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电动汽车无线充电的设计考量

时间:2021-09-10 作者:Kirk Palmer 阅读:
许多业内人士都认为,掌握无线电力传输 (WPT) 技术是让电动汽车迅速普及的关键因素之一。充电便捷可以让驾驶EV成为更具吸引力和更方便的选择。但在行业完善无线充电EV的过程当中,安全和性能是始终需要考量的因素。
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随着电动汽车 (EV) 的逐步普及,世界变得更加互联,对电动汽车无线充电的需求也不断增长。事实上,许多业内人士都认为,掌握无线电力传输 (WPT) 技术是让电动汽车迅速普及的关键因素之一。充电便捷可以让驾驶EV成为更具吸引力和更方便的选择。但在行业完善无线充电EV的过程当中,安全和性能是始终需要考量的因素。

在WPT过程中,EV停在作为EV供电设备(EVSE)的无线充电板上。一旦EV和充电站连接,电力传输的过程就开始了,它无需有线连接,电力通过充电站和EV底部接收垫之间的磁共振场传输。连接之后,能量从交流电转换为直流电,再为EV电池充电。这个过程不仅高效,而且方便;当然,如果操作得当,也是安全的。

以无线方式相互连接的产品,例如EV和充电系统,通过设备和组件之间的数据交换、共享和解释来实现“交谈”。 要确保系统在充电环境中形成一个集成的生态系统,实现彼此之间的无缝通信,互操作性至关重要。

互操作性的考量因素

保证互操作性需要考虑多种因素以及评估。用模拟测试来有效评估规模、安全性和可靠性,同时也评估其他设备、干扰以及数据。而可用性实现“现实世界”中的最终应用和人类交互,可以确保在与其他连网产品、网络和整个物联网 (IoT) 基础设施互联时,产品能够满足消费者的期望。

性能验证是产品开发过程中最直接的评估之一。类似地,基准测试是参照同类产品进行评估。如果软件被更改,或开发过程中添加了新功能,则回归测试在确保软件能够继续执行方面发挥着关键作用。回归测试还可以在更新、增强和更改配置期间保障产品性能。最后,网络安全评估可确保产品的数据安全且不会对其他设备产生影响。

测试组件的互操作性可确保它们以一种安全的方式协同工作,而且不会以牺牲性能为代价。“计划、执行、检查、行动”评估法是信息安全管理系统用于网络安全评估的方法,它也为互操作性考量提供了一个有效框架。一旦确定了互操作性考量以及测试需求,就应制定一种方法,通过“计划、执行、检查、行动” 四阶段的系统来全面评估互操作性。

-计划:确认产品和/或其系统内的改进机会。利用这个信息,确认和减轻风险,制定行动计划,并有效解决问题。

-执行:在这个阶段将进行评价与评估,收集分析结果和数据,并记录问题和故障。无论是重新设计当前产品还是用于未来的项目和产品开发,保留此阶段的所有信息以备将来之需都非常重要。

-检查:审查和分析前几个阶段的结果,评估当前流程并确定故障原因。利用这些信息来确定是否实现了互操作性或是否进行了必要的改进,以及改进是否有效。同样与其他步骤一样,保留文档很重要。

-行动:根据前几个阶段的观察,对失效的部分进行修改并继续执行有效的方法。如果问题仍然存在,则返回前一个阶段,直到满足互操作性。继续重复该过程,直到产品充分满足互操作性要求。

EMC和安全性

除了互操作性之外,考虑对电磁干扰 (EMI) 和电磁场 (EMF) 的限制也很关键。在这个日益互联的世界中,我们可以假定电动汽车和充电站将经常遭遇来自其他设备的电磁场。确保一个电气/电子设备的磁场不会干扰附近另一个电气/电子设备的功能将非常重要。这意味着我们要确保EV和EVSE不会相互影响,或影响其他设备,而且也不会受到其他电子设备(例如手机、安全监测系统和医疗设备)的影响。

在产品开发阶段就应考虑EMC以降低其风险,从而降低最终产品中的EMI。还应进行评估,以确保电动汽车和无线充电系统相互之间,以及与其他电气和电子设备之间,都能够达到最佳的EMF范围、性能和功能。

其次,安全性考量对于EV中的相关充电组件、EVSE以及两者之间的接口至关重要。在WPT过程中,连接到电网的传输垫、车辆中的接收垫、车辆本身和EV电池,所有设备的供电都要考虑其安全性。确保电力被传输、能量被转换以及电池被正确安全地充电,这些都很重要,即使在极端炎热、寒冷以及雨雪等潮湿环境中也是如此。

设计人员和开发人员需要确保该过程不会对人身和财产造成电击、过热、火灾或其它伤害。设计产品以降低风险很重要,按照行业标准测试组件和成品也同样重要。在整个产品开发阶段进行评估对于确保安全性有着关键的作用,这将有助于降低重新设计和重新评估问题所导致的额外时间与成本。

为助力电动汽车无线充电的发展,国际自动机工程师学会(SAE International) 制定了第一个EV和EVSE规范全球标准。该组织于2020年10月推出SAE J2954,针对无需人工干预,安全高效地实现从电网到电动汽车之间的无线电力传输。它涵盖具有 11 kW 通用接地装配件的系统,用来保证互操作性、安全性、排放和有效的无线通信。

设计最佳实践

在设计和实施EV和EVSE中的无线充电技术时,开发早期就考虑互操作性、EMC和安全性将非常重要。了解现行的要求和标准对于确保产品合规,并满足消费者的需求和要求极其重要。从一开始就做这些考量将有助于避免产品重新设计和测试造成的时间延迟与成本增加。

其中许多考量因素还将有助于确保最佳性能,同时满足行业要求和客户需求。反过来,这也有助于确保产品的成功、品牌的建立以及制造商声誉的提高。设计制造功能良好、有效交互和通信,以及安全运行的产品也将有助于推动电动汽车的普及。高效且安全的无线充电选项将能够颠覆整个行业的未来。

关注行业需求与趋势,与团队合作,确保进行所有考量和评估,同时寻找高效合作伙伴,这样才能开发出创新产品并将其快速推向市场。

(参考原文:Design considerations for wirelessly charging Evs)

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

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