鑽石舞台

作者/Sheldon S. Williamson:美國伊利諾伊理工學院電氣工程碩士和榮譽博士、加拿大安大略理工大學工程與應用科學學院電氣、計算機和軟件工程學系教授，以及智能交通電氣化和能源研究(STEER)小組主任。

編譯 / Aaron 、曹錦

電動交通的形式已經越來越多樣化。並在全球可持續發展的大背景下扮演着重要角色。從電動自行車、汽車到無人駕駛電動汽車、Robotruck，再到自動駕駛無人機，這些產品似乎都在顯露着未來的某種趨勢。

而來自加拿大安大略理工大學的Williamson教授認為，電動交通商業化的進一步成功，以及未來的全自動駕駛技術，將取決於電力電子技術的進步。

智能管理系統性能的提高

電動汽車電池的續航里程焦慮和壽命有限的問題尤其令人擔憂。目前，動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，以及快速充電場景下顯得尤為突出。

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

Williamson表示，目前業內通常會通過電路拓撲實現創新，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換器的方法)。未來幾年可能還會有進一步的發展，使電池平衡更加高效和廉價。

為電池的「第二次生命」鋪路

在使用8到10年之後，動力電池通常會因為容量下降而退役，當其壽命結束時，回收這些電池原材料似乎是大多數人能想到的解決方案。

但事實上，這些電池還可以應用於其他領域。耗盡的電池可以保留70%左右的容量，因此可能適用於微電網和智能電網中的固定存儲等應用。

一些公司最近開展了一些項目，以檢驗這種電池「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相對未知的問題。

在電池的第一次生命和第二次生命中進行適當的監測，對於驗證第二次生命解決方案的技術可行性至關重要。比如，如果將幾個不同容量的舊電池串聯起來形成第二生命模塊，可用能量就可以大大增加。

再經過深入研究後，研究者們認為不同容量和化學成分的電池可以安全使用，而且相互之間不會影響性能。但要建立這樣的系統，需要新的方法來控制每個已用電池的電流，以監測電池容量的實時消耗。

目前基於機器學習技術的自適應控制策略，可以更準確地估計容量，並有潛力成為遊戲規則的改變者，即將多種電池集為一個電池，形成電池的第二生命模塊。

極快充電站何時能夠普及？

城市、郊區甚至偏遠地區都需要為電動汽車充電，這意味着電力研究人員在充電基礎設施方面面臨着許多挑戰，包括可再生能源和固定電池儲能的結合。

商用電動汽車目前配備車載充電器，從牆上的交流插座獲取輸入電源。此時，電池組充電所需的能量轉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商業化，能夠做到將充電器和所有相關的電力設備移出汽車底盤，這正符合了未來的超高速充電器的需求。

基於SAE J1772標準的車載交流充電(1.44 kW - 166kw)和車外直流充電(80kw - 400kw)，一些學者對有線充電拓撲進行了深入研究。目前，全球通用的直流快速充電標準是CHAdeMO標準。該標準允許62.5 kW ~ 400 kW的功率輸送

超快充電技術在過去三到四年出現，可提供超過400 kW的電力。這種技術旨在5分鐘內為電動汽車充電，消除里程焦慮。該方法依賴於基於新型寬帶隙半導體器件(如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)開關)的先進功率變轉換器拓撲，以及新穎的系統級架構。

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

然而，這增加了系統的成本和大小，並使安裝過程複雜化。隨着技術的進一步發展，可以採用固態變壓器技術來提高功率密度和效率。再加上電力轉換拓撲、控制方案、保護裝置、寬頻帶隙電力裝置和數字控制器的進一步發展，極快充電站在未來幾年內將越來越受歡迎。

無線充電可降低「高容量電池」的必要性

考慮到自動駕駛汽車的潛力，幾家充電設備公司已經開始探索車用無線充電器的應用。無線傳輸的概念可以追溯到一個多世紀前尼古拉·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功率傳輸。

電動汽車的無線充電器可以由交流電或直流電供電，它們的負載通常是直流電，並在電動汽車電池組處結束。感應電力傳輸是目前製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別，這種方法還允許氣隙變化從幾厘米擴至數米。

全自動無線充電器可以讓電動汽車隨時充電，這意味着充電速度更快，整體行駛距離也更長。

無線充電器技術具有很強的創新性，因為它具有固有的電隔離特性，可以通過電源和電動汽車電池之間的氣隙進行電力傳輸，而不會有任何直接的電接觸。

因此，充電點和電池端子之間的長電纜被消除了，消除了傳統有線充電器的缺點，包括插電故障、跳閘危險以及由於電纜和連接器老化或腐蝕而導致的觸電風險。

和插電技術一樣，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進行靜態充電。它們也可以放置在公交車站和交通燈上，以實現准動態無線電力傳輸。

此外，動態無線充電(或動態充電)系統也可以安裝在道路上，讓電動汽車在行駛中充電，這可能會顯著減少車載電池容量需求。

因為電力傳輸是通過電磁連接進行的，所以發射台可以埋在地下，以減輕極端天氣條件的影響。然而，無線電力傳輸系統仍然需要改進，特別是在成本、部署、效率、基礎設施、互操作性和磁場排放方面。

而解決這一問題的研究方案包括新型功率變換器拓撲、感應線圈設計、補償網絡拓撲、控制系統、電磁干擾屏蔽方法和智能通信。

作者簡介：

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

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00710-w#auth-Sheldon_S_-Williamson