• 从手持设备，移动机器人、无人机到汽车，飞机和轮船的下一代移动平台来讲，只有体积小，重量轻，具有成本效益且运行时间更长的供能系统，才能满足系统更具挑战性的项目的要求。同时，这些移动平台中的大多数都在朝着更深度电气化的方向发展，即电动化（E-Mobility）。本文中的电气移动化是指移动平台中能量转换系统的更多电气化。电动汽车为满足所需的能源系统目标提供了新的机遇，同时也提出了新的挑战。例如，以汽车为例，在混合动力电动汽车（HEV），插电式混合动力电动汽车（PHEV）和纯电动汽车中，基于内燃机（ICE）的常规动力总成系统被混合动力和全电动动力总成系统取代（EV）。电动动力总成不排放污染物，并且比常规动力总成更高效。例如，电动汽车的全轮驱动效率约为60％，而ICE汽车仅将约20％的汽油能量转换为运动能量。此外，与基于ICE的动力总成相比，电动动力总成可提供更好的加速性能并需要更少的维护成本。但是，电池的能量密度比汽油的能量密度低约两个数量级，这为移动平台实现完全电气化的道路造成了重大障碍。因此，混合动力解决方案已经成为实现电动汽车终极愿景的桥梁。PHEV动力总成的示意图如图1所示。将汽油高能量密度的优势与电气化动力总成的优势巧妙地结合在一起，以获得整体系统优势。自1997年以来，HEV已经实现了批量生产且近期数据表明也获得了不错的市场份额。另外，电动汽车的运行区间范围，成本和充电基础设施相关的技术挑战也逐步的成为了研究的热点问题，在这些领域内仍然需要大量工作。

• 图1 典型插电式混合动力汽车的动力总成

•  混合动力和全电动动力系统在海上得到了应用，最近推出了一种可扩展的柴电混合动力系统，称为SAVe Line系统。在船舶中引入电池可使发电机容量减少30%。在有限的时间内，该船可以在港口和敏感海域（如北冰洋）以零排放的电池单独模式运行。另外，全电动船舶也会在不久的将来出现。然而，由于电池容量有限和缺乏充电基础设施，其主要挑战是运行范围时长的问题。大型商用喷气机的温室气体排放量占美国交通部门温室气体排放总量的11%，因此，混合动力和全电动设计正在航空业中找到应用，为后石油时代做准备。然而，由于喷气燃料的比能量是现有最佳电池技术的40倍，因此存在着巨大的挑战。一种混合动力电动飞机E-Fan 1.2已经亮相。其他混合动力飞机系统也在开发中，其工作范围从100-700英里，有不同的座位数。空中出租车服务是一个新兴的概念，由于其优越的噪音特性，也可以从电动汽车中获得巨大的利益。除了储能方面的挑战外，能源系统的可靠性也是航空应用中一个非常重要的问题。

•      电气化移动平台的能源系统设计必须考虑到平台类型、利用概况、可用能源以及应用的独特要求。然而，由于许多移动平台都面临着共同的挑战，并且在紧凑、轻巧、低成本、长运行时间、距离范围和可靠的能源系统方面有着相同的需求。因此，通过在这些不同的应用中提取共同的优势和应用的特点，可以获得很多有益之处。本文的目的是回顾最新的电动汽车在应用上的最新发展以及确定需要重点研究的内容，并为研究人员开发下一代电动移动平台提供资源。

•     全电动移动平台由电机来驱动，这些电机由可充电电池组供电。现有电池技术的低能量密度和较长的充电时间是电动汽车面临的主要技术挑战。

A.高能量密度电池
•     电动动力系统的主要能源是由化学电池构成的，即所谓的可充电电池组。充电电池可以使用不同的电解质和电极材料组成不同类型的电池。最相关的配置有铅酸电池、镍镉电池（NiCd）、镍金属氢化物电池（NiMH）、锂离子电池（Li-ion）和锂离子聚合物电池（Li-ion polymer）。

•     ICE汽车中，铅酸蓄电池主要用于启动和作为辅助能源。在其他类型的电池中，每节2V的铅酸电池价格最低，比能量为30-50Wh/kg。两种镍基电池，即镍镉和镍氢，每节电池的电压为1.25 V，为移动技术提供了最安全的电池，镍镉电池的比能量为45-80 Wh/kg，镍氢电池的比能量为60-120 Wh/kg。镍氢电池一直被用作HEV的能源，但由于其高自放电率，正在被取代。锂离子电池的电芯电压为3.8 V，具有相对较高的比能量，即100-160 Wh/kg，加上其较高的电芯电压，要达到特定的额定电压需要较少的电芯，使得电池组比铅酸和镍基电池更轻。因此，锂离子电池被应用于许多便携式电子设备和电动汽车中。

