【導(dǎo)讀】工業(yè)或交通運(yùn)輸?shù)碾姎饣嗜Q于充電基礎(chǔ)設(shè)施的部署?，F(xiàn)有的傳導(dǎo)充電解決方案由于需要插入巨大的電纜，特別是對(duì)于更高的功率，因此在安全性、堅(jiān)固性和舒適性方面存在一些問(wèn)題。無(wú)線充電被譽(yù)為提供安全、清潔和自主的解決方案。
工業(yè)或交通運(yùn)輸?shù)碾姎饣嗜Q于充電基礎(chǔ)設(shè)施的部署?，F(xiàn)有的傳導(dǎo)充電解決方案由于需要插入巨大的電纜，特別是對(duì)于更高的功率，因此在安全性、堅(jiān)固性和舒適性方面存在一些問(wèn)題。無(wú)線充電被譽(yù)為提供安全、清潔和自主的解決方案。
什么是無(wú)線和感應(yīng)電力傳輸 (IPT)？
科學(xué)家尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 創(chuàng)造了“無(wú)線功率傳輸”(WPT) 一詞，并于 1893 年提出了一種非接觸式系統(tǒng)?？刂圃摷夹g(shù)的基本原理是楞次定律和邁克爾法拉第感應(yīng)定律?？梢圆捎枚喾N方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。成功的商業(yè)化（在低功率水平）是“感應(yīng)電能傳輸”（IPT）。IPT 使用近場(chǎng)技術(shù)，能量保留在發(fā)射器的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)。
Finepower 多年來(lái)一直致力于開(kāi)發(fā)無(wú)線（感應(yīng)）電力傳輸解決方案。現(xiàn)在，我們?cè)谟砂头ダ麃喗?jīng)濟(jì)部和項(xiàng)目執(zhí)行組織 VDI-VDE-I 資助的 BiLiA 研究項(xiàng)目中，將該技術(shù)擴(kuò)展到與高功率、低壓電池結(jié)合的雙向操作。
IPT 磁力線圈系統(tǒng)
磁耦合級(jí)是決定電力電子設(shè)計(jì)、效率和可傳輸功率的重要部分。在電動(dòng)汽車(chē)充電的典型應(yīng)用中，次級(jí)側(cè)線圈安裝在車(chē)輛的底部。初級(jí)線圈側(cè)放在地上。該組件通過(guò)在每個(gè)線圈的外側(cè)使用鐵氧體和鋁來(lái)確保這兩個(gè)線圈之間具有磁通。鐵氧體塊的堆疊或成形也是可能的。線圈之間的氣隙可能相當(dāng)大，具體取決于車(chē)輛的離地間隙。這導(dǎo)致漏感與互感具有相似的尺寸。IPT系統(tǒng)中的每個(gè)線圈可以具有圓形、矩形、螺線管、DD、DDQ、雙極等形狀。每個(gè)線圈系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在互操作性、尺寸、漏磁、位置公差和操作復(fù)雜性。在較高功率下，為了減少安匝數(shù)（或磁動(dòng)勢(shì)），使用雙線繞組。整個(gè) IPT 系統(tǒng)的效率受到線圈固有品質(zhì)因數(shù)的限制。這可以通過(guò)使用利茲線仔細(xì)減少線束和股線水平上的趨膚和鄰近損耗來(lái)增加。
圖 1：典型感應(yīng)充電站的框圖。
分別使用 PFC 和逆變器對(duì)電網(wǎng)電源進(jìn)行整流并轉(zhuǎn)換為高頻信號(hào)。 通過(guò)初級(jí)線圈的高頻電流信號(hào)產(chǎn)生磁通量。 從而在次級(jí)兩端感應(yīng)出電壓。 隨后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行整流，以向直流電池負(fù)載供電。
圖2：a) 在次級(jí)側(cè)，添加串聯(lián)電容器Css。
正確選擇的值可以消除次級(jí)電感 (ωLs)，從而改善功率傳輸。 Voc 在此頻率下看到的阻抗是純電阻性的。 這通常用于恒壓應(yīng)用。 b) 并聯(lián)電容器替代串聯(lián)電容器在恒流應(yīng)用中很有用。 c+d) 也可以采用可調(diào)節(jié)串聯(lián)和并聯(lián)電容器的混合補(bǔ)償類(lèi)型。
