中国电子技术网

设为首页 网站地图 加入收藏

 
 

以无线克服电动汽车的里程焦虑

关键词:电动汽车 电源管理 无线充电

时间:2019-01-18 09:30:35       作者:Majid Dadafshar       来源:安森美半导体

随着动力传动系统从内燃机(ICE)向电动机发展,汽车行业正在经历史上最大的变化时期之一。虽然现代电动汽车(EV)续航里程方面的技术进展显著,但对于采用的最大障碍之一是消费者担心受困于电池没电,即所谓的“里程焦虑”。

为应对这一挑战,大多数努力都致力于让电池变得更好、车辆更高能效,但其它方法也开始崭露头角。其中最有意思的就是为EV无线充电的能力,这使得电池在车辆运行且无需“硬接线“与电源相连接的情况下也能充满电。半导体技术对于成功的电动汽车无线充电(WEVC)起着重要的作用。

采用新技术涉及一个变化的过程,不同于那些似乎享受“变化”本身的早期采用者,这对于许多主流消费者来说可能很难。鉴于EV处于发展初期,里程焦虑常被认为是其采用速度低于预期的一个原因。即使充满电,除了用于本地通勤之外,一般EV的续航里程都远远小于汽油动力车辆。这意味着在家以外的充电似乎会成为一种必要。此外,充电站远没有加油站那样普遍,导致(用户)有可能并担心受困。最后,尽管电源管理技术的进步使得充电时间得以大幅减少,但仍然比传统加油站要长得多。

虽然充电基础设施正在快速扩张,尤其是像大众汽车这样的公司在美国投资20亿美元用于清洁汽车基础设施,这也是其为处理柴油机排放丑闻的努力之一。但许多公司正在寻找其他方式,能够更便利地对车辆进行充电。其中一个正在讨论和评估中的关键技术是无线充电,特别是最终能够动态地为车辆充电。

虽然许多人视无线充电为新技术,但其实它已有百年历史。早在1894年,在纽约市,Nikolai Tesla为整个实验室的电灯供电,证明了该技术的可行性。但此后就几乎再无进展,直到最近移动设备的增长使这项技术再度崭露头角,主要是因为其为用户带来的便利。

无线技术工作原理

原则上,无线充电的工作方式与有线充电非常相似。电源电压转换为直流电(DC)并用于为电池充电。在较高的功率水平下,会使用功率因数校正(PFC)级。大多数基于主电源的充电器使用电流隔离变压器,这是有线和无线充电器之间的本质区别。

图1: 典型充电器框图

在有线应用中,变压器是一个带有核心的单元,可确保初级产生的(几乎)所有通量都能耦合到次级。这确保了高水平功率传输,进而助力构建高能效的充电器。

为了打造无线充电器,变压器被分为初级和次级,初级(发射器)保留在充电器中,次级(接收器)位于将要充电的设备中。初级和次级之间的距离将因应用而异,并会对充电器的性能产生重大影响。

通过将核心替换为“空气”,通量传输减少。如果在基于核心的变压器中,耦合系数(k)近似为1,那么在无线应用中,k的值将接近0.25。实际值将与两个线圈之间的距离成反比,且如果初级和次级未对准,则实际值也将减小。

然而,通过在初级和次级引入磁共振可改善这种情况。通过使用两个调谐电路,功率以特定的频率传输,且与非谐振方法相比,功率传输的能效可近乎翻倍。

图2: 采用谐振方法的无线功率传输

这种方法的另一优点是具有更好的电磁干扰(EMI)性能,这对无线充电的大规模推广至关重要。它还允许使用诸如零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)等技术,这两种技术对于实现极高能效的功率传输都起着重要作用。

WEVC的当前状态

即使在可预见的将来,插线式的电源仍然是对深度放电电池进行充电的最佳方法,但WEVC的目标是在车辆行驶时为电池充电。在车辆使用之时为其充电的能力可助力实现更长的续航里程,或可采用更小的电池,进而通过减少电池/整体车重来提高续航里程。

近年来,许多学术机构和公司都参与了开发原型系统以实现WEVC。一些系统的设计目标是静态WEVC,比如Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology(IISB)开发的系统,该系统将线圈置于靠近车辆前部的位置,从而显着减小了线圈尺寸。

