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工程科学与技术,国际期刊21(2018)922审查电动汽车静态和动态无线充电系统综述ChiragPanchal,Sascha Stegen,Junwei Lu格里菲斯工程学院,格里菲斯大学,内森校区,布里斯班4111,澳大利亚阿提奇莱因福奥文章历史记录:2018年1月25日收到2018年5月14日修订2018年6月19日接受在线发售2018年保留字:电动汽车电磁兼容有限元法无线充电系统无线电能传输无线电动车辆充电系统A B S T R A C T电气化交通将有助于减少温室气体排放和提高汽油价格。电气化交通要求在用户友好的环境中建立各种各样的充电网络,以鼓励采用。电动汽车无线充电系统(WEEE)可以成为一种潜在的替代技术,为电动汽车(EV)充电而没有任何插入问题。本文概述了目前可用的电动汽车无线功率传输技术。此外,它还包括具有各种铁氧体形状的无线Transformer结构,这些结构已经过研究。WEEE与健康和安全问题相关,这已在当前国际标准的发展中进行了讨论。两个主要的应用,静态和动态WEEE,解释,并记录了最新的进展与研究实验室,大学和行业的功能。此外,未来即将到来的概念为基础的WEEE,如©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。内容1.导言. 9232.电动汽车923无线充电系统2.1.基本工作原理9232.2.无线电力传输方法9232.2.1.电容式无线功率传输9232.2.2.磁齿轮无线电力传输9242.2.3.感应功率传输9242.2.4.谐振感应功率传输9252.3.补偿网络9252.4.无线Transformer拓扑9262.4.1.线圈形状9262.4.2.磁性铁氧体形状9282.4.3.保护和支持结构9282.5.健康和安全问题9282.6.健康和安全标准9292.7.部署WEEE 9293.WESTON 930的应用3.1.静态无线电动汽车充电系统(S-WEEE)9303.2.电动汽车动态无线充电系统(D-WEEE)9314.WEST932的未来应用概念4.1.无线车联网(W-V2 G)。................................................................................................................................................................................................................ 9324.2.车轮内WCS 932*通讯作者。电子邮件地址:c. griffith.edu.au(C. Panchal)。由Karabuk大学负责进行同行审查https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.06.0152215-0986/©2018 Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestchC. 潘查尔等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)922923补偿AC/DC网络转换器DCBMS&电池组接收器线圈铁氧体发射器线圈补偿DC/HF AC AC/DC NetworkConverterConverter网4.2.1.IW-WCS 932的配置4.2.2.计算分析9334.2.3.轮毂WCS与轮毂WCS 9345.结论935参考文献9351. 介绍无线充电系统(WCS)已经被提出用于高功率应用,包括EV[1]和固定[3]应用中的插电式电动车辆(PEV)[2]与插入式充电系统相比,WCS可以在简单性、可靠性和用户友好性方面带来更多优势[4]。与WCS相关的问题或限制是,它们只能在汽车停放或处于静止模式时使用,例如在停车场、车库或交通信号灯处[3]。此外,固定式WCS具有一些挑战,例如电磁兼容性(EMC)问题、有限的功率传输、庞大的结构、较短的范围和较高的效率[5为了提高电池存储的范围和足够容量这两个方面,已经研究了用于EV的WCS的动态操作模式[8,9]。该方法允许在车辆运动时对电池存储装置车辆需要更少的昂贵电池存储容量,并且运输范围增加[10]。