【導(dǎo)讀】工業(yè)或交通運輸?shù)碾姎饣嗜Q于充電基礎(chǔ)設(shè)施的部署。現(xiàn)有的傳導(dǎo)充電解決方案由于需要插入巨大的電纜，特別是對于更高的功率，因此在安全性、堅固性和舒適性方面存在一些問題。無線充電被譽為提供安全、清潔和自主的解決方案。
工業(yè)或交通運輸?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，特別是對于更高的功率，因此在安全性、堅固性和舒適性方面存在一些問題。無線充電被譽為提供安全、清潔和自主的解決方案。
什么是無線和感應(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方法來實現(xiàn)這一點。成功的商業(yè)化（在低功率水平）是“感應(yīng)電能傳輸”（IPT）。IPT 使用近場技術(shù)，能量保留在發(fā)射器的一個小區(qū)域內(nèi)。
Finepower 多年來一直致力于開發(fā)無線（感應(yīng)）電力傳輸解決方案?，F(xiàn)在，我們在由巴伐利亞經(jīng)濟部和項目執(zhí)行組織 VDI-VDE-I 資助的 BiLiA 研究項目中，將該技術(shù)擴展到與高功率、低壓電池結(jié)合的雙向操作。
IPT 磁力線圈系統(tǒng)
磁耦合級是決定電力電子設(shè)計、效率和可傳輸功率的重要部分。在電動汽車充電的典型應(yīng)用中，次級側(cè)線圈安裝在車輛的底部。初級線圈側(cè)放在地上。該組件通過在每個線圈的外側(cè)使用鐵氧體和鋁來確保這兩個線圈之間具有磁通。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大，具體取決于車輛的離地間隙。這導(dǎo)致漏感與互感具有相似的尺寸。IPT系統(tǒng)中的每個線圈可以具有圓形、矩形、螺線管、DD、DDQ、雙極等形狀。每個線圈系統(tǒng)的優(yōu)點在互操作性、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)（或磁動勢），使用雙線繞組。整個 IPT 系統(tǒng)的效率受到線圈固有品質(zhì)因數(shù)的限制。這可以通過使用利茲線仔細減少線束和股線水平上的趨膚和鄰近損耗來增加。
圖 1：典型感應(yīng)充電站的框圖。
分別使用 PFC 和逆變器對電網(wǎng)電源進行整流并轉(zhuǎn)換為高頻信號。 通過初級線圈的高頻電流信號產(chǎn)生磁通量。 從而在次級兩端感應(yīng)出電壓。 隨后對該信號進行整流，以向直流電池負載供電。
圖2：a) 在次級側(cè)，添加串聯(lián)電容器Css。
正確選擇的值可以消除次級電感 (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)電容器的混合補償類型。
圖2：a) 在次級側(cè)，添加串聯(lián)電容器Css。正確選擇的值可以消除次級電感 (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)電容器的混合補償類型。
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。
通過初級線圈的高頻電流產(chǎn)生磁通，從而在次級側(cè)上感應(yīng)出電壓。該電壓稱為開路電壓 (Voc)，由公式 1 給出，其中 Ip 是初級線圈電流，M 是互感，ω 是角頻率。
V oc = jωMIp
Voc 連接到負載時會提供功率，由公式 2 給出，其中 Rac 是等效負載電阻（有源整流器和負載在次級側(cè)呈現(xiàn)的阻抗）。Ls 是次級電感。
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 時實現(xiàn)輸出功率。在具有 1/ωC2 的方程中添加串聯(lián)電容器來取消 ωLs 項可以使可傳輸功率加倍。但除了串聯(lián)之外，其他不同的補償拓撲也是可能的。它們可以是使用無源儲能組件構(gòu)建的任何 T（或 n）網(wǎng)絡(luò)。圖 2 顯示了次級側(cè)的一些簡化調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)。
電路的輸出功率也可以寫成公式3，其中Isc是短路條件下次級側(cè)的電流，Q2是次級負載品質(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，可以通過增加 Q2 來降低初級線圈電流，從而降低損耗。但系統(tǒng)的帶寬會減少，使得控制系統(tǒng)的實施變得更加困難。次級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，大力推動可再生能源的發(fā)展。其中突出的是太陽能和風(fēng)能。但陽光和風(fēng)的流動是間歇性的，這種波動可能會破壞電網(wǎng)的穩(wěn)定。此外，為了追求能源獨立，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)變得越來越容易。例如，想要使車輛電氣化的車隊所有者將受益于（更便宜的）自己發(fā)電，因此安裝電網(wǎng)系統(tǒng)或充電點。另一方面，這可能導(dǎo)致對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)存儲系統(tǒng)可以降低所需的峰值功率。通過在高峰可用期間存儲能量并在需要時提供能量，由于容量相對較大，電動汽車電池可被視為穩(wěn)定電網(wǎng)的理想儲能元件。因此，包括無線系統(tǒng)在內(nèi)的電池充電器應(yīng)得到增強，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)流向電池負載。PFC 之后的模塊充當激勵初級線圈的逆變器。需要整流器將次級線圈的交流電轉(zhuǎn)換為電池。在相反模式下，這些塊各自的功能將互換。補償類型及其值的選擇取決于許多標準。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)將無法充分利用可用的工作范圍。從 LC-LC 補償增益響應(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)計變得復(fù)雜。
\圖 4：針對 SS 和 LC-LC 補償繪制了兩個功率方向上的交流增益響應(yīng)。 兩者都轉(zhuǎn)為以 85 kHz 運行。
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 正向中開始變平（在整個工作范圍內(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功功率。在 LC-LC 中可以觀察到相同的趨勢，但響應(yīng)互換。
簡單性：通過將LC擴展到部分串聯(lián)拓撲LCC，可以提高品質(zhì)因數(shù)，適合初級控制。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)使用相同類型的補償可以保持對稱性并可以減少設(shè)計工作量。
反射阻抗：反射阻抗的無功分量影響諧振。在部分并聯(lián)補償中，總是存在一些無功分量。而當在諧振以下運行時，SS 和 LCC-LCC 補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，這可能會在某些情況下限制晶體管的軟導(dǎo)通，從而降低運行效率。自適應(yīng)調(diào)整可以幫助緩解這個問題。通過適當?shù)脑O(shè)計技術(shù)，可以獲得的調(diào)諧選擇，以確?？缥恢玫膬煞N模式下的 ZVS 操作。
綜上所述，雙向無線充電系統(tǒng)從設(shè)計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)計相同的方式選擇線圈參數(shù)和調(diào)諧系統(tǒng)，性能將會下降。因此，需要采用自下而上的方法從一開始就編譯所有要求和約束，以優(yōu)化磁系統(tǒng)，同時考慮電力電子設(shè)備的成本和限制。
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