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推升電動汽車續航力 車用無線充電蓄勢待發

2018-11-06
電動汽車能順利行駛於道路,關鍵要素在於電池是否能供應足夠的電力,同時維持穩定供電。基於此,電動車續航力問題一直以來備受關注,也間接刺激車用無線充電發展,期能透過車用無線充電,滿足電動車不間斷充電效能。

隨著動力傳動系統從內燃引擎(ICE)向電動馬達發展,汽車產業正在經歷史上最大的變化時期之一。雖然現代電動汽車(EV)續航里程方面的技術進展顯著,但對於採用的最大障礙之一是消費者擔心受困於電池沒電,即所謂的「里程焦慮」。

為應對此挑戰,大多數努力都致力於讓電池變得更好、車輛更高能效,但其它方法也開始嶄露頭角。其中最有意思的就是為電動汽車無線充電的能力,這使電池在車輛運行且無需「硬布線(Hard-wired)」與電源相連接的情況下也能充滿電。半導體技術對於成功的電動汽車無線充電(WEVC)發揮重要的作用。

採用新技術涉及一個變化的過程,不同於那些似乎享受變化本身的早期採用者,這對於許多主流消費者來說可能很難。鑒於電動汽車處於發展初期,里程焦慮常被認為是其採用速度低於預期的一個原因。即使充滿電,除了用於本地通勤之外,一般電動汽車的續航里程都遠遠小於汽油動力車。這代表在家以外的充電似乎會成為一種必要。此外,充電站不如加油站普遍,導致(用戶)有可能會擔心受困。最後,儘管電源管理技術的進步使得充電時間得以大幅減少,但仍然比傳統加油站要長得多。

雖然充電基礎設施正在快速擴張,尤其像福斯汽車在美國投資20億美元用於清潔汽車基礎設施,這是其為了處理柴油機排放醜聞所做的努力之一。但許多公司正在尋找其他方式,能夠更便利地為車輛進行充電。其中一個正在討論和評估中的關鍵技術是無線充電,特別是最終能夠動態地為車輛充電。

雖然許多人認為無線充電是新技術,但其實它已有百年歷史。早在1894年的紐約市,Nikolai Tesla為整個實驗室的電燈供電,證明該技術的可行性。但此後就幾乎再無進展,直到最近行動設備的增長使這項技術再度嶄露頭角,主要因為其為用戶帶來的便利。

無線技術工作原理

原則上,無線充電的工作方式與有線充電非常相似。電源電壓轉換為直流電(DC)並用於為電池充電。在較高的功率水準下,會使用功率因數校正(Power Factor Correction, PFC)級。大多數基於主電源的充電器使用電流隔離變壓器,這是有線和無線充電器間的本質區別(圖1)。

圖1  典型充電器框圖

在有線應用中,變壓器是一個帶有核心的單元,能確保初級產生的(幾乎)所有通量都能耦合到次級。這確保了高水準功率傳輸,進而助力構建高能效的充電器。

為了打造無線充電器,變壓器被分為初級和次級,初級(發射器)保留在充電器中,次級(接收器)位於將要充電的設備中。初級和次級之間的距離將因應用而異,並會對充電器的性能產生重大影響。

透過將核心替換為空氣,通量傳輸減少。如果在基於核心的變壓器中,耦合係數(k)近似為1,那麼在無線應用中,k的值將接近0.25。實際值將與兩個線圈之間的距離成反比,且如果初級和次級未對準,則實際值也將減小。

然而,透過在初級和次級引入磁共振能改善這種情況。透過使用兩個調諧電路,功率以特定的頻率傳輸,且與非諧振方法相比,功率傳輸的能效可近乎翻倍(圖2)。

圖2 採用諧振方法的無線功率傳輸

此方法的另一個優點是具有更好的電磁干擾(EMI)性能,這對無線充電的大規模推廣至關重要。它還允許使用諸如零電壓開關(Zero Voltage Switching, ZVS)或零電流開關(Zero Current Switching, ZCS)等技術,這兩種技術對於實現極高能效的功率傳輸皆發揮重要作用。

靜態電動汽車無線充電市場崛起

即使在可預見的將來,插線式的電源仍然是對深度放電電池進行充電的最佳方法,但電動汽車無線充電的目標是在車輛行駛時為電池充電。在車輛使用之時為其充電的能力可幫助實現更長的續航里程,或可採用更小的電池,進而透過減少電池/整體車重來提高續航里程。

近年來,許多學術機構和公司都參與了開發原型系統以實現電動汽車無線充電。一些系統的設計目標是靜態電動汽車無線充電,比如Fraunhofer IISB(Institute for Integrated Systems and Device Technology)開發的系統,該系統將線圈置於靠近車輛前部的位置,因此顯著減小了線圈尺寸。

2017年,Regional Transit Authority of Central Maryland展示靜態充電系統的另一項應用。他們沿路安裝一個靜電充電站,讓巴士在等待乘客上下車時能夠充滿電。如此一來,電動公車現在能夠完成(交通)網路內的任何路線。

當然,最終目標是讓車輛能夠在高速公路快速行駛的同時進行充電,並且許多公司在這方面取得了進展。高通的動態電動汽車充電(DEVC)系統已展示出能夠在60英里/小時左右的高速公路行駛速度下提供高達20kW的功率。在其它的重要進展中,日本汽車製造商Honda發表了一篇關於大功率動態充電的論文,描述對一個充電功率為180kW(600V直流電、300A電流條件下)的系統進行的測試,其可在高達96英里/小時的行駛速度下充電。

雖然每種方法都取得了很大的進步,但各種方法的互通性至關重要,為此,美國汽車工程師學會(Society of Automobile Engineers, SAE)最近發布SAE J2954標準,這是全球首個針對功率水準高達11kW的無線功率傳輸的規格。

半導體元件撐腰 EV動態充電戰鼓響起

無線充電是克服電動汽車發展阻力(例如里程焦慮)的關鍵,並對該技術在全球範圍內的採用發揮重要作用。早期的推行(如美國馬里蘭州的公共汽車系統)發揮作用,但像高通和本田等公司正在測試的動態充電計畫終將實現電動汽車的最終目標,即具有超越汽油動力汽車的無限續航里程和便利性。

這場革命的核心是半導體元件,它們終將提供所需的能效和可靠性,使這些理論性的方案成為大規模生產的現實和成功。目前可看到業界半導體廠商,如安森美半導體可提供高能效IGBT和MOSFET等分立式開關元件、MOSFET驅動器、電壓和電流管理系統、AC-DC控制器和調節器(Regulator)、智慧功率模組和電池管理等相關產品。

(本文作者任職於安森美半導體)

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