橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)车辆与移动系统部门负责人Burak Ozpineci博士正在开发一种动态无线充电系统,可以在驾驶时为电动汽车充电。同样的技术也可以安装在你的车库里,这样你就再也不用记得插上电源了。

yabovip16.com技术简报:您是否开发了三相旋转场设计作为无线汽车充电项目的一部分?

博士Burak Ozpineci:事实上,这个主意不是我个人想出来的。我有优秀的同事从事无线充电工作,也有优秀的同事从事电机工作。电动牵引电机是三相系统,在其中你产生一个旋转的磁场传递运动的转子。所以,他们说:为什么不在无线充电中使用同样的技术呢?这样我们可以得到更高功率、更大功率密度的线圈。

博士Burak Ozpineci

几年前,我们演示了一个120千瓦、85千赫的系统,其中线圈重约110磅。当原始设备制造商已经在努力减轻重量时,你不可能说服他们在车辆上安装一个110磅重的线圈——这就像增加了一名乘客。于是我们想到了三相电。

如果是单相线圈,就会有电力脉动。然而,为了得到相同的平均功率,如果你使用三相线圈,你有更小的脉动每一相位和相应的更低的线圈电流。如果电流较低,线圈就会更小、更轻。

我们采用分层结构,底部有一个三相线圈,顶部有另一个三相回路——类似于电机设计。产生了一个旋转的磁场。通过这种方式,功率传递得更均匀,表面功率更高。

yabovip16.com技术简报:110磅的重量对我来说对于一个85千赫的系统来说太高了。

ozpineci:在这些功率级别,您会产生大量的热量。我们使用慷慨大小的铜绕组,以最大限度地减少热量。我们的目标是展示该技术。当他们被商业化时,公司可能不想像我们一样使用尽可能多的铜。它们可能会产生一些权衡,以减小线圈的尺寸和重量。

yabovip16.com技术简报:如何产生驱动线圈的85千赫功率?

ozpineci:我们把电力公司的三相电源转换成直流电。然后我们有一个逆变器,把它转换成高频交流-基本上是方波。然后是一个共振网络,它产生85千赫兹的正弦波形,然后馈送到地下发射线圈。车上的接收线圈也被调到这个频率——它也有一个谐振网络——之后是一个整流器,将高频交流电转换成直流电来给电池供电。

yabovip16.com技术简报:您是否使用过滤器来减少涟漪?

ozpineci:我们使用直流链路电容来减少纹波。

yabovip16.com技术简报:传输包有多大?

ozpineci:我们需要某种机柜来包括电源转换系统。除机柜外,我们还具有共振电容器和地面发射器线圈。当我们走到更高的功率水平时,传输包将更大。

yabovip16.com技术简报:这个机柜将安装在哪里用于动态道路应用?

ozpineci:内阁将在路边。我们将有电源线在路面下面的线圈。最终,我们想要做的是将机柜直接连接到中压力线。因为如果你没有,你必须处理60Hz变形金刚,这很大。如果我们连接到中压线,我们可以使用85 kHz固态变压器,远小于60 Hz变压器。这将使我们有一个更小的内阁。

yabovip16.com技术简报:你给车辆提供的电压是多少?

ozpineci:我们直接进入主要电池,即即将到来的电动汽车将在800伏特。我们将转到较新车辆的仍然更高的电压。对于乘用车,现在,如果您想在350千瓦实现极快的充电,他们将大约800伏。对于电动卡车,它看起来像电池电压可能在1000到1500伏之间。

yabovip16.com技术简报:这种电池技术现在存在吗?

ozpineci:他们的电动汽车保时捷Taycan售价约为10万美元,配备800伏直流电池,目前可以接受高达350千瓦的充电。特斯拉可以接受250千瓦。

yabovip16.com技术简报:这就是你现在的目标功率范围吗?

ozpineci:是的,对于乘用车,我们的目标是达到300或350千瓦的静止应用。对于卡车,我们希望转到更高的功率水平。

yabovip16.com到目前为止,你取得了多少成绩?

