双向无线电动汽车充电和智能电网集成

工业或交通运输的电气化率取决于充电基础设施的部署。现有的传导充电解决方案由于需要插入巨大的电缆，特别是对于更高的功率，因此在安全性、坚固性和舒适性方面存在一些问题。无线充电被誉为提供安全、清洁和自主的解决方案。

什么是无线和感应电力传输 (IPT)？

科学家尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 创造了“无线功率传输”(WPT) 一词，并于 1893 年提出了一种非接触式系统。控制该技术的基本原理是楞次定律和迈克尔法拉第感应定律。可以采用多种方法来实现这一点。成功的商业化（在低功率水平）是“感应电能传输”（IPT）。IPT 使用近场技术，能量保留在发射器的一个小区域内。

Finepower 多年来一直致力于开发无线（感应）电力传输解决方案。现在，我们在由巴伐利亚经济部和项目执行组织 VDI-VDE-I 资助的 BiLiA 研究项目中，将该技术扩展到与高功率、低压电池结合的双向操作。

IPT 磁力线圈系统

磁耦合级是决定电力电子设计、效率和可传输功率的重要部分。在电动汽车充电的典型应用中，次级侧线圈安装在车辆的底部。初级线圈侧放在地上。该组件通过在每个线圈的外侧使用铁氧体和铝来确保这两个线圈之间具有磁通。铁氧体块的堆叠或成形也是可能的。线圈之间的气隙可能相当大，具体取决于车辆的离地间隙。这导致漏感与互感具有相似的尺寸。IPT系统中的每个线圈可以具有圆形、矩形、螺线管、DD、DDQ、双极等形状。每个线圈系统的优点在互操作性、尺寸、漏磁、位置公差和操作复杂性。在较高功率下，为了减少安匝数（或磁动势），使用双线绕组。整个 IPT 系统的效率受到线圈固有品质因数的限制。这可以通过使用利兹线仔细减少线束和股线水平上的趋肤和邻近损耗来增加。

图 1：典型感应充电站的框图。 分别使用 PFC 和逆变器对电网电源进行整流并转换为高频信号。 通过初级线圈的高频电流信号产生磁通量。 从而在次级两端感应出电压。 随后对该信号进行整流，以向直流电池负载供电。

图2：a) 在次级侧，添加串联电容器Css。 正确选择的值可以消除次级电感 (ωLs)，从而改善功率传输。 Voc 在此频率下看到的阻抗是纯电阻性的。 这通常用于恒压应用。 b) 并联电容器替代串联电容器在恒流应用中很有用。 c+d) 也可以采用可调节串联和并联电容器的混合补偿类型。

图2：a) 在次级侧，添加串联电容器Css。正确选择的值可以消除次级电感 (ωLs)，从而改善功率传输。Voc 在此频率下看到的阻抗是纯电阻性的。这通常用于恒压应用。b) 并联电容器替代串联电容器在恒流应用中很有用。c+d) 也可以采用可调节串联和并联电容器的混合补偿类型。

优化谐振电路以限度地提高效率

典型感应充电系统的简化模型如图1所示。PFC后的高频（即80-90 kHz）逆变器将整流后的电网电压转换为有效电力传输所必需的交流方波。

通过初级线圈的高频电流产生磁通，从而在次级侧上感应出电压。该电压称为开路电压 (Voc)，由公式 1 给出，其中 Ip 是初级线圈电流，M 是互感，ω 是角频率。

V oc = jωMIp

Voc 连接到负载时会提供功率，由公式 2 给出，其中 Rac 是等效负载电阻（有源整流器和负载在次级侧呈现的阻抗）。Ls 是次级电感。

P_{out} = frac{V_{2}^{oc}R_{ac}}{R_{2}^{ac}+(omega^{2}L_{2}^{s})}

使用功率传输定理和公式 2，可在 Rac = ωLs 时实现输出功率。在具有 1/ωC2 的方程中添加串联电容器来取消 ωLs 项可以使可传输功率加倍。但除了串联之外，其他不同的补偿拓扑也是可能的。它们可以是使用无源储能组件构建的任何 T（或 n）网络。图 2 显示了次级侧的一些简化调谐网络。 

