混合动力技术新能源汽车，耦合机构效率特性，以及应用及发展趋势
文丨八诞纪
编辑丨八诞纪
全电池是一种能将化学能转化为电能的电化学能源，全电池和电池一样，都有相似性和不同性。
由于相似性，这两个装置具有相似的结构，因此消耗燃料和氧化剂来进行化学反应，对于不同之处，电池将燃料和氧化剂储存在系统内，而燃料电池将这些材料储存在系统之外。
对于EV/HEV的应用，有四个很有前途的候选燃料，即碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）。
AFC被广泛认为是威廉·罗伯特·格罗夫爵士，提出的第一个实用燃料电池，典型的AFC使用纯氢、纯氧和循环电解质运行。
当PAFC发电时，它产生的水作为副产品作为，PEMFC采用固体聚合物形式的质子导电膜，有时也被称为离子交换膜燃料电池，或固体聚合物电解质燃料电池。
PEMFC以其高功率密度而闻名，它是20世纪60年代美国宇航局的双子座，太空项目中使用的第一个燃料电池。
为了提高膜的稳定性和使用寿命，这种燃料电池的工作温度通常保持在较低的水平，由于与其他燃料电池相比，它的工作温度相对较低，因此需要昂贵的铂金属作为化学反应的催化剂。
当PEMFC发电时，它产生的水和PAFC一样相似。
与其他使用氢作为主要燃料的燃料电池不同，DMFC则利用甲醇作为直接燃料。与使用氢气相比，使用甲醇存储更简单，系统更紧凑。
IMFC的行为与其他燃料电池类似，所有这些燃料电池都使用氢作为主要燃料，根据DMFC的设计情况。
为了评价燃料电池的性能，采用了四个主要的关键指标，即普通燃料、功率密度、温度和效率。
功率密度是每单位体积中一个完整的单元所产生的总功率，而温度是工作温度，典型的完整单元格之间的比较。
超电容器
电容器是一种简单的器件，有两个金属电极被电介质分离，而它可以在不同的场合存储和释放电子。
经典的电容器可分为两大类类型，即静电电容器和电解电容器，前者使用非电解材料作为介电组分，而后者使用电解材料作为介电组分。
尽管电解电容器的电容比静电电容高于静电电容，但两者仍远远不足以满足EV/HEV的应用，虽然电容器多年来一直遭受着低容量的困扰。
一种被称为超冷电容器的新技术已被发明出来，成为一种很有前途的解决方案。通常有两种主要类型的超电容器，即双层电容器和假电容器。
双层电容器的概念，允许电荷存储在电极表面与分离的电极和电解质，在纳米技术的技术突破之前，这个想法并不很流行。
在最新的纳米技术的支持下，电容电极可以基于高多孔材料进行开发，这种新的材料特性使双层电容器成为高电容。
需要注意的是，双层电容器的工作原理一般被认为是一个非法拉第过程，即与充放电过程没有化学反应。
伪电容是另一种具有类似的双层电容器思想，和拓扑结构的超电容，假电容在其界面上通过氧化还原反应和法拉第奇过程来区分自己，即化学反应与充放电过程有关。
由于伪电容器涉及法拉第奇过程，它通常比双层电容器提供更高的电容，和更高的能量密度，在电池、燃料电池、电容器、超冷电容器、汽油这四种主要电化学能源之间的比较。
无线充电基础设施
为了减少用户交互时的手动充电，消除电流连接，无线功率传输技术，提供了一种不引人注目的和无麻烦的充电方法，无论恶劣的环境。
此外，不需要机械移动充电电缆将特别促进自动无线充电技术，然后更具吸引力的公共交通与机会无线充电。
在WPT技术的几种耦合机制中，如感应耦合、电容耦合、磁动耦合、磁动力耦合和微波，基于磁共振耦合（MRC）的感应功率传输，被认为是最可行和最常用的无线EV充电应用。
固定式充电器的停车和充电
为了方便电动汽车的停车充电过程，IPT技术扩展为无插头，主线圈安装在车库或停车场，二次线圈安装在车辆上。
司机不需要担心那些笨重和危险的充电电缆，该系统的使用非常简单，一旦驾驶员正确停车电动汽车，充电过程就会自动进行。
这种无插头的PAC不仅增加了用户的便利性，而且还提供了一种克服充电插头标准化的方法。
基于磁谐振耦合，具有相同谐振频率的主线圈和二次线圈可以以高功率密度有效地无线传输功率，同时在车身或驾驶员等非谐振物体中耗散相对较少的能量。
PAC用WPT的最新研究和开发是活跃和多样化的，如补偿磁耦合器之间的错位，实现充电器与电动汽车之间的双向WPT，将功率传输和信息传输集成在同一通道内。
对于实际的PAC，磁性耦合器的设计对有效的WPT起着关键作用。
例如，利用螺旋绕组不均匀螺距的复合主垫，在大部分充电区域提供均匀的磁通密度，从而解决了错位的问题，与此同时，双相已开发出一次垫，可以与简单的二次垫互操作，实现大横向公差的功率传输。
由于电动汽车可以作为移动发电厂，以支持和稳定电网，汽车对电网（V2G）技术的发展是有前途的。
通过将WPT纳入V2G，已经开发了一个双向电源接口，以方便多辆电动汽车的同时充放电，近年来，为无线V2G开发了各种双向谐振逆变器，旨在提高功率水平、潮流控制和容错能力。
