【導讀】工(gong)業(ye)或(huo)交(jiao)通(tong)運(yun)輸(shu)的(de)電(dian)氣(qi)化(hua)率(lv)取(qu)決(jue)於(yu)充(chong)電(dian)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)的(de)部(bu)署(shu)。現(xian)有(you)的(de)傳(chuan)導(dao)充(chong)電(dian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)由(you)於(yu)需(xu)要(yao)插(cha)入(ru)巨(ju)大(da)的(de)電(dian)纜(lan)，特(te)別(bie)是(shi)對(dui)於(yu)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)，因(yin)此(ci)在(zai)安(an)全(quan)性(xing)、堅固性和舒適性方麵存在一些問題。無線充電被譽為提供安全、清潔和自主的解決方案。

工(gong)業(ye)或(huo)交(jiao)通(tong)運(yun)輸(shu)的(de)電(dian)氣(qi)化(hua)率(lv)取(qu)決(jue)於(yu)充(chong)電(dian)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)的(de)部(bu)署(shu)。現(xian)有(you)的(de)傳(chuan)導(dao)充(chong)電(dian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)由(you)於(yu)需(xu)要(yao)插(cha)入(ru)巨(ju)大(da)的(de)電(dian)纜(lan)，特(te)別(bie)是(shi)對(dui)於(yu)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)
，因(yin)此(ci)在(zai)安(an)全(quan)性(xing)、堅固性和舒適性方麵存在一些問題。無線充電被譽為提供安全、清潔和自主的解決方案。

什麼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，並於 1893 年(nian)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)非(fei)接(jie)觸(chu)式(shi)係(xi)統(tong)。控(kong)製(zhi)該(gai)技(ji)術(shu)的(de)基(ji)本(ben)原(yuan)理(li)是(shi)楞(leng)次(ci)定(ding)律(lv)和(he)邁(mai)克(ke)爾(er)法(fa)拉(la)第(di)感(gan)應(ying)定(ding)律(lv)。可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)多(duo)種(zhong)方(fang)法(fa)來(lai)實(shi)現(xian)這(zhe)一(yi)點(dian)。成(cheng)功(gong)的(de)商(shang)業(ye)化(hua)（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 多年來一直致力於開發無線（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 磁力線圈係統

磁耦合級是決定電力電子設計、效xiao率lv和he可ke傳chuan輸shu功gong率lv的de重zhong要yao部bu分fen。在zai電dian動dong汽qi車che充chong電dian的de典dian型xing應ying用yong中zhong，次ci級ji側ce線xian圈quan安an裝zhuang在zai車che輛liang的de底di部bu。初chu級ji線xian圈quan側ce放fang在zai地di上shang。該gai組zu件jian通tong過guo在zai每mei個ge線xian圈quan的de外wai側ce使shi用yong鐵tie氧yang體ti和he鋁lv來lai確que保bao這zhe兩liang個ge線xian圈quan之zhi間jian具ju有you磁ci通tong。鐵tie氧yang體ti塊kuai的de堆dui疊die或huo成cheng形xing也ye是shi可ke能neng的de。線xian圈quan之zhi間jian的de氣qi隙xi可ke能neng相xiang當dang大da，具ju體ti取qu決jue於yu車che輛liang的de離li地di間jian隙xi。這zhe導dao致zhi漏lou感gan與yu互hu感gan具ju有you相xiang似si的de尺chi寸cun。IPT係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。每個線圈係統的優點在互操作性、尺寸、漏磁

、位置公差和操作複雜性。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 係統的效率受到線圈固有品質因數的限製。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並轉換為高頻信號。 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。 隨後對該信號進行整流，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。 這通常用於恒壓應用。 b) 並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並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。這通常用於恒壓應用。b) 並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並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

典型感應充電係統的簡化模型如圖1所示。PFC後的高頻（即80-90 kHz）逆變器將整流後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。但係統的帶寬會減少

，使得控製係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wei了le減jian少shao溫wen室shi氣qi體ti排pai放fang，大da力li推tui動dong可ke再zai生sheng能neng源yuan的de發fa展zhan。其qi中zhong突tu出chu的de是shi太tai陽yang能neng和he風feng能neng。但dan陽yang光guang和he風feng的de流liu動dong是shi間jian歇xie性xing的de，這zhe種zhong波bo動dong可ke能neng會hui破po壞huai電dian網wang的de穩wen定ding。此ci外wai，為wei了le追zhui求qiu能neng源yuan獨du立li，許xu多duo行xing業ye正zheng在zai安an裝zhuang自zi己ji的de係xi統tong。這zhe是shi由you於yu獲huo取qu可ke再zai生sheng能neng源yuan技ji術shu變bian得de越yue來lai越yue容rong易yi。例li如ru
，想xiang要yao使shi車che輛liang電dian氣qi化hua的de車che隊dui所suo有you者zhe將jiang受shou益yi於yu（更便宜的）自zi己ji發fa電dian，因yin此ci安an裝zhuang電dian網wang係xi統tong或huo充chong電dian點dian。另ling一yi方fang麵mian，這zhe可ke能neng導dao致zhi對dui大da麵mian積ji土tu地di空kong間jian的de需xu求qiu不bu斷duan增zeng加jia，以yi滿man足zu峰feng值zhi電dian力li需xu求qiu。然ran而er
，智zhi能neng電dian網wang存cun儲chu係xi統tong可ke以yi降jiang低di所suo需xu的de峰feng值zhi功gong率lv。通tong過guo在zai高gao峰feng可ke用yong期qi間jian存cun儲chu能neng量liang並bing在zai需xu要yao時shi提ti供gong能neng量liang