然而,动态WCS在被广泛接受之前必须面对两个主要障碍,大的气隙和线圈功率传输效率取决于线圈对准和源与接收器之间的气隙距离[5,11]。对于小型乘用车,平均气隙距离从150 mm到300 mm不等,而对于大型车辆,气隙距离可能会增加。由于汽车在动态模式下自动驾驶,因此可以轻松地在发射线圈上对准最佳驾驶此外,在发射和接收侧采用不同的补偿方法,例如串联和并联组合,以减少寄生损耗并提高系统效率[12,13]。在这篇综述论文中,分析了电动汽车WCS的基本操作,包括电力传输方法。另外还有按Fig. 1. 电动汽车静态无线充电系统基本框图解释了各种无线Transformer结构以提高功率传输效率。本文还概述了目前在商业部门和大学部门的静态和动态WEEE模式的发展2. 电动汽车无线充电系统2.1. 基本工作原理电动汽车静态WCS的基本框图如图所示。1.一、为了实现从传输线圈到接收线圈的电力传输,来自电网的AC干线通过AC/DC和DC/AC转换器被转换成高频(HF)AC为了提高整体系统效率,在发射侧和接收侧都包括基于串联和并联组合的补偿拓扑结构[14,15]。通常安装在车辆下方的接收线圈将振荡的磁通量场转换为HFAC。高频交流,然后转换为一个稳定的直流电源,这是由车载电池使用。还包括电源控制,通信和电池管理系统(BMS),以避免任何健康和安全问题,并确保稳定运行。在发射器和接收器侧均采用磁性平面铁氧体板,以减少任何有害的漏磁通并改善磁通分布。2.2. 无线电力传输方法自从引入用于EV的无线充电系统以来,已经使用了四种用于WEEE的设计方法:传统感应功率传输(IPT)、电容式无线功率传输(CWPT)、磁齿轮无线功率传输(MGWPT)和谐振感应功率传输(RIPT)。表1总结了电池供电电动汽车(BEV)可用的无线功率传输技术[1,3,7,162.2.1. 电容式无线功率传输CWPT技术的低成本和简单性,使用耦合电容器的先进几何和机械结构[19,20],对于低功率应用非常有用,例如便携式电子设备[21],手机充电器[22]和旋转机器[23]。图2示出了基于CPWT的串联谐振电路的典型示意图在CWPT中,耦合电容器用于将功率从源传输到接收器,而不是使用线圈或磁体。主AC电压通过功率因数校正电路施加到H桥转换器H桥产生的高频交流电通过表1概述了电动汽车无线电力传输(WPT)的不同方法WPT方法性能价格尺寸/复杂功率电平适合效率EMI频率范围(kHz)体积设计韦奇感应中/高介质10–50中/高介质介质中/高高电容低度/中度介质100–600低低介质低低度/中度永磁低度/中度高0.05-0.500高高高中/低低度/中度谐振感应中/高低10–150中/高介质介质中/低高924C. 潘查尔等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)922发射机接收器LCVDCLCBMS&电池银行图二. 电容式无线功率传输原理图。通过接收器侧的耦合电容器。与IPT不同,CWPT可在高电压和低电流下工作。为了减小谐振布置处的发射器侧与接收器侧之间的阻抗,添加与耦合电容器串联的额外电感器。这种布置还有助于实现电路中的软切换。类似地,利用整流器和滤波器电路将接收到的AC电压转换为用于电池组或负载的DC[24]。功率传输水平完全取决于耦合电容器的大小和两个板之间的距离。对于小的气隙,CWPT提供了优异的性能和更好的场约束,在电容器的两个板之间形成[25]。到目前为止,由于大的气隙和高功率水平要求,电动汽车的CWPT应用受到限制。[26]建议旋转机构采用气隙减小和高电容耦合设计。作者[20]建议使用汽车的保险杠作为接收器,以减小两个耦合板之间的气隙。在540 kHz工作频率下,一个>1 kW的固定实验室原型从直流电源到电池组的效率约为2.2.2. 磁齿轮无线电能传输磁齿轮WPT(MGWPT)是相对不同的CWPT和IPT,如图所示。3.第三章。在这种方法中,两个同步的永磁体(PM)并排定位,与其他同轴电缆的WEEE相反作为电流源的主电源施加到变送器绕组,以在初级PM上产生机械扭矩利用机械扭矩,初级PM旋转并通过机械相互作用在次级PM上引起扭矩。在两个同步PM中,初级PM作为发电机模式工作,次级PM接收功率并通过功率转换器和BMS[3]。开发了1.6 kW的MGWPT实验室原型,能够提供约150 mm的气隙距离。然而,这种技术有许多挑战,将技术纳入静态和动态应用程序。根据[27],在150 Hz时,转子失去了同步速度,这显著影响了传输功率。