以無(wú)線(xiàn)克服電動(dòng)汽車(chē)的里程焦慮

　　隨著動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)從內(nèi)燃機(jī)(ICE)向電動(dòng)機(jī)發(fā)展，汽車(chē)行業(yè)正在經(jīng)歷史上最大的變化時(shí)期之一。雖然現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)(EV)續(xù)航里程方面的技術(shù)進(jìn)展顯著，但對(duì)于采用的最大障礙之一是消費(fèi)者擔(dān)心受困于電池沒(méi)電，即所謂的“里程焦慮”。

　　為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，大多數(shù)努力都致力于讓電池變得更好、車(chē)輛更高能效，但其它方法也開(kāi)始嶄露頭角。其中最有意思的就是為EV無(wú)線(xiàn)充電的能力，這使得電池在車(chē)輛運(yùn)行且無(wú)需“硬接線(xiàn)“與電源相連接的情況下也能充滿(mǎn)電。半導(dǎo)體技術(shù)對(duì)于成功的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電(WEVC)起著重要的作用。

　　采用新技術(shù)涉及一個(gè)變化的過(guò)程，不同于那些似乎享受“變化”本身的早期采用者，這對(duì)于許多主流消費(fèi)者來(lái)說(shuō)可能很難。鑒于EV處于發(fā)展初期，里程焦慮常被認(rèn)為是其采用速度低于預(yù)期的一個(gè)原因。即使充滿(mǎn)電，除了用于本地通勤之外，一般EV的續(xù)航里程都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于汽油動(dòng)力車(chē)輛。這意味著在家以外的充電似乎會(huì)成為一種必要。此外，充電站遠(yuǎn)沒(méi)有加油站那樣普遍，導(dǎo)致(用戶(hù))有可能并擔(dān)心受困。最后，盡管電源管理技術(shù)的進(jìn)步使得充電時(shí)間得以大幅減少，但仍然比傳統(tǒng)加油站要長(zhǎng)得多。

　　雖然充電基礎(chǔ)設(shè)施正在快速擴(kuò)張，尤其是像大眾汽車(chē)這樣的公司在美國(guó)投資20億美元用于清潔汽車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施，這也是其為處理柴油機(jī)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(duì)車(chē)輛進(jìn)行充電。其中一個(gè)正在討論和評(píng)估中的關(guān)鍵技術(shù)是無(wú)線(xiàn)充電，特別是最終能夠動(dòng)態(tài)地為車(chē)輛充電。

　　雖然許多人視無(wú)線(xiàn)充電為新技術(shù)，但其實(shí)它已有百年歷史。早在1894年，在紐約市，Nikolai Tesla為整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的電燈供電，證明了該技術(shù)的可行性。但此后就幾乎再無(wú)進(jìn)展，直到最近移動(dòng)設(shè)備的增長(zhǎng)使這項(xiàng)技術(shù)再度嶄露頭角，主要是因?yàn)槠錇橛脩?hù)帶來(lái)的便利。

　　無(wú)線(xiàn)技術(shù)工作原理

　　原則上，無(wú)線(xiàn)充電的工作方式與有線(xiàn)充電非常相似。電源電壓轉(zhuǎn)換為直流電(DC)并用于為電池充電。在較高的功率水平下，會(huì)使用功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)。大多數(shù)基于主電源的充電器使用電流隔離變壓器，這是有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)充電器之間的本質(zhì)區(qū)別。

圖1: 典型充電器框圖

　　在有線(xiàn)應(yīng)用中，變壓器是一個(gè)帶有核心的單元，可確保初級(jí)產(chǎn)生的(幾乎)所有通量都能耦合到次級(jí)。這確保了高水平功率傳輸，進(jìn)而助力構(gòu)建高能效的充電器。

　　為了打造無(wú)線(xiàn)充電器，變壓器被分為初級(jí)和次級(jí)，初級(jí)(發(fā)射器)保留在充電器中，次級(jí)(接收器)位于將要充電的設(shè)備中。初級(jí)和次級(jí)之間的距離將因應(yīng)用而異，并會(huì)對(duì)充電器的性能產(chǎn)生重大影響。

　　通過(guò)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(shù)(k)近似為1，那么在無(wú)線(xiàn)應(yīng)用中，k的值將接近0.25。實(shí)際值將與兩個(gè)線(xiàn)圈之間的距離成反比，且如果初級(jí)和次級(jí)未對(duì)準(zhǔn)，則實(shí)際值也將減小。

　　然而，通過(guò)在初級(jí)和次級(jí)引入磁共振可改善這種情況。通過(guò)使用兩個(gè)調(diào)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?shù)哪苄Э山醴丁?/p>

圖2: 采用諧振方法的無(wú)線(xiàn)功率傳輸

　　這種方法的另一優(yōu)點(diǎn)是具有更好的電磁干擾(EMI)性能，這對(duì)無(wú)線(xiàn)充電的大規(guī)模推廣至關(guān)重要。它還允許使用諸如零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)或零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)等技術(shù)，這兩種技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)極高能效的功率傳輸都起著重要作用。