ozpineci:我们已经演示了6英寸的120千瓦无线充电,今年秋天我们将尝试300千瓦。这些都是固定的应用。对于动态无线充电,我们将达到200千瓦。

(从左至右)ORNL的Omer Onar和Veda Galigekere与动态无线充电试验台在ORNL的电网研究集成和部署中心。图片来源:卡洛斯·琼斯,俄勒冈州/美国部门的能源)

yabovip16.com技术简报:您打算与现有车辆展示你的充电器吗?

ozpineci:是的,我们想在秋天举行一次示威游行。现在,我们有一辆现代科纳汽车,我们将安装无线充电。我们已经在一辆UPS快递卡车上演示过了,我们还准备了一些其他的车辆来进行静止和运动充电。

yabovip16.com技术简报:如果有人想在家里的车库里安装你的充电器系统,他们需要安装一条新的电源线吗?

ozpineci:不,不一定——我有一辆电动汽车,当我回家的时候,我会充电。

yabovip16.com技术简报:你需要多少能量?

ozpineci:最大的家庭通常是11 kW,但通常它大约7千瓦。我到达时插入,但我宁愿不必打扰那个。我宁愿只是在没有我知道它的情况下自动停车并自动收费 - 这是我未来的愿景。如果我们可以在议案上充电,如果我们可以在车库里收取费用,如果我们在我们工作的同时充电,我们永远不会担心我们的车辆的范围。

yabovip16.com技术简报:对于动态充电,充电率不会因车辆的速度而变化?

ozpineci:是的 - 如果您想获得更多费用,速度越慢。

yabovip16.com技术简报:我想这些系统可能会安装在州际公路上。

ozpineci:是的,我们是为州际高速设计的。在我们之前的一个演示,使用了20千瓦的系统运行了大约一英里。他们没有任何缝隙-他们覆盖了道路从开始到结束线圈。我们在想,如果我们把电力乘以10,我们只需要覆盖10%的道路。所以,这就是为什么我们设计了大约200千瓦的电力覆盖大约10%的道路。我们认为单滴高功率会更容易,而不是长时间的20千瓦功率分布。

yabovip16.com技术简报:你们计划如何防止杂散磁场的干扰?

ozpineci:这是个好问题。由这些线圈产生的电磁场可以诱导金属上的电压。在车辆下的拾取器中,大多数磁场位于两个线圈之间,但总会有一些泄漏。我们正在寻找不同的屏蔽技术来消除这一点。我们将屏蔽放在线圈和车辆之间,以防止杂散感应电压。

国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)规定了离源不同距离的泄漏场强度。在每一点上,测量的电场和磁场必须低于某个值,所以我们遵循它们的指导。我们测量不同位置的磁场,以确保它们低于ICNIRP的数字。我们做的是120千瓦,但是现在当我们达到300千瓦甚至更高的功率时,我们会越来越接近极限。所以,在我们去那里之前,我们决定做一些屏蔽工作来减少电磁辐射。

yabovip16.com技术简报:我读到你可以使用汽车作为能量存储装置,以将电源送回网格。你会怎么做?

ozpineci:所以,相反的事情反向。我们现在正在做的是从网格进入电池的电力。如果我们设计它是双向的,我们可以从电池中获取能量并将其发送回电网。

当在车辆线圈中接收到高频AC时,它被转换为DC。可以使用二极管整流器完成转换,但是您将没有任何控件。但是,如果使用受控整流器,则可以反向驱动它们以将直流电源转换为AC。然后,发射器侧和接收器侧的两个或多或少都是相同的,所以你可以通过任何方式发送电力。您甚至可以使用这些车辆系统来电源微电网。我们去年在UPS送货卡车上展示了20千瓦。

一些汽车制造商已经宣布,在紧急情况下,你可以从你的汽车中发送电力到你的家里使用——我们在几年前就承诺过,但现在看来,这是迟早会发生的。

这次采访的编辑版本出现在7月2021年技术简报问题yabovip16.com


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本文首次发表于2021年7月号yabovip16.com杂志。

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