为了防止超过功率上限,需要通过从电池侧到初级侧的先进反馈系统不断调整速度。功率传输能力成反比由于两个同步绕组之间的耦合突然减小,初级和次级PM之间的轴到轴分离。因此,它可以用于固定WEEE,但对于动态应用具有相当大的挑战性[28]。2.2.3. 感应功率传输传统的IPT由尼古拉·特斯拉于1914年开发,用于无线传输电力传统IPT的基本框图如图所示。 四、它基于几种EV充电结构。IPT已在从毫瓦到千瓦的各种领域进行了测试和使用,以将非接触式功率从源传输到接收器。1996年,通用汽车(GM)推出了雪佛兰S10 EV,该车型采用磁充电IPT(J1773)系统充电,可提供2级(6.6 kW)慢速充电和3级(50 kW)快速充电[3]。被称为磁充电的充电桨(电感耦合器)的初级线圈被插入车辆充电端口,次级线圈接收电力并允许为EV充电。佐治亚大学展示了一种6.6 kW的2级EV充电器,该充电器能够在77 kHz工作频率下从200 V充电至400 V电池电压。在该通用IPT中,10 KVA同轴绕组Transformer发射机接收器气隙转子-1转子-2NVDCSM旋转方向BMS&电池组M图三. 基于磁齿轮的WPT原理图。C. 潘查尔等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)922925p;sp;sKM图四、 传统感应电能传输原理图。提供了显著的优势,例如易于修改的功率范围和电感耦合设计的灵活性[29,30]。2.2.4. 谐振感应电能传输在设计电力电子和无线Transformer线圈方面,RIPT是传统IPT最知名和最先进的版本之一。 图图5示出了由于电动汽车的最小高度间隙要求(150-300 mm),该值在0.2至0.3之间变化当量(2)可应用于计算耦合系数。Lp和Ls分别是发射器和接收器线圈的自感。Lm是两个线圈之间的互感。如果初级线圈和次级线圈强耦合,则互感值将更高,反之亦然。电动汽车的RIPT与其他WPT一样,主交流电压转换为高频交流电源,并提供给变送器或初级绕组。接收器或次级线圈经由变化的电流来接收功率L¼pffiLffiffipffiffiLffiffisffið2Þ磁场接收到的电力通过附加的电力电子器件和滤波器电路被转换为用于EV的电池组的DC。与传统的IPT相比,在初级和次级绕组中添加了串联和/或并联配置的附加补偿网络,不仅可以产生如(1)中所示的谐振情况,而且还可以减少附加损耗。1在无线Transformer设计中,利用各种结构的磁性铁氧体磁芯在后面的部分中,将讨论细节。在高频率下,趋肤效应和邻近效应是相当有效的,并且可以影响功率传输效率。为了避免这些问题,通常在设计中考虑单独绝缘的细绞合线为基础的利兹线这也可以降低寄生电阻并提高线圈的品质因数(Q)的2ppL·Cð1ÞQ可以用(3)来计算。当量(3)确定频率f fff以及初级或次级线圈的自感系数R,R为其中fr是初级和次级的谐振频率线圈的电阻线圈,L和C是自感和谐振电容器Q<$xLp;s<$2pf·Lp;sð3Þ发射器和接收器线圈的值。 当初级线圈和次级线圈的谐振频率匹配在一起时,有效的功率传输是可能的。操作-Rp;sRp;sRIPT的工作频率范围从几十千赫到几百千赫。在没有任何磁芯的情况下,在该频率范围内产生的磁通量对互感具有显著的不利影响,从而降低耦合系数(k)。RIPT中耦合系数的值2.3. 补偿网络如图5所示,在用于EV的静态无线充电系统中,在发射器侧和接收器侧以串联和并联组合的方式添加补偿电容器,以创建发射机接收器CPCsACPFCLP SBMS&电池组电池充电器图五. 谐振感应电能传输原理图。fürp;s926C. 潘查尔等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)922LSLSCPSPLPLPLCSLSPPCPLPLPLCSQs·Lsx·LpLp·R载荷RL负载RL RL(一)(b)第(1)款RL RL(c)(d)图六、 补偿拓扑(a)串联-串联(b)串联-并联(c)串联-串联(d)串联-并联。RIPT。图6中示出了四种类型的补偿网络拓扑,即串联-串联(SS)、电源补偿需要消除电流和电压之间的相位差,并最大限度地减少电源中的无功功率[33,34]。二次补偿网络的安装使负载功率传输和效率最大化[3,35]。另外,网络拓扑的选择依赖于WPT中的特定应用要求。PS和PP补偿的WCS受到保护,因此源线圈在缺少接收器线圈。尽管它提供了一个安全的环境,但在源和接收器之间未对准的情况下,系统无法传输足够的功率[15]。