圖2：a) 在次級(jí)側(cè)，添加串聯(lián)電容器Css。正確選擇的值可以消除次級(jí)電感 (ωLs)，從而改善功率傳輸。Voc 在此頻率下看到的阻抗是純電阻性的。這通常用于恒壓應(yīng)用。b) 并聯(lián)電容器替代串聯(lián)電容器在恒流應(yīng)用中很有用。c+d) 也可以采用可調(diào)節(jié)串聯(lián)和并聯(lián)電容器的混合補(bǔ)償類(lèi)型。
優(yōu)化諧振電路以限度地提高效率
典型感應(yīng)充電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。PFC后的高頻（即80-90 kHz）逆變器將整流后的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為有效電力傳輸所必需的交流方波。
通過(guò)初級(jí)線圈的高頻電流產(chǎn)生磁通，從而在次級(jí)側(cè)上感應(yīng)出電壓。該電壓稱(chēng)為開(kāi)路電壓 (Voc)，由公式 1 給出，其中 Ip 是初級(jí)線圈電流，M 是互感，ω 是角頻率。
V oc = jωMIp
Voc 連接到負(fù)載時(shí)會(huì)提供功率，由公式 2 給出，其中 Rac 是等效負(fù)載電阻（有源整流器和負(fù)載在次級(jí)側(cè)呈現(xiàn)的阻抗）。Ls 是次級(jí)電感。
P_{out} = frac{V_{2}^{oc}R_{ac}}{R_{2}^{ac}+(omega^{2}L_{2}^{s})}
使用功率傳輸定理和公式 2，可在 Rac = ωLs 時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出功率。在具有 1/ωC2 的方程中添加串聯(lián)電容器來(lái)取消 ωLs 項(xiàng)可以使可傳輸功率加倍。但除了串聯(lián)之外，其他不同的補(bǔ)償拓?fù)湟彩强赡艿?。它們可以是使用無(wú)源儲(chǔ)能組件構(gòu)建的任何 T（或 n）網(wǎng)絡(luò)。圖 2 顯示了次級(jí)側(cè)的一些簡(jiǎn)化調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)。
電路的輸出功率也可以寫(xiě)成公式3，其中Isc是短路條件下次級(jí)側(cè)的電流，Q2是次級(jí)負(fù)載品質(zhì)因數(shù)。
P_{out} = V_{oc}I_{sc}Q_{2}=frac{omega M^{2}}{L_{s}}I_{2}^{p}Q_{2}
根據(jù)公式 3，可以通過(guò)增加 Q2 來(lái)降低初級(jí)線圈電流，從而降低損耗。但系統(tǒng)的帶寬會(huì)減少，使得控制系統(tǒng)的實(shí)施變得更加困難。次級(jí)線圈所需的伏安額定值也增加。
雙向潮流降低電網(wǎng)成本
為了減少溫室氣體排放，大力推動(dòng)可再生能源的發(fā)展。其中突出的是太陽(yáng)能和風(fēng)能。但陽(yáng)光和風(fēng)的流動(dòng)是間歇性的，這種波動(dòng)可能會(huì)破壞電網(wǎng)的穩(wěn)定。此外，為了追求能源獨(dú)立，許多行業(yè)正在安裝自己的系統(tǒng)。這是由于獲取可再生能源技術(shù)變得越來(lái)越容易。例如，想要使車(chē)輛電氣化的車(chē)隊(duì)所有者將受益于（更便宜的）自己發(fā)電，因此安裝電網(wǎng)系統(tǒng)或充電點(diǎn)。另一方面，這可能導(dǎo)致對(duì)大面積土地空間的需求不斷增加，以滿足峰值電力需求。然而，智能電網(wǎng)存儲(chǔ)系統(tǒng)可以降低所需的峰值功率。通過(guò)在高峰可用期間存儲(chǔ)能量并在需要時(shí)提供能量，由于容量相對(duì)較大，電動(dòng)汽車(chē)電池可被視為穩(wěn)定電網(wǎng)的理想儲(chǔ)能元件。因此，包括無(wú)線系統(tǒng)在內(nèi)的電池充電器應(yīng)得到增強(qiáng)，以提供雙向操作。