2017年,Regional Transit Authority of Central Maryland展示了静态充电系统的另一项应用。他们沿路安装了一个静电充电站,让巴士在等待乘客上下车时能够充满电。如此一来,电动公交车现在能够完成(交通)网络内的任何路线。

当然,最终目标是让车辆能够在高速公路快速行驶的同时进行充电,并且许多公司在这方面取得了进展。高通公司的动态电动汽车充电(DEVC)系统已展示出能够在60英里/小时左右的高速公路行驶速度下提供高达20kW的功率。在其它的重要进展中,日本汽车制造商本田发表了一篇关于大功率动态充电的论文,描述了对一个充电功率为180kW(600V直流电、300A电流条件下)的系统进行的测试,其可在高达96英里/小时的行驶速度下充电。

虽然每种方法都取得了巨大飞跃,但各种方法的互通性至关重要,为此,美国汽车工程师学会(SAE)最近发布了SAE J2954标准,这是全球首个针对功率水平高达11kW的无线功率传输的规格。

总结

无线充电是克服EV发展阻力(例如里程焦虑)的关键,并对该技术在全球范围内的采用起着重要作用。早期的推行(如马里兰州的公共汽车系统)起到了作用,但像高通和本田等公司正在测试的动态充电计划终将实现EV的最终目标,即具有超越汽油动力汽车的无限续航里程和便利性。

这场革命的核心是半导体器件,它们终将提供所需的能效和可靠性,使这些理论性的方案成为大规模生产的现实和成功。安森美半导体是一家在此方面非常活跃的公司,在电源管理和高能效电源转换方面拥有广泛的经验。在其产品范围内,安森美半导体提供全面的产品系列,包括高能效IGBT和MOSFET等分立式开关器件、MOSFET驱动器、电压和电流管理系统、AC-DC控制器和稳压器、智能功率模块和电池管理产品等。

  • 分享到:

 

猜你喜欢

  • 软件工程师也能轻松上手的硬件加速卡 FPGA 开发传统上来说是专业的硬件工程团队的领域,他们使用 RTL 进行复杂的特定领域的架构开发。但是,自从赛灵思发布了 Alveo 加速卡之后,它使得定制硬件开发变得更加容易,不再是硬件工程团队的专属了,软件开发人员同样也可以更轻松地进行使用。 Xilinx  2019年06月27日     立即注册 预先提问

    手把手教你设计蓝牙网状网络 蓝牙网状网络 (Bluetooth® mesh) 为支持多对多节点通信的低功耗无线网络技术,备受大型可扩展网络青睐,并已覆盖楼宇自动化和资产跟踪等领域。作为无线连接领域的领导者,Cypress率先推出了符合Bluetooth SIG的网状网络解决方案,并于近期推出了一款完全符合Bluetooth Mesh 1.0标准的超低功耗蓝牙5 MCU — CYW20819。 Mouser & Cypress  2019年07月11日     立即注册 预先提问

    AVR-IoT开发板-简化物联网云连接设计的完美起点 设计安全的物联网云连接系统不一定是复杂的过程,从单个的无线传感器节点到复杂的智能控制系统,AVR-IoT WG开发板是工程师创建几乎所有物联网设备的完美起点。 这种即插即用解决方案结合了功能强大的AVR®单片机ATmega4808,CryptoAuthenticationTM安全元件ATECC608和经过全面认证的Wi-Fi®模块ATWINC1510,可以提供一种简单有效的方式将嵌入式应用与不同的物联网云平台相连。 Mouser & Microchip  2019年07月16日     立即注册 预先提问

    可穿戴生物健康特征监测 可穿戴设备中添加心率监测功能已普遍可见,但是心率测试的准确度参差不齐,可穿戴市场的发展已经对准确度提出越来越高的要求,甚至要求医疗等级的准确度,除了心率监测之外,光电传感器能实现其他哪些更多的新功能,也是行业从业人士关注研究的领域。欧司朗光电半导体已有超过五年的时间关注健康监测领域,不断改进传感器设计,配合大客户,软硬件合作伙伴共同提高测试系统的准确度。现具备完整的产品线适配不同的设计方向。 Mouser & Maxim  2019年07月18日     立即注册 预先提问