无线电力传输的电车辆应用-中文

IEEE作者选定的电力电子主题，第3卷第1期，2015年3月1无线电力传输的电车辆应用李思齐，IEEE会员，春亭克里斯·米，院士摘要：利用磁共振无线电力传输（WPT）技术可以摆脱恼人的电线。事实上，WPT技术与已经开发了至少30年的感应功率传输技术具有相同的基本理论。近年来WPT技术的迅速发展，传输距离的增加，从几毫米到几百毫米，达到90％以上的效率。技术的进步使得在WPT在电动车辆（EV）的充电和静止以及动态计费方案的应用方面非常有吸引力。本文综述了适用于电动汽车无线充电WPT技术。在电动车引入WPT，充电的时间范围和成本能够容易地控制。电池技术不再适用于电动汽车的大众市场。研究人员希望国家能够对最先进的成果予以鼓励，并进一步推动WPT技术的发展。索引词：动态充电，电动汽车（EV），感应功率传输（IPT），安全准则，固定充电，无线电力传输（WPT）。一.简介由于能源，环境等多方面的原因，电气化运输已经进行了多年。在铁路系统中，电力机车已经得到了多年很好的发展。火车运行在固定的轨道上，采用从导电轨上放置滑块获得电力的方法这是很容易的。但是，对于电动汽车（EV），高度的灵活性使得它不容易以类似的方式得到功率。相反，通常配备一个高功率和大容量电池组作为能量储存单元为行进的EV运行一个满意的距离提供保障。直到现在，电动车都没有对消费者有如此大的吸引力。即使有许多政府激励计划。政府补贴和税收激励是一把钥匙，以增加EV市场。今天对于电动车辆，问题是没有别的电力存储技术。需要电池是今天的瓶颈，由于其不理想的能量密度，寿命有限和成本较高，在EV中，电池是不那么容易设计的。因为要同时满足以下要求：高能量密度，高功率密度，可承受的成本，循环寿命长的时间，良好的安全性和可靠性，。锂离子电池被认为是在电动车辆中使用的最具有竞争力的解决方案。然而，在电动汽车的商业化的锂离子电池的能量密度与汽油相比，其具有的能量密度约12000瓦时/公斤相比90-100瓦时/公斤，这一数目是如此之差。内燃机动力车辆在300英里的范围内，一个纯粹的电动汽车需要大量的电IEEE作者选定的电力电子主题，第3卷第1期，2015年3月2池，是过重和过于昂贵。在目前，锂离子电池的成本大约是$500/千瓦时。考虑到车辆的初始投资，维护和能源成本，电池电动车的所属会使消费者花费额外的$1000/年，与平均汽油动力汽车相比，除了成本问题，电动汽车电池的充电时间过长也使EV不能被许多司机接受。对于一次充电，大约需要1个半小时。根据附加的充电器，按平均功率计算，这比汽油加油过程长几个小时。如果他们已经用完电池能量，该电动车无法马上准备好。为了克服这个问题，业主最有可能做的是找到插件，并抓住任何可能的机会为电池充电的。它真的带来了一些麻烦，因为人们可能在自己用完了电池的能量以后，突然发现忘记带插件。在充电电缆带来绊倒问题、从裂化旧电缆泄漏有毒物质，特别是在寒冷地带，可以带来额外的危险情况的前提下。人们可能要勇敢的面对风，雨，冰，雪或插件触电的危险。无线电力传输（WPT）技术，该技术可以为最好的EV车主消除所有的充电麻烦。通过无线方式传递能量到EV，充电成为最简单的任务。对于一个固定的WPT系统，司机只需要将停放的汽车开走。对于动态WPT系统，这意味着在EV供电时电动汽车可以运行永远不会停止。此外，电动汽车的电池容量相比电动汽车用导轨充电，无线充电能被减少到20％或更低。虽然市场需求是巨大的，但是人们想知道是否WPT可以有效的实现。尽管锂离子电池可实现高达200瓦时/千克，电池组需要冷却和电池管理系统。以合理的成本，电池组的过度能量密度比细胞密度低得多。麻省理工学院的研究小组发表了成果。其中60瓦的功率以所谓的强耦合磁共振理论被传递在一个2米的距离，结果惊讶学术界。WPT迅速成为一个热门的研究领域。很多有趣作品完成了不同种类的创新，以及系统的分析和控制。该动力传递路径，甚至可以用多米诺骨牌形式引导。