，由you於yu容rong量liang相xiang對dui較jiao大da，電dian動dong汽qi車che電dian池chi可ke被bei視shi為wei穩wen定ding電dian網wang的de理li想xiang儲chu能neng元yuan件jian。因yin此ci，包bao括kuo無wu線xian係xi統tong在zai內nei的de電dian池chi充chong電dian器qi應ying得de到dao增zeng強qiang
，以yi提ti供gong雙shuang向xiang操cao作zuo。 

圖 3 顯示了具有雙向功能的 IPT 係統的修改模型。

在正向模式下，功率從電網流向電池負載。PFC 之zhi後hou的de模mo塊kuai充chong當dang激ji勵li初chu級ji線xian圈quan的de逆ni變bian器qi。需xu要yao整zheng流liu器qi將jiang次ci級ji線xian圈quan的de交jiao流liu電dian轉zhuan換huan為wei電dian池chi。在zai相xiang反fan模mo式shi下xia，這zhe些xie塊kuai各ge自zi的de功gong能neng將jiang互hu換huan。補bu償chang類lei型xing及ji其qi值zhi的de選xuan擇ze取qu決jue於yu許xu多duo標biao準zhun。下xia麵mian討tao論lun其qi中zhong一yi些xie：

可控性：以通用控製方式為主控製。該方法將高頻（HF）逆變器輸出電壓控製為初級線圈輸入電壓。根據方程 4
，電壓控製或相位控製都是可能的。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(gong)率(lv)。該(gai)圖(tu)顯(xian)示(shi)了(le)正(zheng)向(xiang)和(he)反(fan)向(xiang)模(mo)式(shi)。負(fu)載(zai)品(pin)質(zhi)因(yin)數(shu)不(bu)宜(yi)太(tai)高(gao)，要(yao)求(qiu)的(de)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)可(ke)以(yi)超(chao)出(chu)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)規(gui)格(ge)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，低(di)品(pin)質(zhi)因(yin)數(shu)將(jiang)無(wu)法(fa)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)可(ke)用(yong)的(de)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)。從(cong) 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。這使得控製係統的設計變得複雜。

\圖 4：針對 SS 和 LC-LC 補償繪製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：用於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（在整個工作範圍內）
，從而限製了可用的 ZVS 範圍。而在反向模式下，由於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(ke)以(yi)提(ti)高(gao)品(pin)質(zhi)因(yin)數(shu)，適(shi)合(he)初(chu)級(ji)控(kong)製(zhi)。但(dan)由(you)於(yu)增(zeng)加(jia)了(le)組(zu)件(jian)，因(yin)此(ci)增(zeng)加(jia)了(le)成(cheng)本(ben)和(he)複(fu)雜(za)性(xing)。另(ling)外(wai)
，在(zai)兩(liang)側(ce)使(shi)用(yong)相(xiang)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)補(bu)償(chang)可(ke)以(yi)保(bao)持(chi)對(dui)稱(cheng)性(xing)並(bing)可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)設(she)計(ji)工(gong)作(zuo)量(liang)。

反射阻抗：反射阻抗的無功分量影響諧振。在部分並聯補償中，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ru果guo不bu小xiao心xin，這zhe可ke能neng會hui在zai某mou些xie情qing況kuang下xia限xian製zhi晶jing體ti管guan的de軟ruan導dao通tong，從cong而er降jiang低di運yun行xing效xiao率lv。自zi適shi應ying調tiao整zheng可ke以yi幫bang助zhu緩huan解jie這zhe個ge問wen題ti。通tong過guo適shi當dang的de設she計ji技ji術shu，可ke以yi獲huo得de的de調tiao諧xie選xuan擇ze
，以yi確que保bao跨kua位wei置zhi的de兩liang種zhong模mo式shi下xia的de ZVS 操作。

zongshangsuoshu，shuangxiangwuxianchongdianxitongcongshejizhichujiubixukaolvqianxianghehouxianggongzuomoshidesuoyouyueshu。ruguoyiyudanxiangshejixiangtongdefangshixuanzexianquancanshuhetiaoxiexitong

，xingnengjianghuixiajiang。yinci，xuyaocaiyongzixiaershangdefangfacongyikaishijiubianyisuoyouyaoqiuheyueshu，yiyouhuacixitong

，tongshikaolvdianlidianzishebeidechengbenhexianzhi。

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