許多插電式電動車車主依靠笨重且昂貴的電纜將車輛連接到充電器。該電纜價格昂貴，因為它必須足夠粗，能夠承載所需的峰值充電電流（通常從 11 kW 到 100 kW 或更高），足夠堅固，能夠承受不小心扔到汽車后座或在惡劣天氣下使用，并且足夠堅固，可以承受反復插拔操作。即便如此，電纜和連接器的使用壽命有限，終會因日常使用而變得不安全、磨損或損壞。更好的解決方案是完全放棄它們嗎？

　　圖 1 顯示了無線電動汽車充電器的概念。車輛停在充電線圈上，通過感應(yīng)式無線電力傳輸來傳輸電力，為電池充電。無線通信可確保安全地傳輸電力，就像現(xiàn)代手機與支持 Qi 的充電板進行通信一樣，以確保在通電之前充電區(qū)域中不存在異物。

　　圖 1. 電動汽車無線充電概念。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
　　手機充電與電動汽車充電的主要區(qū)別在于所使用的功率水平。根據(jù)無線充電聯(lián)盟的說法，高功率電動汽車無線充電器的效率必須化，而手機充電器的效率通常只有 70%。這對于低成本商品來說是可以接受的，但對于電動汽車無線充電器來說是一種浪費，因為電動汽車無線充電器需要接近 85% 的系統(tǒng)效率（交流到直流電源）。

　　功率傳輸效率可以通過三種方式提高：更緊密耦合的磁路、更高的工作頻率和更好的匹配。但首先，讓我們看一下無線電力傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)知識。

　　無線功率傳輸基礎(chǔ)知識
　　無線功率傳輸(WPT) 技術(shù)可以追溯到 1800 年代末，當時 Heinrich Hertz 演示了使用兩個拋物面反射器聚焦 RF 輻射的高頻火花隙無線功率傳輸。尼古拉·特斯拉在世紀之交之前也嘗試過耦合電磁共振電路，但沒有證據(jù)表明他成功地傳輸了有意義的電力。感應(yīng)電力傳輸早的成功演示是在 1910 年，照亮了開放變壓器上的燈泡，但同樣，這并沒有變成實用的無線電力產(chǎn)品。盡管缺乏商業(yè)成功，這些早期先驅(qū)者為當今使用的一些主要無線電力傳輸技術(shù)奠定了基礎(chǔ)：
　　WPT方法范圍頻率用途
　　電感式短的kHz-MHz電動牙刷
　　磁共振耦合中kHz-MHz手機充電器、電動汽車充電器
　　電容耦合短的kHz-MHz生物醫(yī)學植入物
　　微波長的兆赫衛(wèi)星
　　激光長的太赫茲無人機
　　對于電容式和磁性 WPT 系統(tǒng)，發(fā)射器和接收器之間單位體積空氣中存儲的能量分別由下式給出：
　　\[W_{e}(電場\,場)=\frac{1}{2} \varepsilon_{0}E^{2}\]
　　\[W_{m}(磁力場)=\frac{1}{2} \mu_{0}H^{2}\]
　　其中 E 和 H 分別是電場和磁場的強度，是自由空間的介電常數(shù)和磁導率值。由于它更高，當考慮到實際電壓和電流限制時，在耦合磁場中可以傳輸?shù)哪芰勘仍陔娙蓠詈蠄鲋袀鬏數(shù)哪芰看蠹s多一千倍。因此，感應(yīng)耦合和磁共振耦合有助于實現(xiàn)的功率傳輸。

　　本質(zhì)上，感應(yīng)充電系統(tǒng)使用發(fā)射器線圈來生成局部磁場，該磁場通過互感耦合到接收線圈（圖 2）：

　　圖 2. 感應(yīng)式無線功率傳輸原理圖（圖 2、3 和 4 來自 RECOM AC/DC Book of Knowledge 第 10 章。）所用圖片由Bodo's Power Systems提供 [PDF]
　　發(fā)射器和接收器線圈之間的互感 M 由看似簡單的方程給出：
　　\[互感\(zhòng),電感,M=k\sqrt{L_{t}L_{r}}\]

　　其中 L t和 L r分別是發(fā)射線圈和接收線圈的繞組電感，k 是耦合系數(shù)，它取決于線圈的尺寸、匝數(shù)和對準（方向和間隔）（圖3）：

　　圖 3. 各種扁平線圈未對準對感應(yīng)功率傳輸效率的影響。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]

　　可以通過插入中間線圈來增強耦合系數(shù)，中間線圈充當“磁透鏡”來聚焦磁通量（圖 4）。較高功率諧振感應(yīng)耦合系統(tǒng)可以使用三個或更多個線圈。這些中間線圈是諧振回路，具有與繞組并聯(lián)的電容器，該電容器在交變磁場的頻率下諧振（圖 5）。諧振器增強發(fā)射線圈的有效磁場強度，并將有效接收場集中到接收線圈，從而顯著提高耦合效率。此外，即使只有部分投射磁通量被中間電路攔截，它們?nèi)匀粫C振，因此間隔距離和對齊并不像兩個簡單的扁平線圈那么重要。

　　圖 4. 使用中間諧振器的諧振電感耦合。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]