它还需要额外的串联电感器来调节源电流,使其在谐振电路中并联。电容器的价值取决于其对磁耦合和品质因数的依赖[14,36]。初级补偿电容值不依赖于基于SP的补偿WCS中的互感,并且可以提供比分级系统更高的功率传输。然而,在这方面,它主要取决于载荷变化[37]。 SS补偿拓扑结构最适合EV应用,因为它提供了两个显著的优点[38,39]。第一个优点是,源极和接收器侧的电容值独立于负载条件和互感。结果,源侧和接收器侧的谐振频率不依赖于互感和负载,而是取决于初级和次级的自感二次线圈[32,34]。第二个优点是,由于接收器线圈的反射阻抗不会在发射器线圈中增加虚部,因此此类系统通过在谐振频率下汲取有功功率来保持单位功率因数[40]。这种基于SS拓扑的WCS可以提供更好的电池充电选项,因为它可以为电池提供恒定的电压和电流[15,41]。表2[3,15,42,43]显示了电动汽车WPT中使用的不同补偿网络的其他优势2.4. 无线Transformer拓扑在无线充电系统中,发射器垫和接收器垫由多个组件层制成,以便 以 成 本 效 益 获 得 最 大 功 率 传 输 效 率 和 较 低 的 电 磁 干 扰 无 线Transformer垫有三个主要图 7示出了无线Transformer焊盘的各种视图。2.4.1. 线圈形状在用于电动汽车的WCS中,空心无线Transformer概念用于将数瓦到千瓦的功率从源侧传输到接收器侧。如图8所示,在无线Transformer设计中已经利用了各种平面线圈形状,例如圆形、矩形和混合布置,以改善性能并解决在线圈与天线之间的未对准问题。表2补偿网络的优点和特点特点串-串(SS)串-并联(SP)串-串(PS)串-并联(PP)功率传输能力高高低低功率因数对距离的灵敏度较小较小中等中等对准公差较高较高中等较低谐振状态下的阻抗较低较高较高频率对效率的公差较低较高较低较高适用于电动汽车应用较高中等初级电容器111 1x2·Lpx2·。Lp-M2二、x2·M4mm2.ΣM2M4234Lsx2¼4Lp-Lsþ .s105次级电容器1x2·Ls1x2·Ls1x2·Ls1x2·Lsx2·Lp-M2载荷xLsQsx·Ls·Qsx·Lsx·Ls·QsCPSSCSLPLPSCSCPLPC. 潘查尔等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)922927(一)PVC保护层绕组绕组支撑层平面铁氧体铝板PVC基层(b)第(1)款图7.第一次会议。 无线Transformer(a)分解图(b)顶视图(c)横截面。(((((图8.第八条。 线圈形状(a)圆形(b)方形(c)矩形(d)双D(e)双极(f)双D正交(g)四D正交。发射器和接收器垫[44]。无线充电线圈分为两个主要领域:极化垫(PP)和非极化垫(NPP)。极化焊盘由多个线圈和形状创建,以生成通量的垂直(垂直)和平行(水平)分量。相比之下,非极化焊盘由单线圈形状构成,仅产生通量的垂直(垂直)分量[45]。核电站是传统形状的线圈,如圆形,方形,矩形和六边形。圆形线圈是无线变压器中众所周知且广泛使用的结构,因为该结构中的涡电流保持为最小(没有尖锐边缘)。通过调节内直径,可以控制磁通分布。对于较小的中心直径,磁场波瓣将是尖峰形状,这可以有助于提高耦合系数。增加中心直径可以扩大具有较低幅度折衷的磁通量分布区域,这可以有助于不一致问题[46]。当两个绕组之间的偏移距离达到± 40%左右时,接收器功率降至最低[47]。方形和矩形形状的线圈在它们由于完美对齐的侧面而需要布置成阵列时是合适的。然而,它们会增加电感,因为尖锐的拐角边缘会产生涡流,并增加阻抗和热点。这使得它不适合高功率应用。与圆形和方形线圈相比,矩形线圈表现出更大的水平未对准容限。然而,六边形线圈形状在发射器和接收器线圈的中心位置处呈现最大功率传输效率,但是当其到达线圈的边缘时,功率显著降低[48]。椭圆形线圈提供更大的未对准公差,但这些不适合高功率应用[15]。由于水平失准性能差,通过以各种布置多个形状线圈来发明PP。这种形状不仅适用于单相应用,而且适用于三相应用。螺线管线圈、双D(DD)、双D正交(DDQ)、双极(BP)和四D正交(QDQ)是PP焊盘或耦合器的示例。螺线管线圈是通过将线圈缠绕在平坦的铁氧体板上而形成的,其可以在耦合器的两侧产生极化的尖锐的磁通量。这可以通过将两个缠绕的线圈磁连接成串联和电并联来实现。这种极化通量高于NPP双D(DD)极化焊盘由两个正方形或矩形线圈创建,仅在一个方向(与铁氧体板相反)产生磁通,边缘漏磁通最小。