?電動(dòng)交通的形式已經(jīng)越來越多樣化。并在全球可持續(xù)發(fā)展的大背景下扮演著重要角色。從電動(dòng)自行車、汽車到無人駕駛電動(dòng)汽車、Robotruck，再到自動(dòng)駕駛無人機(jī)，這些產(chǎn)品似乎都在顯露著未來的某種趨勢(shì)。

而來自加拿大安大略理工大學(xué)的Williamson教授認(rèn)為，電動(dòng)交通商業(yè)化的進(jìn)一步成功，以及未來的全自動(dòng)駕駛技術(shù)，將取決于電力電子技術(shù)的進(jìn)步。

「這種技術(shù)在未來幾年面臨著許多挑戰(zhàn)，特別是在電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的控制和智能充電系統(tǒng)的發(fā)展方面?！?/p>

智能管理系統(tǒng)性能的提高

電動(dòng)汽車電池的續(xù)航里程焦慮和壽命有限的問題尤其令人擔(dān)憂。目前，動(dòng)力電池仍存在容量損失問題，這種問題在寒冷(0℃以下)和炎熱天氣(40℃以上)中，以及快速充電場(chǎng)景下顯得尤為突出。

為解決這一問題，電力電子領(lǐng)域已將全部精力集中在車載電池能量管理領(lǐng)域。這種能量管理的目的是使智能電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)(也稱為有源電池平衡)在電池級(jí)實(shí)現(xiàn)電壓均衡。這種方式可將行駛里程延長兩到三倍，而且只會(huì)增加1%到2%的電池組成本。

Williamson表示，目前業(yè)內(nèi)通常會(huì)通過電路拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)創(chuàng)新，其方式是將電路板上的電感值最小化(一種稱為減少部件轉(zhuǎn)換器的方法)。未來幾年可能還會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展，使電池平衡更加高效和廉價(jià)。

為電池的「第二次生命」鋪路

在使用8到10年之后，動(dòng)力電池通常會(huì)因?yàn)槿萘肯陆刀艘?，?dāng)其壽命結(jié)束時(shí)，回收這些電池原材料似乎是大多數(shù)人能想到的解決方案。

但事實(shí)上，這些電池還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域。耗盡的電池可以保留70%左右的容量，因此可能適用于微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)中的固定存儲(chǔ)等應(yīng)用。

一些公司最近開展了一些項(xiàng)目，以檢驗(yàn)這種電池「第二生命」解決方案的可行性。然而，廢舊電池的降解行為仍然是一個(gè)相對(duì)未知的問題。

在電池的第一次生命和第二次生命中進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)，對(duì)于驗(yàn)證第二次生命解決方案的技術(shù)可行性至關(guān)重要。比如，如果將幾個(gè)不同容量的舊電池串聯(lián)起來形成第二生命模塊，可用能量就可以大大增加。

再經(jīng)過深入研究后，研究者們認(rèn)為不同容量和化學(xué)成分的電池可以安全使用，而且相互之間不會(huì)影響性能。但要建立這樣的系統(tǒng)，需要新的方法來控制每個(gè)已用電池的電流，以監(jiān)測(cè)電池容量的實(shí)時(shí)消耗。

目前基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的自適應(yīng)控制策略，可以更準(zhǔn)確地估計(jì)容量，并有潛力成為游戲規(guī)則的改變者，即將多種電池集為一個(gè)電池，形成電池的第二生命模塊。

極快充電站何時(shí)能夠普及？

城市、郊區(qū)甚至偏遠(yuǎn)地區(qū)都需要為電動(dòng)汽車充電，這意味著電力研究人員在充電基礎(chǔ)設(shè)施方面面臨著許多挑戰(zhàn)，包括可再生能源和固定電池儲(chǔ)能的結(jié)合。

商用電動(dòng)汽車目前配備車載充電器，從墻上的交流插座獲取輸入電源。此時(shí)，電池組充電所需的能量轉(zhuǎn)換是在車輛上完成的。

另一方面，直流(DC)快速充電器最近已經(jīng)商業(yè)化，能夠做到將充電器和所有相關(guān)的電力設(shè)備移出汽車底盤，這正符合了未來的超高速充電器的需求。

基于SAE J1772標(biāo)準(zhǔn)的車載交流充電(1.44 kW - 166kw)和車外直流充電(80kw - 400kw)，一些學(xué)者對(duì)有線充電拓?fù)溥M(jìn)行了深入研究。目前，全球通用的直流快速充電標(biāo)準(zhǔn)是CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)允許62.5 kW ~ 400 kW的功率輸送

