Nature | 电动车与自动驾驶的普及，必须迈过补能技术的门槛

作者/ Sheldon S. Williamson:美国伊利诺伊理工学院电气工程硕士和荣誉博士、加拿大安大略理工大学工程与应用科学学院电气、计算机和软件工程学系教授，以及智能交通电气化和能源研究(STEER)小组主任。

编译 / Aaron 、曹锦

电动交通的形式已经越来越多样化。并在全球可持续发展的大背景下扮演着重要角色。从电动自行车、汽车到无人驾驶电动汽车、Robotruck，再到自动驾驶无人机，这些产品似乎都在显露着未来的某种趋势。

而来自加拿大安大略理工大学的Williamson教授认为，电动交通商业化的进一步成功，以及未来的全自动驾驶技术，将取决于电力电子技术的进步。

「这种技术在未来几年面临着许多挑战，特别是在电能存储系统的控制和智能充电系统的发展方面。 」

智能管理系统性能的提高

电动汽车电池的续航里程焦虑和寿命有限的问题尤其令人担忧。目前，动力电池仍存在容量损失问题，这种问题在寒冷(0℃以下)和炎热天气(40℃以上)中，以及快速充电场景下显得尤为突出。

为解决这一问题，电力电子领域已将全部精力集中在车载电池能量管理领域。这种能量管理的目的是使智能电力电子转换技术(也称为有源电池平衡)在电池级实现电压均衡。这种方式可将行驶里程延长两到三倍，而且只会增加1%到2%的电池组成本。

Williamson表示，目前业内通常会通过电路拓扑实现创新，其方式是将电路板上的电感值最小化(一种称为减少部件转换器的方法)。未来几年可能还会有进一步的发展，使电池平衡更加高效和廉价。

为电池的「第二次生命」铺路

在使用8到10年之后，动力电池通常会因为容量下降而退役，当其寿命结束时，回收这些电池原材料似乎是大多数人能想到的解决方案。

但事实上，这些电池还可以应用于其他领域。耗尽的电池可以保留70%左右的容量，因此可能适用于微电网和智能电网中的固定存储等应用。

一些公司最近开展了一些项目，以检验这种电池「第二生命」解决方案的可行性。然而，废旧电池的降解行为仍然是一个相对未知的问题。

在电池的第一次生命和第二次生命中进行适当的监测，对于验证第二次生命解决方案的技术可行性至关重要。比如，如果将几个不同容量的旧电池串联起来形成第二生命模块，可用能量就可以大大增加。

再经过深入研究后，研究者们认为不同容量和化学成分的电池可以安全使用，而且相互之间不会影响性能。但要建立这样的系统，需要新的方法来控制每个已用电池的电流，以监测电池容量的实时消耗。

目前基于机器学习技术的自适应控制策略，可以更准确地估计容量，并有潜力成为游戏规则的改变者，即将多种电池集为一个电池，形成电池的第二生命模块。

极快充电站何时能够普及？

城市、郊区甚至偏远地区都需要为电动汽车充电，这意味着电力研究人员在充电基础设施方面面临着许多挑战，包括可再生能源和固定电池储能的结合。

商用电动汽车目前配备车载充电器，从墙上的交流插座获取输入电源。此时，电池组充电所需的能量转换是在车辆上完成的。

另一方面，直流(DC)快速充电器最近已经商业化，能够做到将充电器和所有相关的电力设备移出汽车底盘，这正符合了未来的超高速充电器的需求。

基于SAE J1772标准的车载交流充电(1.44 kW - 166kw)和车外直流充电(80kw - 400kw)，一些学者对有线充电拓扑进行了深入研究。目前，全球通用的直流快速充电标准是CHAdeMO标准。该标准允许62.5 kW ~ 400 kW的功率输送

超快充电技术在过去三到四年出现，可提供超过400 kW的电力。这种技术旨在5分钟内为电动汽车充电，消除里程焦虑。该方法依赖于基于新型宽带隙半导体器件(如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)开关)的先进功率变转换器拓扑，以及新颖的系统级架构。

极快充电架构使用的是服务变压器，它可以将配电系统中使用的电压功率降低到终端用户所需的水平。

然而，这增加了系统的成本和大小，并使安装过程复杂化。随着技术的进一步发展，可以采用固态变压器技术来提高功率密度和效率。再加上电力转换拓扑、控制方案、保护装置、宽频带隙电力装置和数字控制器的进一步发展，极快充电站在未来几年内将越来越受欢迎。

 无线充电可降低「高容量电池」的必要性

考虑到自动驾驶汽车的潜力，几家充电设备公司已经开始探索车用无线充电器的应用。无线传输的概念可以追溯到一个多世纪前尼古拉·特斯拉的工作，而今天更是有一系列可用的方法:声功率传输、射频功率传输、光功率传输、电容功率传输和感应功率传输。

尽管这些技术可以根据其功率传输介质进行区分，但它们的系统配置都是相似的，主要由电源、负载、耦合器和一次/二次电子电路组成。

电动汽车的无线充电器可以由交流电或直流电供电，它们的负载通常是直流电，并在电动汽车电池组处结束。感应电力传输是目前制造无线充电器最流行的方法，它可以提供从几十瓦到几千瓦的输出功率级别，这种方法还允许气隙变化从几厘米扩至数米。

全自动无线充电器可以让电动汽车随时充电，这意味着充电速度更快，整体行驶距离也更长。

无线充电器技术具有很强的创新性，因为它具有固有的电隔离特性，可以通过电源和电动汽车电池之间的气隙进行电力传输，而不会有任何直接的电接触。

因此，充电点和电池端子之间的长电缆被消除了，消除了传统有线充电器的缺点，包括插电故障、跳闸危险以及由于电缆和连接器老化或腐蚀而导致的触电风险。

和插电技术一样，无线充电器可以部署在住宅车库、办公室和购物中心的停车场进行静态充电。它们也可以放置在公交车站和交通灯上，以实现准动态无线电力传输。

此外，动态无线充电(或动态充电)系统也可以安装在道路上，让电动汽车在行驶中充电，这可能会显著减少车载电池容量需求。

因为电力传输是通过电磁连接进行的，所以发射台可以埋在地下，以减轻极端天气条件的影响。然而，无线电力传输系统仍然需要改进，特别是在成本、部署、效率、基础设施、互操作性和磁场排放方面。

而解决这一问题的研究方案包括新型功率变换器拓扑、感应线圈设计、补偿网络拓扑、控制系统、电磁干扰屏蔽方法和智能通信。

作者简介：

Sheldon S. Williamson (Fellow, IEEE)， 1999年在印度孟买大学(University of Mumbai, Mumbai)获得电气工程学士学位(荣誉学位)，2002年和2006年分别在美国伊利诺伊理工学院(Illinois Institute of Technology, Chicago, IL, USA)获得电气工程硕士和博士学位(荣誉学位)。他目前是加拿大安大略理工大学工程与应用科学学院电气、计算机和软件工程学系教授，以及智能交通电气化和能源研究(STEER)小组主任。

原文链接：

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

关于Auto Byte

Auto Byte 为机器之心推出的汽车技术垂直媒体，关注自动驾驶、新能源、芯片、软件、汽车制造和智能交通等方向的前沿研究与技术应用，透过技术以洞察产品、公司和行业，帮助汽车领域专业从业者和相关用户了解技术发展与产业趋势。

欢迎关注标星，并点击右下角点赞和在看。

点击阅读原文，加入专业从业者社区，以获得更多交流合作机会及服务