电路的输出功率也可以写成公式3，其中Isc是短路条件下次级侧的电流，Q2是次级负载品质因数。

P_{out} = V_{oc}I_{sc}Q_{2}=frac{omega M^{2}}{L_{s}}I_{2}^{p}Q_{2}

根据公式 3，可以通过增加 Q2 来降低初级线圈电流，从而降低损耗。但系统的带宽会减少，使得控制系统的实施变得更加困难。次级线圈所需的伏安额定值也增加。

双向潮流降低电网成本

为了减少温室气体排放，大力推动可再生能源的发展。其中突出的是太阳能和风能。但阳光和风的流动是间歇性的，这种波动可能会破坏电网的稳定。此外，为了追求能源独立，许多行业正在安装自己的系统。这是由于获取可再生能源技术变得越来越容易。例如，想要使车辆电气化的车队所有者将受益于（更便宜的）自己发电，因此安装电网系统或充电点。另一方面，这可能导致对大面积土地空间的需求不断增加，以满足峰值电力需求。然而，智能电网存储系统可以降低所需的峰值功率。通过在高峰可用期间存储能量并在需要时提供能量，由于容量相对较大，电动汽车电池可被视为稳定电网的理想储能元件。因此，包括无线系统在内的电池充电器应得到增强，以提供双向操作。 

图 3 显示了具有双向功能的 IPT 系统的修改模型。在正向模式下，功率从电网流向电池负载。PFC 之后的模块充当激励初级线圈的逆变器。需要整流器将次级线圈的交流电转换为电池。在相反模式下，这些块各自的功能将互换。补偿类型及其值的选择取决于许多标准。下面讨论其中一些：

可控性：以通用控制方式为主控制。该方法将高频（HF）逆变器输出电压控制为初级线圈输入电压。根据方程 4，电压控制或相位控制都是可能的。其中 Vdc 是 PFC 输出电压，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 补偿的典型电压传递函数图 1.4。线圈位置固定，提供 1 kW 和 5 kW 功率。该图显示了正向和反向模式。负载品质因数不宜太高，要求的工作范围可以超出逆变器的规格。另一方面，低品质因数将无法充分利用可用的工作范围。从 LC-LC 补偿增益响应中可以看出，增益变化很小。在 SS 前向响应中，极分裂发生在较高功率下。这使得控制系统的设计变得复杂。

图 4：针对 SS 和 LC-LC 补偿绘制了两个功率方向上的交流增益响应。 两者都转为以 85 kHz 运行。


图 5：用于检查两种功率模式下 ZVS 操作可能性的输入相位响应

相应的输入相位响应如图 5 所示。相位响应在 SS 正向中开始变平（在整个工作范围内），从而限制了可用的 ZVS 范围。而在反向模式下，由于高质量因素导致的急剧变化需要大量的无功功率。在 LC-LC 中可以观察到相同的趋势，但响应互换。

简单性：通过将LC扩展到部分串联拓扑LCC，可以提高品质因数，适合初级控制。但由于增加了组件，因此增加了成本和复杂性。另外，在两侧使用相同类型的补偿可以保持对称性并可以减少设计工作量。

反射阻抗：反射阻抗的无功分量影响谐振。在部分并联补偿中，总是存在一些无功分量。而当在谐振以下运行时，SS 和 LCC-LCC 补偿都将具有零反射电抗（除非线圈之间存在偏移）。如果不小心，这可能会在某些情况下限制晶体管的软导通，从而降低运行效率。自适应调整可以帮助缓解这个问题。通过适当的设计技术，可以获得的调谐选择，以确保跨位置的两种模式下的 ZVS 操作。

综上所述，双向无线充电系统从设计之初就必须考虑前向和后向工作模式的所有约束。如果以与单向设计相同的方式选择线圈参数和调谐系统，性能将会下降。因此，需要采用自下而上的方法从一开始就编译所有要求和约束，以优化磁系统，同时考虑电力电子设备的成本和限制。