超快充電技術(shù)在過去三到四年出現(xiàn)，可提供超過400 kW的電力。這種技術(shù)旨在5分鐘內(nèi)為電動(dòng)汽車充電，消除里程焦慮。該方法依賴于基于新型寬帶隙半導(dǎo)體器件(如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)開關(guān))的先進(jìn)功率變轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，以及新穎的系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)。

極快充電架構(gòu)使用的是服務(wù)變壓器，它可以將配電系統(tǒng)中使用的電壓功率降低到終端用戶所需的水平。

然而，這增加了系統(tǒng)的成本和大小，并使安裝過程復(fù)雜化。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以采用固態(tài)變壓器技術(shù)來提高功率密度和效率。再加上電力轉(zhuǎn)換拓?fù)洹⒖刂品桨?、保護(hù)裝置、寬頻帶隙電力裝置和數(shù)字控制器的進(jìn)一步發(fā)展，極快充電站在未來幾年內(nèi)將越來越受歡迎。

 無線充電可降低「高容量電池」的必要性

考慮到自動(dòng)駕駛汽車的潛力，幾家充電設(shè)備公司已經(jīng)開始探索車用無線充電器的應(yīng)用。無線傳輸?shù)母拍羁梢宰匪莸揭粋€(gè)多世紀(jì)前尼古拉·特斯拉的工作，而今天更是有一系列可用的方法:聲功率傳輸、射頻功率傳輸、光功率傳輸、電容功率傳輸和感應(yīng)功率傳輸。

盡管這些技術(shù)可以根據(jù)其功率傳輸介質(zhì)進(jìn)行區(qū)分，但它們的系統(tǒng)配置都是相似的，主要由電源、負(fù)載、耦合器和一次/二次電子電路組成。

電動(dòng)汽車的無線充電器可以由交流電或直流電供電，它們的負(fù)載通常是直流電，并在電動(dòng)汽車電池組處結(jié)束。感應(yīng)電力傳輸是目前制造無線充電器最流行的方法，它可以提供從幾十瓦到幾千瓦的輸出功率級(jí)別，這種方法還允許氣隙變化從幾厘米擴(kuò)至數(shù)米。

全自動(dòng)無線充電器可以讓電動(dòng)汽車隨時(shí)充電，這意味著充電速度更快，整體行駛距離也更長。

無線充電器技術(shù)具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性，因?yàn)樗哂泄逃械碾姼綦x特性，可以通過電源和電動(dòng)汽車電池之間的氣隙進(jìn)行電力傳輸，而不會(huì)有任何直接的電接觸。

因此，充電點(diǎn)和電池端子之間的長電纜被消除了，消除了傳統(tǒng)有線充電器的缺點(diǎn)，包括插電故障、跳閘危險(xiǎn)以及由于電纜和連接器老化或腐蝕而導(dǎo)致的觸電風(fēng)險(xiǎn)。

和插電技術(shù)一樣，無線充電器可以部署在住宅車庫、辦公室和購物中心的停車場(chǎng)進(jìn)行靜態(tài)充電。它們也可以放置在公交車站和交通燈上，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)無線電力傳輸。

此外，動(dòng)態(tài)無線充電(或動(dòng)態(tài)充電)系統(tǒng)也可以安裝在道路上，讓電動(dòng)汽車在行駛中充電，這可能會(huì)顯著減少車載電池容量需求。

因?yàn)殡娏鬏斒峭ㄟ^電磁連接進(jìn)行的，所以發(fā)射臺(tái)可以埋在地下，以減輕極端天氣條件的影響。然而，無線電力傳輸系統(tǒng)仍然需要改進(jìn)，特別是在成本、部署、效率、基礎(chǔ)設(shè)施、互操作性和磁場(chǎng)排放方面。

而解決這一問題的研究方案包括新型功率變換器拓?fù)?、感?yīng)線圈設(shè)計(jì)、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、控制系統(tǒng)、電磁干擾屏蔽方法和智能通信。

作者簡(jiǎn)介：

Sheldon S. Williamson (Fellow, IEEE)， 1999年在印度孟買大學(xué)(University of Mumbai, Mumbai)獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位(榮譽(yù)學(xué)位)，2002年和2006年分別在美國伊利諾伊理工學(xué)院(Illinois Institute of Technology, Chicago, IL, USA)獲得電氣工程碩士和博士學(xué)位(榮譽(yù)學(xué)位)。他目前是加拿大安大略理工大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院電氣、計(jì)算機(jī)和軟件工程學(xué)系教授，以及智能交通電氣化和能源研究(STEER)小組主任。?