它提供了显著的优点,因为它覆盖水平(XY)和垂直方向。此外,这种设计可以为空载线圈提供优良的耦合系数和品质因数。由于水平错位的公差较高,该衬垫可适用于固定和动态应用中的主耦合[50,51]。双D正交(DDQ)线圈是DD焊盘的高级版本,与圆形焊盘相比,其磁通量高度为圆形焊盘的两倍。除了DD焊盘的功能外,它还通过Q线圈制造通用性显著改善了横向未对准问题。DDQ耦合器适用于单相或三相电源应用,无论是初级还是次级。由于其能够捕获正弦和余弦磁通量矢量,因此它可以作为辅助垫的绝佳选择[50,52,53]。 双极(BP)充电垫由多个类似尺寸的线圈构成。与DDQ焊盘相比,BP的结构所需铜量但是,耦合度下降了13(((928C. 潘查尔等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)922在单相或三相应用中,初级和次级线圈之间的角度偏差为30°时的系数[51]。四D正交(QDQ)焊盘已被建议用于改善整体性能,包括到达接收器的未对准和通量高度。这种形状利用两个或更多个圆形和方形线圈来设计无线变压器[54]。QDQ焊盘提供了显著更高的耦合系数(在150 mm气隙时为0.33),并且能够以50%的未对准位移传输足够的功率[15]9.第九条。2.4.2. 磁性铁氧体形状无线Transformer的另一个重要组成部分是磁性铁氧体结构。在WEEE中,磁通量是在中等到高功率范围内产生的。这将是很高的,有必要满足安全标准,以避免任何健康和安全问题。此外,它影响两个绕组之间的耦合效率,特别是如果没有屏蔽来减少漏磁通。磁性铁氧体磁芯的适当设计不仅可以帮助将磁通量的路径从初级重定向到次级,还可以改善线圈的互感和自感[61]。铁氧体磁芯的选择取决于多种因素,包括尺寸、形状、磁导率、工作频率和成本。基本铁氧体形状,如圆形、方形和矩形(如E芯和U芯所示)已用于源焊盘以及接收器侧,以减少电动汽车WCS中的漏磁通[65]。圆形空心和圆形排列的铁氧体棒已被修改,以减少重量或成本,或根据应用进行调整。尽管EE磁芯、U磁芯、ETD和罐形铁氧体形状提供了更高的耦合系数,但由于它们的高度,它们并不适合,因为电动汽车的标准离地间隙有限条纹铁氧体结构也已被用于产生各种形状和尺寸以减少漏电感并提高成本效益。高磁导率材料,如锰锌,是这种应用的最佳选择,因为可负担性和可用性。在WEEE中,铝电镀提供了两个重要功能:屏蔽材料和结构完整性。铝结构(a)(b)(c)第(1)款(f)第(1)款(见图9。铁氧体形状(a)圆形(b)圆形条纹(c)正方形(d)矩形(e)T型芯(f)U型芯(G)E型芯(h)双U型(i)条纹块。减少磁通泄漏,并通过涡流提高电动汽车WCS中的耦合系数[3]。铝板尺寸的利用率通常为几毫米到几毫米(5),这高于WCS的工作频率范围从20 kHz到100 kHz的趋肤深度。当磁通量试图通过铝结构时,它会阻止穿透表面厚度,并迫使它们增加磁通量轮廓的长度。由于较高的磁路电阻,这削弱了磁通量的值。铝板大多放置在铁氧体结构下方,因为没有铁氧体,线圈的互感会大大降低[43]。此外,铁氧体板非常易碎,并且由于市场上较大的平面铁氧体板的有限可用性,可以由多个平面块构造。2.4.3. 保护和支持结构在WEEE中,发射器垫安装在道路的混凝土结构下方,能够处理汽车的重量和车辆的额外振动。为了提高结构稳定性,充电垫的顶部和底部播放器由PVC塑料片制成。长度和宽度取决于充电板的尺寸和厚度,尺寸从5 mm到20 mm不等。有时,线圈周围还会添加透明丙烯酸树脂,以提供支撑并增强外观充电板的位置。2.5. 健康和安全问题WEEE与插入式充电系统相比具有重要的优势。然而,它也带来了三个主要的潜在健康和安全问题-电气,磁性和火灾危险。WESTON在高电流和高电压水平下工作。由于环境条件(热或冷)和物理损坏导致的设备故障或意外损坏,这可能会产生此外,1级(3.7 kW)和2级(7.7 kW)WEEE主要安装在房屋、宿舍和一般停车场,发射器充电垫安装在地面或混凝土中。这种安排需要额外的安全规定,以提供保护,并避免任何危及生命的情况。在高功率水平下产生的磁通量可能超过标准机构设定的最低标准和法规,并且对一般群体有害为了保护周围的动植物,需要调查电磁兼容性(EMC)和电磁干扰(EMI),这可以解决技术安全特性的困境(关于EMC和EMI的这句话不清楚)。此外,从发射器到接收器的充电垫的高功率传输发生在从150 mm到300 mm的大空气间隙处,频率从结果,由于大的气隙而产生高频漏磁通。