并且为了进一步地更有效地传递动力，，谐振频率一般选择在兆赫的水平，和选择空芯线圈。在WPT被用在电动汽车充电时，兆赫频操作很难满足功率和效率标准。在使用国家的电力电子器件MHz的频率水平下，它是低效率的转换几到几百千瓦的功率。此外，空芯线圈太敏感于周围铁磁物体。当空心线圈被连接到一个车，磁通会在机箱内引起高涡流损耗以及在线圈参数上一个显著的变化。为了使EV充电更实际，铁氧体作为磁通导向和铝板作为屏蔽，通常采用在线圈设计中。与降低频率到小于100千赫，并采用铁素体相比，WPT系统比感应功率传输（IPT）技术要好很多。事实上，该技术已开发多年，WPT基于所述非辐射和近场电磁，与传统的IPT没有区别。这是基于在发送和接收之间的磁场耦合线圈。该IPT系统已经被提出和应用于各种场合，诸如水下航行，挖掘系统，无绳机器人自动化生产线，以及电动车辆的充电。IEEE作者选定的电力电子主题，第3卷第1期，2015年3月3最近，作为电动汽车的充电需要以及动力传输距离的增加，从几个毫米至几十毫米。作为一个证明了概念的电感供电系统，EV的合作伙伴很多。在实施交通和高速公路（PATH）计划时，加州大学伯克利分校在70年代末期试验了通勤巴士沿道路行驶213米，并跟踪与测试供电部分。双极初级线圈提供1200A，400Hz的交流电流。拾取器的距离主跑道7.6公分。达到的效率60％左右，由于有限的半导体技术。在过去的15年中，研究人员在奥克兰大学又集中在可移动物体的感应电源。他们最近的成绩在设计垫固定和EV进行充电值得注意。一个766毫米×578毫米垫，可提供5千瓦的功率与效率超过90％。对于距离约200mm实现了横向和纵向错位公差250和150毫米。从所获得的知识，在所进行的在线电动车（OLEV）项目中，韩国的科学技术高等研究院（KAIST）也有助于WPT设计。三代OLEV系统已建成：光高尔夫球车为一代，对于第二代公交车，以及第三代越野车的完成是值得注意的。60千瓦的功率传输给公交车和20千瓦给越野车为70％和83％，效率高。允许垂直距离与横向偏移分别高达160毫米和高达200毫米。在美国，因为越来越多的公众注意力被吸引到WPT技术上。在2007年版的出版物上,WT公司发布了自己的WIT-3300开发工具包，其中达到超过90％的效率达到180毫米距离上3.3千瓦的输出。最近，无线充电系统原型的电动汽车在美国橡树岭国家开发实验室（ORNL）在美国。该测试效率接近90％的为3千瓦的电力输送。该研究在美国密歇根州迪尔伯恩的大学取得了200毫米距离8千瓦WPT系统，直流到直流效率高为95.7％。从功能方面，可以看出该WPT的EV准备在静止和动态应用。然而，为了使它可用于大规模商业化，在性能优化还有很丰富的工作需要完成，设置行业标准，使其更符合成本效益，并依此类推。本文基本WPT理论，给出的主要部分的简要概述。在一个WPT系统，包括磁耦合器，补偿网络，电力电子转换器以及其控制，并其他一些问题，如安全性的考虑。通过引入最新成果在WPT领域，在理论和实践两个方面，我们希望WPT在电动汽车应用可能获得广泛的接受。此外，我们希望有更多的研究人员可能有兴趣，并为WPT技术的发展取得更加辉煌的贡献。IEEE作者选定的电力电子主题，第3卷第1期，2015年3月4二.基本理论典型的无线电动汽车充电系统如图1。它包括几个阶段的EV无线充电。首先，公用交流电源由一个AC到DC转换器转换为直流电源，并具有功率因数校正。然后，将直流电源转换为高频交流，以通过补偿网络驱动发射线圈。考虑到初级侧线圈的绝缘故障，高频隔离变压器可插入。该DC-AC逆变器和初级侧线圈具有额外的安全性和保护。在发射线圈中的高频电流产生交变磁场，从而接收IEEE作者选定的电力电子主题，第3卷第1期，2015年3月5线圈上感应出交流电压。通过次要共振补偿网络，所传送的功率和效率被显著改善。最后，交流电源整流为电池充电。图1示出了无线充电器的EV包括以下主要部分：1）分离的（或分离的，松耦合的）发射和接收线圈。