无线电动充电的线圈设计
收发机垫片作为WPT系统中的能量载流子，在发射和发射过程中起着重要的作用。
接收磁通量线、发射线圈设计和接收线圈设计的典型线圈，可在电动汽车侧用于停车和充电和移动和充电。
在WPT的早期发展中，矩形垫被提出了多年，它由四个圆角组成，这种拓扑结构主要改善了通量面积，并且可以减少边缘处的通量泄漏。
然而，效率低，总量大通量泄漏是不可缺少的，因此，通常可以根据具体要求进行发射线圈的设计。
为了促进低不情愿通量路径和减少通量泄漏，将铁氧体棒添加到线圈垫的背面，所示此外，在整个线圈的背面创建了一个铝板，以保持通量分布。
这种拓扑的优点是，结构容易建立对称通量分布围绕中心，然而，转移距离，即主通量高度，受到衬垫的尺寸的限制。
基于CP拓扑结构，提出了一种改进的拓扑结构DDP，其中双线圈中的电流方向相反，由于沿铁素体棒的平行场模式，通量路径可以变窄变高。
因此，可以高效地延长传输距离，然而当接收机垫板集中对齐以及CP拓扑时，这种拓扑表现出较差的互操作性特征。
为了克服这一互操作性问题，DDQP拓扑被设计为同时生成平行和垂直磁场，DDQP拓扑在DDP拓扑上额外放置一个线圈。
所示由于DDQP拓扑结构可以通过调节线圈电流，来产生极化场和非极化场，因此系统的灵活性高于其他拓扑结构。但缺点是线圈数量的增加，这导致了成本的增加。
与DDQP拓扑相比，引入了另一种高灵活性的拓扑BPP来生成平行和垂直场，其中两个线圈部分重叠，同时，通过消除一个线圈，降低了系统的复杂性和成本。
根据当前方向的不同操作，BPP拓扑可以在CRP模式、单线圈模式和DD模式下工作，因此，BPP拓扑结构可以有效地，实现适用于多模式二次衬垫的设计，在无线电动汽车充电方面具有巨大的潜力。
动态充电的移动和充电
与其停车或停车，电动汽车更喜欢在移动过程中进行无线充电，也就是说，一组动力发射器嵌入在道路下面（即所谓的充电区或车道），而一个接收器安装在电动汽车的底部。
这种移动-充电（MAC）技术具有从根本上解决，电动汽车长期问题的高潜力，即在电动汽车中不需要安装这么多的电池，从而大大降低了其初始成本。
电动汽车在行驶时可以方便地在充电区充电，从而自动扩大行驶范围，与PAC不同，MAC的系统配置更具挑战性。
安装在路面下的变送器可以是垫板或轨道设计，垫设计包括许多主垫，其中每个垫的尺寸等于或小于车辆的尺寸。
基于每段一个功率逆变器，可以使用功率开关和传感器分别激发一次衬垫，这些基于衬垫的发射机不可避免地涉及大量的主垫、电源逆变器或电源开关和传感器，投资成本巨大，安装复杂性高。
相比之下，轨道设计只涉及一个主轨或实际上是一个长主线圈，和一个电力逆变器来提供多个电动汽车，它比垫设计具有更低的投资成本和安装复杂性。
为了更灵活的可维护性和可扩展性，轨道设计通常采用分段巷道的布置，它使用一个功率逆变器供电多个电动汽车，它使用一个功率逆变器供电多个电动汽车。
由于具有从根本上解决电动汽车长期问题的潜力，MAC技术的研发一直势不可挡。
由KAIST开展的在线电动汽车（OLEV）项目，已经成功地实施了基于铁路的MAC系统，它解决了高频电流控制逆变器、连续功率传输、成本效益改进等各种MAC问题。
创新的线圈设计和道路施工技术，使OLEV在输出功率为60 kW、谐振频率为20 kHz时，OLEV的系统效率高达83%。
不同的使用导轨的磁性耦合器，已经被很好地开发出来用于移动和充电系统，如u型、e型、w型、i型和s型导轨。
由于电动汽车的移动性，基于垫的MAC系统的一次和次线圈之间的错位，不可避免地影响现有WPT技术的性能，提出了均匀WPT技术，该技术利用交替绕组设计，无间隙地组装一次线圈。
纵横二次线圈来提高获取能量的能力，特别是在线圈间隙区域，因此，可以有效提高基于垫的MAC系统的功率传输性能。
为了允许经授权的电动汽车执行充电和避免未经授权的电动汽车窃取无线电源，当它们在基于铁路的MAC系统上运行时，已经提出了能量加密技术。
故意调整工作频率以在预定义的频带上遵循预定义的序列，同时将主轨道同步调谐以使谐振频率与工作频率相匹配，从而对传输的能量进行加密。
当二次线圈根据安全密钥同步调谐到相同的谐振频率时，被授权EV可以接收所需的能量，否则，在不知道安全密钥的情况下，未经授权EV无法解密加密的能量或接收所需的能量。
结论
内燃机（ICE）车辆已经被广泛应用了100多年，而这些类型的车辆不能满足现代的要求，如高燃油效率和低碳排放。
电动汽车/混合动力汽车，被认为是解决与ICE车辆相关的问题，最可行的解决方案之一，在过去的几十年里受到了极大的关注。
参考文献：
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