此类暴露通量的水平必须低于或符合人体暴露指南(IEEE C.95.1 2005[66]、ICNIRP 1998(0Hz-300 GHz)和ICNIRP 2010(0 Hz-100[67])用于各种人体部位[3]。的值允许限值已根据最大允许暴露量(MPE)和比吸收率(SAR)进行了规定[68]。例如,具有健康监测设备(诸如起搏器)的人如果暴露于泄漏通量,则可能具有潜在的健康问题。如果在汽车无线时坐在车内,或者在无线充电板附近行走或站立,可能会发生这种情况。已经提出了各种磁性铁氧体形状的FEM模拟,以验证EMC和EMI问题对解决此类问题的影响[61,69]。此外,许多正在进行的研究和开发原型已经开发和测试,以创造用户友好的WEEE。((((C. 潘查尔等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)922929由于电子或机械部件的故障或故障,高功率水平的设备通常会造成火灾风险。这可能会在房屋或停车场造成危及生命的情况。例如,电缆绝缘或开关设备故障可能导致短路并引起火灾。为了避免此类性能问题,必须制定规则、法规和制造标准。这包括天气条件,因为在气候变化的过程中,一些国家的气温从极冷到炎热不等。一年总的来说,WEEE要求从设计、施工、制造和安装(包括维护)都要有健康和安全标准,以避免对用户造成任何重大影响2.6. 健康和安全标准为了为WEEE创造一个用户友好的环境,定义效率、功率水平、工作频率、EMI、EMC和安全性标准以及技术研究和商业化测试 许多国际组织的工作组,如汽车工程师协会(SAE)、国际电工委员会(IEC)、电气和电子工程师协会(IEEE)和保险商实验室(UL),一直在与研究机构、政府、大学和电动汽车行业合作,以实现商业化。国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)、美国联邦通信委员会(FCC)和美国医疗器械协会(AAMI)的电磁学会就EMC水平、EMF限值和与健康监测医疗植入器械(如起搏器)的兼容性达成了协议[70]。令人遗憾的是,标准化和互操作性方面尚未完全开发,因为部署这项技术存在一些重大障碍。表3列出了世界各地已宣布和正在更新的WEEE相关标准。国际标准涵盖了发射器侧(接地组件)和接收器结构(车辆组件),包括用于研究和商业目的的EV/PHEV的例如,SAE国际宣布用于PHEV和EV的TIR J2954无线功率传输标准,其具有在81.39和90kHz表4SAE内部标准(J2954)适用于PHEV/EV无线充电。特点无线功率传输类别最大输入功率(kW)WPT-1 WPT-2 WPT-3WPT-43.7 7.7 11 22最低目标效率(%)>85%校准工作频率(kHz)85(频段:81.39对于轻型和客车,如表4所示[55]。此外,本标准还包括WEEE的实验和演示用功率级、电磁SAE J2954 WPT委员会在台架(标准化试验)和车辆水平(整车试验)上进行了各种验证试验未来,还将宣布针对对准方法、动态WEEE和无线双向功率传输的其他标准。2.7. 部署WEEE的挑战和障碍尽管WEEE提供了比插入式充电器更多的优势,但在部署之前,需要克服与健康和安全、财务、功率范围限制、基础设施开发和维护相关的挑战。健康和安全问题,如EMC、火灾和电气危害,已分别在第2.5节和第2.6节中指出另一个重要的障碍,以更广泛的接受WEEE是功率范围的限制相比,插入式充电器。AC Level 1(1.4-直流快速充电(高达100千瓦)可以在20分钟内增加60至80英里的续航里程[3,91到目前为止,根据新的J2954标准,静态模式的WPT等级可以达到目前仍处于研究和开发阶段。为了克服这些问题,需要在道路上安装先进的静态和动态无线充电站网络由于与当前网络的不兼容性,这种网络需要新的基础设施发展表3WEEE的国际标准列表组织/协会相关标准标准定义/描述年汽车工程师J2954[55]轻型插电式电动汽车的无线功率传输和校准方法2017(严重不良事件)J1772[56]EV/PHEV导电充电耦合器(CCC)2017J2847/6[57]无线充电车辆与无线电动汽车充电器之间的通信2015J1773[3]电动汽车感应耦合充电2014J2836/6[58]PEV无线充电通信的使用案例2013电气电子研究所P2100.1[59]无线供电和充电系统2017工程师(IEEE)C95.1[60,61]关于人体暴露于射频(3 kHz2006Underwriters Laboratories Inc.