以無線克服電動汽車的里程焦慮

隨著動力傳動系統從內燃機（ICE）向電動機發展，汽車行業正在經歷史上最大的變化時期之一。雖然現代電動汽車（EV）續航里程方面的技術進展顯著，但對于采用的最大障礙之一是消費者擔心受困于電池沒電，即所謂的“里程焦慮”。

為應對這一挑戰，大多數努力都致力于讓電池變得更好、車輛更高能效，但其它方法也開始嶄露頭角。其中最有意思的就是為EV無線充電的能力，這使得電池在車輛運行且無需“硬接線“與電源相連接的情況下也能充滿電。半導體技術對于成功的電動汽車無線充電（WEVC）起著重要的作用。

采用新技術涉及一個變化的過程，不同于那些似乎享受“變化”本身的早期采用者，這對于許多主流消費者來說可能很難。鑒于EV處于發展初期，里程焦慮常被認為是其采用速度低于預期的一個原因。即使充滿電，除了用于本地通勤之外，一般EV的續航里程都遠遠小于汽油動力車輛。這意味著在家以外的充電似乎會成為一種必要。此外，充電站遠沒有加油站那樣普遍，導致（用戶）有可能并擔心受困。最后，盡管電源管理技術的進步使得充電時間得以大幅減少，但仍然比傳統加油站要長得多。

雖然充電基礎設施正在快速擴張，尤其是像大眾汽車這樣的公司在美國投資20億美元用于清潔汽車基礎設施，這也是其為處理柴油機排放丑聞的努力之一。但許多公司正在尋找其他方式，能夠更便利地對車輛進行充電。其中一個正在討論和評估中的關鍵技術是無線充電，特別是最終能夠動態地為車輛充電。

雖然許多人視無線充電為新技術，但其實它已有百年歷史。早在1894年，在紐約市，Nikolai Tesla為整個實驗室的電燈供電，證明了該技術的可行性。但此后就幾乎再無進展，直到最近移動設備的增長使這項技術再度嶄露頭角，主要是因為其為用戶帶來的便利。

無線技術工作原理

原則上，無線充電的工作方式與有線充電非常相似。電源電壓轉換為直流電（DC）并用于為電池充電。在較高的功率水平下，會使用功率因數校正（PFC）級。大多數基于主電源的充電器使用電流隔離變壓器，這是有線和無線充電器之間的本質區別。

圖1： 典型充電器框圖

在有線應用中，變壓器是一個帶有核心的單元，可確保初級產生的（幾乎）所有通量都能耦合到次級。這確保了高水平功率傳輸，進而助力構建高能效的充電器。

為了打造無線充電器，變壓器被分為初級和次級，初級（發射器）保留在充電器中，次級（接收器）位于將要充電的設備中。初級和次級之間的距離將因應用而異，并會對充電器的性能產生重大影響。

通過將核心替換為“空氣”，通量傳輸減少。如果在基于核心的變壓器中，耦合系數（k）近似為1，那么在無線應用中，k的值將接近0.25。實際值將與兩個線圈之間的距離成反比，且如果初級和次級未對準，則實際值也將減小。

然而，通過在初級和次級引入磁共振可改善這種情況。通過使用兩個調諧電路，功率以特定的頻率傳輸，且與非諧振方法相比，功率傳輸的能效可近乎翻倍。

圖2： 采用諧振方法的無線功率傳輸

這種方法的另一優點是具有更好的電磁干擾（EMI）性能，這對無線充電的大規模推廣至關重要。它還允許使用諸如零電壓開關（ZVS）或零電流開關（ZCS）等技術，這兩種技術對于實現極高能效的功率傳輸都起著重要作用。

WEVC的當前狀態

即使在可預見的將來，插線式的電源仍然是對深度放電電池進行充電的最佳方法，但WEVC的目標是在車輛行駛時為電池充電。在車輛使用之時為其充電的能力可助力實現更長的續航里程，或可采用更小的電池，進而通過減少電池/整體車重來提高續航里程。

近年來，許多學術機構和公司都參與了開發原型系統以實現WEVC。一些系統的設計目標是靜態WEVC，比如Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology（IISB）開發的系統，該系統將線圈置于靠近車輛前部的位置，從而顯著減小了線圈尺寸。

2017年，Regional Transit Authority of Central Maryland展示了靜態充電系統的另一項應用。他們沿路安裝了一個靜電充電站，讓巴士在等待乘客上下車時能夠充滿電。如此一來，電動公交車現在能夠完成（交通）網絡內的任何路線。

當然，最終目標是讓車輛能夠在高速公路快速行駛的同時進行充電，并且許多公司在這方面取得了進展。高通公司的動態電動汽車充電（DEVC）系統已展示出能夠在60英里/小時左右的高速公路行駛速度下提供高達20kW的功率。在其它的重要進展中，日本汽車制造商本田發表了一篇關于大功率動態充電的論文，描述了對一個充電功率為180kW（600V直流電、300A電流條件下）的系統進行的測試，其可在高達96英里/小時的行駛速度下充電。

雖然每種方法都取得了巨大飛躍，但各種方法的互通性至關重要，為此，美國汽車工程師學會（SAE）最近發布了SAE J2954標準，這是全球首個針對功率水平高達11kW的無線功率傳輸的規格。

總結

無線充電是克服EV發展阻力（例如里程焦慮）的關鍵，并對該技術在全球范圍內的采用起著重要作用。早期的推行（如馬里蘭州的公共汽車系統）起到了作用，但像高通和本田等公司正在測試的動態充電計劃終將實現EV的最終目標，即具有超越汽油動力汽車的無限續航里程和便利性。

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