•     电池系统一般都会布置一个复杂的电池管理系统(BMS)来监测和控制电池状态，以保证安全运行。同时，估测电池的充电状态(SOC)和健康状态(SOH)，并提供电池片平衡。通过BMS以确保电池组的工作温度在规定的范围内，单个电池的充电和放电速率在安全范围内，并符合电池的化学限制，从而确保电池的高性能和更长的使用寿命。BMS还可以防止SOC超过90%或低于20%，以限制电池系统的高充放电应力，否则会影响到电池寿命。电池的SOC无法直接测量，因此，实时估算SOC是BMS的主要任务之一。传统的SOC估计方法包括开路电压法和库仑计数法，开路电压法只适用于电池处于静止状态时，而库仑计数法则极易受到干扰而产生较大的测量误差积累。最先进的SOC估计算法主要是选择一个合适的电池模型，通过估计模型的参数来确定SOC。BMS的另一个重要任务是提供电量平衡。由于制造上的不一致和电池之间的温度分布不均，电池组中电池片之间的容量和电压不平衡是不可避免的。这些因素会导致电池片在经历更多的充放电周期后出现不对称的退化，随着老化产生更多的电池片不平衡。BMS可以通过无源元件或晶体管耗散SOC较高的电池中的多余电荷，或者使用DC-DC转换器等功率转换器在电池之间移动电荷，从而实现电池的平衡。

•     为了增加深度充电和放电循环的次数，锂离子电池技术的研究仍在进行中。然而，锂离子电池的理论比能量已达到387 Wh/kg的极限。此外，锂离子电池的充放电时间并不适合于关键的驾驶实例，如再生制动过程中能量回收导致的高电流率，这会加速电池单元的老化过程。因此，需要开发新的电池技术来实现更长的行驶里程。为此，基于固体电解质的锂电池，其特点是阴极采用液态或气态活性材料，如Li-Air和Li-Sulfur技术，以及采用固体聚合物电解质的全固态电池仍处于研究阶段。此外，通过BMS的电池平衡技术也有一定的局限性。通过电荷耗散进行电池片平衡是一个相当缓慢的过程，而使用DC-DC转换器进行平衡会增加电池组的重量。最后，锂离子电池在生产和处理过程中会排放二氧化碳和温室气体，对环境有负面影响。这种环境污染可以通过最先进的回收技术来减少，如水冶回收、热冶回收和直接回收。电池储能的一些缺点可以通过混合储能技术来缓解

•     储能技术在移动能源技术的快速发展中发挥着重要作用，并为混合储能方案创造了新时代。商业上可用的储能技术在许多方面都不成熟。实际上，尽管为改进不同的储能技术进行了广泛的研究，但预计将来将无法实现能够克服上一节中讨论的所有储能缺点的合适技术。因此，潜在的解决方案是采用混合能量存储系统（HESS）。具体来说，将两种或更多种异构储能技术结合起来，以利用每种储能技术的优势并弥补其相关的缺点。

图2 储能系统技术分类

A.混合能源存储技术
•     现有能量存储技术根据图2中存储的能量（电，机械和化学能量）的性质进行分类。每种技术都具有适合不同应用的独特特性。表1中提供了某些能量存储技术的核心特性。从表1中可以看出，能量存储技术可以归类为由大功率密度（W/l）定义的高功率存储技术，或以高能量密度（Wh/l）表示的高能量存储技术。高功率存储设备可以快速充电和放电，而高能量存储设备可以长时间运行，但动态速度较慢。高功率存储技术包括超导磁能存储（SMES），超级电容器和大功率电池。高能存储技术如下：抽水动力，燃料电池，压缩空气储能，飞轮和高能电池。此外，只有电池储能系统（BESS）足够成熟，可以同时包含在这两个类别中。例如，铅酸，镍镉，锂离子和钠硫（NaS）电池被视为高功率存储系统，钒氧化还原（VRB）和锌溴（ZnBr）型电池被归类为高能电池。在HESS中，高能量存储设备与高功率设备结合在一起。通过组合不同的技术，理论上可以实现多种HESS。

