低側柵極驅動器可以解決這個問題(圖 8)。

 

RECOM 提供一系列緊湊型柵極驅動器電源模塊,具有高隔離、不對稱輸出電壓,可實現最佳功率晶體管開關性能以及寬工作溫度范圍,使其成為此類高功率設計(包括雙向電路在內)的理想選擇。

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圖 8:全橋柵極驅動器示例電路

在電動汽車內部,另一個有源整流器電路會將接收線圈產生的 AC 轉換成 DC,為中間母線電容器 CDC 充電。這種非穩壓直流母線電壓可用于為高功率數字 DC/DC 轉換器供電,例如 RECOM 的 15 kW OBC 設計(圖 9)。

 

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圖 9:RECOM 15 kW(可并聯至 75 kW)高壓車載充電器

該 15 kW 轉換器具備 25 VDC 至 280 VDC 的寬直流輸入電壓范圍,并可以通過編程設置將輸出電壓提升至 200 V 至 800 VDC,可為高壓電動汽車電池組充電,其轉換效率超過 97%。內置 MPPT 電路優化了整個充電周期內的電力傳輸效率。CAN 總線接口支持與標準電池管理系統控制器通信,并允許并聯單元之間實現主動均衡負載。

結論

就技術而言,無線電力傳輸是有線電動汽車充電系統的可行替代方案,盡管由于成本較高而尚未成為主流,但隨著電動汽車已經成為普遍現象而非特例,用戶僅需將車輛停放至停車位即可開始充電,無線充電的方便快捷,加上車輛自動駕駛和自動泊車技術的日益成熟,無疑將提升 WPT 的市場吸引力。未來,隨著道路充電系統的實現,行駛過程中進行 WPT 充電將極大緩解駕駛電動汽車的“續航焦慮”,并有望在旅程結束時充滿電量,而不僅僅在出發前充滿電量。

RECOM 現已推出一系列產品,可用于構建、評估和測試電動汽車無線充電的高壓電源和系統。

審核編輯(
王靜
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