橡樹嶺國家實驗室利用這些線圈產生磁場,為電動汽車進行無線充電

2020-11-24 電子發燒友

橡樹嶺國家實驗室利用這些線圈產生磁場，為電動汽車進行無線充電

李倩 發表於 2018-11-10 11:17:21

橡樹嶺國家實驗室的研究人員利用這些線圈產生磁場，為電動汽車進行無線充電。

美國田納西州橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的科學家們開發出了一種無線充電技術。他們說，這種技術可以在一小時內為一輛普通的電動汽車充滿電。與他們在2016年宣布的類似無線充電系統相比，這是六倍的功率提升。他們報告說，目前正在對這種無插電動汽車充電技術做改進，以適用於運貨卡車等商業應用。

橡樹嶺電力電子和電力機械集團的負責人Burak Ozpineci說，這個團隊還沒有完成。他說，他們正在朝著美國能源部設定的更大目標——即建立一系列快速、安全、簡單的電動汽車充電系統——努力。按美國能源部2016年發布的指令的說法，這將「加速美國電動汽車的普及」。

他們的想法是將現有系統的功率吞吐量提高三倍，使電量耗光的電動汽車電池的總充電時間降至15分鐘以下。且要給電動汽車充電，除了將電動汽車開到嵌入混凝土中的無線充電板上之外，無需將任何東西插入汽車或再做其他任何事情。

Ozpineci說，能源部的指令沒有說明這些系統應該是有線的還是無線的。但他補充道，「我們的專長是在無線方面。所以我們說，我們將做無線部分。」

目前藝術家們用概念畫所描畫的電動汽車充電泵類似於汽車加油站，不過其釋放的是電子而不是石油。而電動汽車無線充電裝置代表的可能不僅僅是一種新的汽車燃料來源。就像20到30年前的無線網際網路革命一樣，電動汽車的無線電源可能不僅僅改變汽車的電力來源。一些未來學家認為無線電源正在「智慧城市」的興起和加油站的消亡中扮演重要角色。

照片來源：Genevieve Martin/ORNL/DoE

這些由ORNL設計的無線線圈和電力電子設備可以以97%的效率安全地通過空氣傳輸大量電能。

Ozpineci說，他們這可輸出120千瓦功率、效率為97%的無線充電技術所涉及的兩個關鍵要素是他們所用的材料以及傳輸和接收電力的線圈。在今年9月份的IEEE能量轉換博覽會（IEEE’s Energy Conversion Congress and Exposition）上，他們介紹了這項技術的詳細信息。他們的這篇文章很快將在IEEE Xplore資料庫上發布。

將無線電力從地面單元發射到電動汽車中的電力接收單元（兩者之間隔著寬約6英寸的氣隙），意味著快速震蕩地面線圈中的電場和磁場，並在電動汽車中的接收線圈中引起類似行為。Ozpineci說，實際上，這意味著通過約每秒22,000個周期（即22千赫茲）的振蕩電流來輸出120千瓦的功率。

他說：「問題是通常我們都有矽器件，而當我們達到更高的功率水平時，你無法在更高的開關頻率下運行它們。在10千瓦時，你可以切換到20 千赫茲。但是當你達到100千瓦甚至更高時，你必須降低開關頻率——因為散熱問題、設備響應問題及很多事情。」

照片來源：Genevieve Martin/ORNL/DoE

該線圈通過大約22千赫茲的振蕩電流來輸出120千瓦的功率。

但是，以高效率傳輸更高的功率需要更高的開關頻率。因此，這實際上意味著既要把矽換成更可靠（也更昂貴）的碳化矽，又要強化電力交換的發送端和接收端上的線圈。

Ozpineci說，特斯拉的Model 3也使用碳化矽電子產品。因此，橡樹嶺國家實驗室的技術對材料的依賴在電動汽車系統中並非前所未有。另一方面，他們承認他們的100磅（45千克）線圈需要進行一些改進和優化，才能將其推向商業化生產的設計階段。

然後，他們必須進一步創新設計，使功率提高三倍才能達到能源部350至400千瓦的目標。Ozpineci說，這項工作正在進行中，但他懷疑在任何350千瓦或更多的無線增壓器中都必須有多個電源模塊。

照片來源：Genevieve Martin/ORNL/DoE

管理ORNL開發的新無線充電系統的構成組件之間電流的電力電子設備。

「我們能夠使用單一電源模塊，」他談到目前120千瓦的機組時說，「我們正處於或接近這些電源模塊的極限。若要做超越極限的事情，我們要麼需要把這些模塊並聯，要麼需要把兩個逆變器並聯。當你這樣做的時候，你會因要同步運行這些東西而遇到更多挑戰。」

Ozpineci說，他的團隊還在進行所謂的電動汽車動態無線充電系統的可行性研究。動態無線充電系統可使用安裝在道路下的無線充電板自動為行駛中的電動車輛充電。

他說：「世界上許多團體都在關注它，但大多數人都在考慮降低功率。比如20千瓦。但我們不將自己局限在20  千瓦。我們需要100 千瓦嗎？需要120 千瓦嗎？需要更高的功率嗎？無論我們得出什麼結果，美國能源部都可能為示範項目提供資金。」

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