(UL)[51]第五十一话调查大纲,为WEEE2017国际标准化组织(ISO)19,363[62]电动道路车辆.磁场WPT.安全性和互操作性要求2017国际机电61980-1 Cor.1第1.0版[3,51]EV WPT系统第1部分:一般要求2017委员会62827-2第1.0版[3,51]WPT管理:第2部分:多设备控制管理(MDCM)2017[63]第63话WPT-空气燃料联盟谐振基线系统规范(BSS)201715149-2(ISO-IEC)[64]信息技术.2015日本电动车协会G106[3]电动汽车感应充电系统.一般要求2000(JEVS)G107[3]电动汽车感应充电系统-手动连接2000G108[3]电动汽车感应充电系统-软件接口2001G109[3]电动汽车感应充电系统.一般要求2001930C. 潘查尔等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)922能量存储功率转换器对准传感器接收器发射机预制模块租金安排。这可能导致政府机构需要额外的资金,因为WEEE 1级(3.3 kW)的起始成本约为2470美元[71]。对于充电功率水平为200kW的动态WCS,其成本估计为200万澳元/km/车道[94]。这是发展中国家和不发达由于这是一项昂贵的投资,因此...见图10。 静态无线电动汽车充电系统基本图。结构的精度对于避免由于不适当的处理、磨损和异物识别(FOI)的限制而造成的任何重大损失是非常关键的[95]。总的来说,为了成功地部署WEBEROS,建议采用各种各样的实验和模拟WEBEROS为基础的方法,以创建用户友好的国际标准,可以确保世界范围内的一致性。3.WEEE的应用根据其应用,无线电动汽车充电系统可以分为以下两个重要的sce-narios从源传输电力到电池组和进入汽车。3.1. 电动汽车静态无线充电系统(S-WEEE)WEEE打开另一扇门,为消费者提供用户友好的环境(并避免插入式充电器的任何安全相关问题)。静态WEEE可以很容易地更换插入式充电器与最小的驾驶员参与,它解决了相关的安全问题,如绊倒危险和触电。图10示出了静态WEEE的基本布置。初级线圈安装在道路或地面下方,带有额外的电源转换器和电路。接收器线圈,或次级线圈,表5固定式无线充电系统的发展。研究开发机构/公司车辆类型接收器垫气隙距离操作功率范围效率位置(毫米)频率(kHz)(千瓦)(%)公司和初创行业[71,72](2016- 2017年客车前102203.3903.67.2[73]第一次世界大战(2009- 2017)乘用车和任何100–250853.6>90越野车7.711[75]2010- 12-17乘客、运动和中心160–220853.6>90赛车6.6720[2017-18]第76话:我爱你客车任何TBATBA1090[77]2015-17年:中国农业大学客车任何10–30TBA3.6>85岁越野车7.222e巴士中心200[76]第76话:我的世界商业车队前或后300TBA30TBA和总线第76集9.1The Dog(2002)工业船队和任何TBA20多达20TBA总线西门子和宝马[77,78]客车前80–150TBA3.6>90德尔菲[79](2011-17)客车前200TBA3.3TBA研究小组和大学武汉大学,中国[80](2017)Lab Exp.不适用300 100 6韩国工业技术研究院(KITECH)[81](2016)实验室失效不适用密歇根州立大学[2016][83]第83话:一个人的世界橡树岭国家实验室(ORNL)[72,84,85](2013实验室失效实验室失效实验室真实保护不 适用 不适 用后200200100–160609019.513.33.3约8295.96~89-90125–175226.61020902014年,美国密歇根大学-迪尔伯恩分校实验室失效N/A200TBA895.7奥克兰大学[6,7](1997车TBA100–30010–402–5>85岁佐治亚大学[66,87实验室防护N/A160203>80能源动力学实验室(EDL)和犹他州大学[2012]实验室失效N/A152–167205>90[17,28]2010年至2014年,KAIST大学汽车和SUV中心1020372–80120–2001574–83C. 