圖 3 顯示了具有雙向功能的 IPT 系統(tǒng)的修改模型。
在正向模式下，功率從電網(wǎng)流向電池負(fù)載。PFC 之后的模塊充當(dāng)激勵(lì)初級(jí)線圈的逆變器。需要整流器將次級(jí)線圈的交流電轉(zhuǎn)換為電池。在相反模式下，這些塊各自的功能將互換。補(bǔ)償類(lèi)型及其值的選擇取決于許多標(biāo)準(zhǔn)。下面討論其中一些：
可控性：以通用控制方式為主控制。該方法將高頻（HF）逆變器輸出電壓控制為初級(jí)線圈輸入電壓。根據(jù)方程 4，電壓控制或相位控制都是可能的。其中 Vdc 是 PFC 輸出電壓，α 是相位角。
V_{in,rms}=frac{2sqrt{2}}{pi }V_{dc}cosfrac{alpha }{2}
S（串行）-S（串行）和 LC-LC 補(bǔ)償?shù)牡湫碗妷簜鬟f函數(shù)圖 1.4。線圈位置固定，提供 1 kW 和 5 kW 功率。該圖顯示了正向和反向模式。負(fù)載品質(zhì)因數(shù)不宜太高，要求的工作范圍可以超出逆變器的規(guī)格。另一方面，低品質(zhì)因數(shù)將無(wú)法充分利用可用的工作范圍。從 LC-LC 補(bǔ)償增益響應(yīng)中可以看出，增益變化很小。在 SS 前向響應(yīng)中，極分裂發(fā)生在較高功率下。這使得控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。
\圖 4：針對(duì) SS 和 LC-LC 補(bǔ)償繪制了兩個(gè)功率方向上的交流增益響應(yīng)。 兩者都轉(zhuǎn)為以 85 kHz 運(yùn)行。
圖 5：用于檢查兩種功率模式下 ZVS 操作可能性的輸入相位響應(yīng)
相應(yīng)的輸入相位響應(yīng)如圖 5 所示。相位響應(yīng)在 SS 正向中開(kāi)始變平（在整個(gè)工作范圍內(nèi)），從而限制了可用的 ZVS 范圍。而在反向模式下，由于高質(zhì)量因素導(dǎo)致的急劇變化需要大量的無(wú)功功率。在 LC-LC 中可以觀察到相同的趨勢(shì)，但響應(yīng)互換。
簡(jiǎn)單性：通過(guò)將LC擴(kuò)展到部分串聯(lián)拓?fù)銵CC，可以提高品質(zhì)因數(shù)，適合初級(jí)控制。但由于增加了組件，因此增加了成本和復(fù)雜性。另外，在兩側(cè)使用相同類(lèi)型的補(bǔ)償可以保持對(duì)稱(chēng)性并可以減少設(shè)計(jì)工作量。
反射阻抗：反射阻抗的無(wú)功分量影響諧振。在部分并聯(lián)補(bǔ)償中，總是存在一些無(wú)功分量。而當(dāng)在諧振以下運(yùn)行時(shí)，SS 和 LCC-LCC 補(bǔ)償都將具有零反射電抗（除非線圈之間存在偏移）。如果不小心，這可能會(huì)在某些情況下限制晶體管的軟導(dǎo)通，從而降低運(yùn)行效率。自適應(yīng)調(diào)整可以幫助緩解這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)技術(shù)，可以獲得的調(diào)諧選擇，以確保跨位置的兩種模式下的 ZVS 操作。
綜上所述，雙向無(wú)線充電系統(tǒng)從設(shè)計(jì)之初就必須考慮前向和后向工作模式的所有約束。如果以與單向設(shè)計(jì)相同的方式選擇線圈參數(shù)和調(diào)諧系統(tǒng)，性能將會(huì)下降。因此，需要采用自下而上的方法從一開(kāi)始就編譯所有要求和約束，以?xún)?yōu)化磁系統(tǒng)，同時(shí)考慮電力電子設(shè)備的成本和限制。
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