通常，线圈被建成铁素体和屏蔽结构，在后面的章节中，该术语磁耦合用于表示整体，包括线圈，铁氧体，和屏蔽;2）补偿网络;3）电力电子变换器。无线充电器和现有的导电性或有线充电器之间一个主要的区别是一个变压器被替换的一组松散耦合线圈。为了快速的WPT原理，线圈和补偿想法网络分别被提出，如图2所示，其中自感初级侧发送线圈L1和自感接收的线圈L2.I1和I2是在两个线圈的电流.U12是初级侧线圈在次级线圈所感应的电压。U21是在初级电压即诱导的次级侧线圈电压，由于在当前线圈到初级和之间的耦合，或互感次级线圈。S1和S2是视在功率分别进入L1和L2，。S3和S4是视在功率由S12和S21设置。两个线圈之间视在功率交换的形式未指定的补偿网络。补偿网络的将在稍后讨论。如图2，忽略线圈电阻和磁性损失，我们可以计算的简化形式交换了复杂的电源fromL1到L2当I1和I2是均方根值时，φ12是I1和I2之间的相位差。有功功率从初级侧传递到次级侧可表示为在图2所示的系统中。可以在两个方向传输有功功率。在下面的分析中，我们假设电源从L1被传输到L2。当φ12=π/2，这意味着I1和I2四分之一周期，最大功率可以是从L1转移到L2。总功率进入双线圈系统：因此，总的无功功率进入两线圈系统对于一个传统的变压器，无功功率表示励磁电源带来的较高的铜和铁损。为增加IEEE作者选定的电力电子主题，第3卷第1期，2015年3月6变压器效率，有功功率和无功之间的比率应该最大化。电源的比率被定义：K是L1和L2之间的耦合系数。以达到F（φ12）的最大值下面的等式：与解决方案当K接近1，这是一个传统的变压器。在这种情况下，如果I2为一个由I1感应的电流，x接近1。因此，cosφ12≈-1。I1和I2之间相位差几乎是180°。而对于WPT，k为接近0F（φ12）是最大化在sinφ12=1，在该点所传送的功率也最大化。I1和I2之间的相位大约90代替180°。因此，我们可以看到紧紧地和松散耦合线圈之间的区别。耦合的程度影响方补偿的设计化网络。以串联系列拓扑为例，有两种方法来设计的谐振电容器。一是单程设计电容共振漏感这可能达到更高的F（φ12）。另一种方法是共鸣与线圈自感这可以在一定线圈电流达到最大传输的功率。当耦合是紧随着铁氧体，k0.5，重要的是要提高F（φ12），以实现更好的效率。在这种情况下，共鸣与线圈自感，这使得φ12=π/2。此法不推荐使用，否则磁化损失可能显著增加。当电容共鸣的漏感，它就像漏感补偿。这使得变压器作为一种传统的器件，增加了F（φ12）。然而，整个系统不会在谐振工作模式。当联接松动，k0.5，这是为在EV无线充电，该电容器的情况下，被调谐的自感，使系统的工作在共鸣模式，以在一定的线圈电流下达到最大的功率传输。在这种情况下，大部分的磁性场能量存储在两者之间的大的空气间隙线圈。在铁氧体中的磁滞损失是不那么相对向磁化功率。然而，铜损失正比于传导电流的平方。要在某一个线圈中的电流有效地传递更多的力量，感应电流I2要滞后I190°。根据感应接收线圈上的电压˙U12滞后I190°，U12和˙I2应IEEE作者选定的电力电子主题，第3卷第1期，2015年3月7同相。次级侧应具有纯电阻的特性。在此期间，初级侧输入视在功率S3应最小。在cosφ12=0时，复数功率S1是：理想情况下，在初级侧的补偿网络应取消无功功率，使S3=ω0MI1I2，其中ω0是谐振频率。从上面的分析，我们看到一定传送功率，有必要使次级侧谐振减小线圈伏安（VA）级，这减少了在线圈中的损耗;并且，使初级侧共振，以减少电力电子变换器额定VA，从而降低在功率变换器的损失。因此，我们传递动力采用磁共振。根据上面的分析，我们计算动力传递的两个线圈谐振频率之间的效率。我们有：当R2是次级绕组的电阻和RL的等效负载电阻。通过定义两个线圈的品质因数，Q1=ωL1/R1，Q2=ωL2/R2，转移效率被表示为：通过定义a=RLE/R2，我们得到表达效率：通过求解以下