　　圖 5.具有中間諧振器的 WPT 的等效電路模型。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
　　中間諧振器不必如圖 4 所示對稱放置 - 如果功率傳輸?shù)南拗埔蛩厥亲銐虻拇磐?，則靠近發(fā)射器線圈放置的成對諧振器將通過耦合因子 k 12和放大局部磁場k 23表示與更遠的接收器線圈的更強的耦合系數(shù)k34。
　　這種中間線圈對于發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離和對準不固定的 WPT 應(yīng)用至關(guān)重要，例如，在為行駛在其上的移動車輛充電的電動道路上。特斯拉等公司已經(jīng)構(gòu)建了原型道路充電系統(tǒng)，其中車輛具有底部彈簧加載的金屬電源連接器，可以在行駛中充電，但底特律是美國個實施非接觸式道路充電的城市基于無線電力傳輸?shù)南到y(tǒng)。該系統(tǒng)成功展示了高達 19 kW 的充電速率。
　　高頻無線電力傳輸
　　可以使用市電提供的低頻 50/60 Hz 交流電進行感應(yīng)充電，但這對于較高功率來說效率較低。
　　傳輸頻率越高，可以傳輸?shù)墓β示驮蕉啵唧w如下：
　　\[P_{out}=\omega_{0}MI_{t}I_{t}\]
　　其中，輸出功率 P out等于諧振角頻率 ω o乘以互感M、發(fā)射線圈中的電流以及接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流I r。因此，發(fā)射功率與交變磁場的頻率成正比。然而，磁芯渦流和開關(guān)損耗隨著頻率的升高而增加，因此 WPT 工作頻率取決于峰值感應(yīng)功率傳輸效率的其他系統(tǒng)參數(shù)。
　　利用現(xiàn)有的大功率開關(guān)技術(shù)，20kHz至150kHz之間的諧振頻率可以達到效果。
　　影響系統(tǒng)效率的一個重要因素是電源、線圈和負載電阻的匹配。功率傳輸效率 (PTE max ) 可通過以下關(guān)系得出（諧振時）：
　　\[PTE_{max}=\frac{\omega_{0}^{\,\,\,2}M^{1}R_{L}}{R_{t}(R_{r}+R_{L} )^{2}+\omega_{0}^{\,\,\,2}M^{2}(R_{r}+R_{L})}\]
　　其中 RL、R t和 R r分別是負載、發(fā)射器和接收器歐姆電阻。
　　為了獲得性能，負載、接收和發(fā)射線圈電阻應(yīng)全部相同。

　　這在WPT系統(tǒng)的設(shè)計中產(chǎn)生了一些實際問題。發(fā)射器的大電流電源前端和逆變器具有非常低的內(nèi)部阻抗，因此可能需要高頻阻抗匹配變壓器以獲得線圈的耦合傳輸功率。同樣，負載是具有非線性內(nèi)阻特性的電池組，該特性取決于其充電狀態(tài)，因此需要 DC/DC 板載充電 (OBC) 單元，該單元可以進行阻抗調(diào)整以獲得功率接收，非常類似于光伏 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中使用的功率點跟蹤 (MPPT) 電路（圖 6）。

　　圖 6. 具有預期轉(zhuǎn)換效率的 WPT 功率級。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]

　　為了滿足效率目標，有源前端（交流到直流轉(zhuǎn)換和功率因數(shù)校正）將需要使用無橋圖騰柱配置或類似配置（圖 7），并且逆變器將需要使用全橋或變體LLC 拓撲。兩種設(shè)計都需要使用多個隔離晶體管柵極驅(qū)動器。

　　圖 7.  GaN 圖騰柱無橋整流器示例電路。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]

　　對于高功率開關(guān)設(shè)計，通常很難平衡每個橋臂中的電源接地雜散電感，從而導致性能不對稱和開關(guān)不穩(wěn)定。隔離高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器可以消除這個問題（圖 8）。

　　圖 8. 全橋柵極驅(qū)動器示例電路。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
　　RECOM 提供一系列緊湊型柵極驅(qū)動器電源模塊，具有高隔離度、非對稱輸出電壓（可實現(xiàn)功率晶體管開關(guān)）和寬工作溫度范圍，使其成為此類高功率設(shè)計（包括雙向電路）的理想選擇。

　　在電動汽車中，另一個有源整流器電路將轉(zhuǎn)換來自接收線圈的交流電，為中間總線電容器 C DC充電。這種未經(jīng)調(diào)節(jié)的直流總線電壓可以為高功率數(shù)字 DC/DC 轉(zhuǎn)換器單元供電，例如 RECOM 的 15 kW OBC 設(shè)計。

　RECOM 的 15 kW（可并聯(lián)至 75 kW）高壓車載充電器。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
　　該 15 kW 轉(zhuǎn)換器設(shè)計可接受 25 VDC 至 280 VDC 的寬直流輸入電壓范圍，并將輸出電壓提升至可編程 200 V-800 VDC，為高壓電動汽車電池組充電，效率超過 97%。內(nèi)置MPPT電路優(yōu)化了整個充電周期內(nèi)的功率傳輸效率。CAN 總線接口允許與標準電池管理系統(tǒng)控制器進行通信，并允許并聯(lián)單元之間的主動負載共享。
　　有線電動汽車充電的替代方案
　　就技術(shù)而言，無線功率傳輸是有線電動汽車充電系統(tǒng)的可行替代方案，即使由于成本較高而并非主流。隨著電動汽車成為常態(tài)而不是例外，簡單地駕駛到停車位并無線充電電池的易用性和便利性將使 WPT 更具吸引力，特別是因為車輛自動移動和停車的技術(shù)已經(jīng)存在。終，使用電動道路進行的移動 WPT 充電將消除使用電動汽車的“里程焦慮”，使電池能夠在旅程結(jié)束時而不是在開始時充滿電。