【導讀】工業或交通運輸的電氣化率取決于充電基礎設施的部署。現有的傳導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。
工業或交通運輸的電氣化率取決于充電基礎設施的部署。現有的傳導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。
什么是無線和感應電力傳輸 (IPT)？
科學家尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 創造了“無線功率傳輸”(WPT) 一詞，并于 1893 年提出了一種非接觸式系統。控制該技術的基本原理是楞次定律和邁克爾法拉第感應定律。可以采用多種方法來實現這一點。成功的商業化（在低功率水平）是“感應電能傳輸”（IPT）。IPT 使用近場技術，能量保留在發射器的一個小區域內。
Finepower 多年來一直致力于開發無線（感應）電力傳輸解決方案。現在，我們在由巴伐利亞經濟部和項目執行組織 VDI-VDE-I 資助的 BiLiA 研究項目中，將該技術擴展到與高功率、低壓電池結合的雙向操作。
IPT 磁力線圈系統
磁耦合級是決定電力電子設計、效率和可傳輸功率的重要部分。在電動汽車充電的典型應用中，次級側線圈安裝在車輛的底部。初級線圈側放在地上。該組件通過在每個線圈的外側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。這導致漏感與互感具有相似的尺寸。IPT系統中的每個線圈可以具有圓形、矩形、螺線管、DD、DDQ、雙極等形狀。每個線圈系統的優點在互操作性、尺寸、漏磁、位置公差和操作復雜性。在較高功率下，為了減少安匝數（或磁動勢），使用雙線繞組。整個 IPT 系統的效率受到線圈固有品質因數的限制。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：典型感應充電站的框圖。
分別使用 PFC 和逆變器對電網電源進行整流并轉換為高頻信號。 通過初級線圈的高頻電流信號產生磁通量。 從而在次級兩端感應出電壓。 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，添加串聯電容器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。 這通常用于恒壓應用。 b) 并聯電容器替代串聯電容器在恒流應用中很有用。 c+d) 也可以采用可調節串聯和并聯電容器的混合補償類型。
圖2：a) 在次級側，添加串聯電容器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。這通常用于恒壓應用。b) 并聯電容器替代串聯電容器在恒流應用中很有用。c+d) 也可以采用可調節串聯和并聯電容器的混合補償類型。
優化諧振電路以限度地提高效率
典型感應充電系統的簡化模型如圖1所示。PFC后的高頻（即80-90 kHz）逆變器將整流后的電網電壓轉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生磁通，從而在次級側上感應出電壓。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呈現的阻抗）。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 時實現輸出功率。在具有 1/ωC2 的方程中添加串聯電容器來取消 ωLs 項可以使可傳輸功率加倍。但除了串聯之外，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建的任何 T（或 n）網絡。圖 2 顯示了次級側的一些簡化調諧網絡。
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的電流，Q2是次級負載品質因數。
P_{out} = V_{oc}I_{sc}Q_{2}=frac{omega M^{2}}{L_{s}}I_{2}^{p}Q_{2}
根據公式 3，可以通過增加 Q2 來降低初級線圈電流，從而降低損耗。但系統的帶寬會減少，使得控制系統的實施變得更加困難。次級線圈所需的伏安額定值也增加。
雙向潮流降低電網成本
為了減少溫室氣體排放，大力推動可再生能源的發展。其中突出的是太陽能和風能。但陽光和風的流動是間歇性的，這種波動可能會破壞電網的穩定。此外，為了追求能源獨立，許多行業正在安裝自己的系統。這是由于獲取可再生能源技術變得越來越容易。例如，想要使車輛電氣化的車隊所有者將受益于（更便宜的）自己發電，因此安裝電網系統或充電點。另一方面，這可能導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，智能電網存儲系統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定電網的理想儲能元件。因此，包括無線系統在內的電池充電器應得到增強，以提供雙向操作。
圖 3 顯示了具有雙向功能的 IPT 系統的修改模型。
在正向模式下，功率從電網流向電池負載。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 補償的典型電壓傳遞函數圖 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。負載品質因數不宜太高，要求的工作范圍可以超出逆變器的規格。另一方面，低品質因數將無法充分利用可用的工作范圍。從 LC-LC 補償增益響應中可以看出，增益變化很小。在 SS 前向響應中，極分裂發生在較高功率下。這使得控制系統的設計變得復雜。
\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。 兩者都轉為以 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
相應的輸入相位響應如圖 5 所示。相位響應在 SS 正向中開始變平（在整個工作范圍內），從而限制了可用的 ZVS 范圍。而在反向模式下，由于高質量因素導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，但響應互換。
簡單性：通過將LC擴展到部分串聯拓撲LCC，可以提高品質因數，適合初級控制。但由于增加了組件，因此增加了成本和復雜性。另外，在兩側使用相同類型的補償可以保持對稱性并可以減少設計工作量。
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通，從而降低運行效率。自適應調整可以幫助緩解這個問題。通過適當的設計技術，可以獲得的調諧選擇，以確保跨位置的兩種模式下的 ZVS 操作。
綜上所述，雙向無線充電系統從設計之初就必須考慮前向和后向工作模式的所有約束。如果以與單向設計相同的方式選擇線圈參數和調諧系統，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，以優化磁系統，同時考慮電力電子設備的成本和限制。
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