潘查尔等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)922931通常安装在电动汽车的前面、后面或中间。接收的能量使用功率转换器从AC转换为DC,并被转移到电池组。为了避免任何安全问题,功率控制和电池管理系统配备有无线通信网络,以接收来自初级侧的任何反馈。充电时间取决于电源功率水平、充电板尺寸和两个绕组之间的气隙距离。轻型车辆之间的平均距离约为150-300 mm。静态WEEE可安装在停车场、停车场、住宅、商业建筑、购物中心和停车场。如表5[1,3,17,32,81]所示,大学在研究和商业水平上开发了许多原型。它们的价格从大约2700- 13000美元不等其功率等级符合最近公布的国际SAE标准(J2954)功率等级1(3.3 kW)和2(7.7 kW),包括频率范围81.9目前,SAE组织正在制定标准,这些标准与汽车中接收器垫的允许偏差和安装位置有关。一些原型已经提出了各种安装见图11。 电动汽车动态无线充电系统基本图。位置,例如汽车下面的接收器垫的前部、后部和中心。橡树岭国家实验室(ORNL)主要关注通过线圈设计来提高功率传输总的来说,用于电动汽车的固定WCS的原型或实验室实验已经从1-20 kW的功率范围、100-300 mm的气隙距离开发3.2. 电动汽车动态无线充电系统(D-WEEE)插电式或纯电动汽车的痛苦,由于两个主要的障碍-成本和范围。为了增加续航里程,电动汽车需要非常频繁地充电或安装更大的电池组(这会导致额外的问题,如成本和重量)。此外,频繁给车辆充电也不经济。电动汽车动态无线充电系统(D-WEETS)是一种很有前途的技术,它可以减少电动汽车的续航里程和成本它是未来自动化电动汽车的唯一解决方案它也被称为如图11所示,初级线圈嵌入到道路混凝土中一定距离处,具有到微电网和/或RES的高电压、高频AC源和补偿电路。像静态WEEE一样,次级线圈安装在车辆下方。当电动汽车经过发射器时,它通过接收器线圈接收磁场,并通过使用电源转换器和BMS将其转换为DC为电池组充电。与当前的电动汽车相比,电动汽车的频繁充电设施将整体电池需求降低了约20%[22]。对于动态WEEE,发射器垫和电源段需要安装在特定位置和预定义的路线上[115]。如图所示,电源部分主要分为集中式和单独的电源频率方案。 11(a)和(b)。在集中供电方案中,在路面上安装一个大线圈(约5-与分段方案相比,集中式方案的损耗更高,效率更低,包括安装成本高,维护成本更高[99]。总的来说,为这项技术安装初始基础设施在未来自动驾驶汽车的帮助下,它将有助于在发射器和接收器线圈之间创建完美的对齐,这可以显着提高整体功率传输效率。动态WEEE可以很容易地集成到许多电动汽车运输应用中,例如轻型车辆,公共汽车,铁路和快速运输。在表6[3,10,33,114,116-表6动态WEEE的研究与发展综述。研发功率(kW)工作频率(kHz)气隙(mm)效率(%)橡树岭国家实验室(ORNL)[85]2022–23125–17590奥克兰大学,新西兰[6,7,98]20–3012.950085日本铁道技术研究所[99]50107.5TBA[100-110]第110话:我的世界3201072–806170711525–100120–20020074–8385法兰德斯大道与工业和大学[111]802010088–90电动汽车系统实验室日产研究中心[112]190100>90北卡罗来纳州立大学,美国[8,113,114]0.310017077–90932C. 潘查尔等人/工程科学与技术,国际期刊21(2018)9224.WEEE的未来应用概念4.1. 无线车联网(W-V2 G)PEV的快速扩张导致了对快速有效的充电和电力传输方法的需求。随着可再生能源汽车数量的增加,配电网的电力需求迅速增加,对微电网产生了不利影响,为了弥补这些额外的电力需求,可再生能源(RES)被引入微电网,但其支持设施有限。图12个。 双向功率传输应用(a)无线V2G(b)插入式V2G。车辆到电网(V2G)概念可以为配电网络的充电和放电提供高级调度解决方案[3]。图12示出了具有无线和插入模式的PEV的双向功率传输应用。在插入式V2G中,带有车载双向充电器的电动汽车允许用户在高峰时段连接到电网或家庭在非高峰时段,车辆从AC墙上插座充电AC被转换为DC并馈送到隔离DC/DC转换器,以向用户提供额外的安全性转换后的DC通过BMS、控制和保护以及双向DC/DC转换器传输到
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