表一 储能系统的特征

•     据报道，对用于移动能源技术的HESS进行了一些调查，例如船舶动力系统，用于灾害事件的便携式微电网，个人EV，全电动飞机和公共电动公交车。BESS与SMES、BESS与超级电容器、BESS与氢燃料电池、超级电容器与氢燃料电池、超级电容器与氧化还原电池的集成，已经在文献中作为潜在的E-Mobility的HESS进行了研究。使用BESS /超级电容器HESS，已将BESS的寿命从5.7年提高到9.2年。与氢燃料电池储能系统相比，BESS，氢燃料电池和超级电容器的集成表现出了对瞬态功率需求的更快响应，缓解了BESS上的压力以及储能效率提高了8.5％。在电动汽车的BESS/超级电容器结构上进行的生命周期测试表明，通过平滑充电速率和降低BESS的峰值电流，可以延长BESS寿命。超级电容器可以在关键驱动情况下用作功率缓冲器。此外，已经证明超级电容器更适合在城市驾驶循环中接收再生制动功率，在这种情况下，再生可超过电动势的87％。因此，混合式储能技术可以使储能技术实现更长的运行周期，更长的使用寿命以及对瞬态条件的更快响应，从而促进移动能源系统的全面电气化。

B.混合能源存储的挑战

•     考虑到上述潜在的HESS配置，需要进一步研究灵活的硬件和软件，即自主控制，以及这些HESS方案的解决方案，以最大限度地减少移动系统所需的能量存储。这些有待解决的问题和挑战包括 (i) 通过先进的开关和控制方案，最大限度地利用模块化直流电源；(ii) 通过超级电容器缓解瞬态期间的脉冲负载和功率浪涌；(iii) 通过单个系统中的最佳和自适应控制方案，以及车辆和车辆与基础设施之间的网络协调；(iv) 实时热管理考虑，特别是基于电池的HESS；(v) 精确估计生命周期。这些方法将降低许多混合能源系统的成本和重量，包括(i)移动系统和工具，如电动汽车、无人机等，(ii)用于偏远地区的移动微电网，(iii)带有大功率雷达、脉冲武器的船舶和飞机等。

•     储能设备的补充需要充电器。移动平台的充电器大致可分为机载和机外充电器。本节讨论机载和非机载充电器的最新情况。

A.车载电池充电器电路拓扑

•     对于大多数PHEV用户而言，车载充电器是日常充电的首选解决方案。直接连接到交流电网可提供一种通用的充电站解决方案，该解决方案不取决于特定的电池化学性质或制造商。通过使用标准插头，通用充电站可以提供所需的交流连接到车载充电器。北美PHEV使用J1772连接器连接1级和2级车载充电器，额定电压为120V，1.5kW（20A连接时最大1.9kW），以及208-240V，3.3-7.2kW（对于80A连接可能的最大值为19.2kW，NEC 625）。大多数车载充电器的额定功率为3.3-6.6kW，与240V住宅布线的30A连接。

•     当前，车载充电器中的最新技术是在谐振拓扑中使用高频（HF）隔离变压器，以在车辆和电网之间提供所需的隔离。这种HF拓扑通常基于串联LC谐振拓扑以最大化效率，或者基于相移有源桥拓扑作为宽范围充电操作的替代解决方案。拓扑的示意图如图3所示。串联LC谐振解决方案是最常用的方法，并配备了前端升压功率因数校正器（PFC）转换器，以与电网连接。研究人员已经研究用优化的这种拓扑来提高效率，成本和体积等特定目标。这些拓扑中的一些包括具有前端PFC的谐振LC半桥和以不连续传导模式工作以降低磁性材料要求的输出降压转换器和具有全桥前端的双向LC谐振转换器接口支持车辆到电网以及从固定电池组直接充电。已经研究了其他谐振转换器以扩大充电器的工作范围，包括LLC谐振转换器，具有SEPIC前端PFC的LLC和具有交错输出级的LC-LLC双向转换器。相移双路和三路有源桥（PSDAB和PSTAB）转换器因其更简单的设计和更宽的工作范围而得到了利用。

图3 车载充电器常用的高频隔离级（a）相移调制拓扑（b）LC / LLC谐振转换器

•     宽带隙（WBG）技术的利用已进入车载充电器行业，以提高这些充电器的效率，同时减小无源元件的尺寸。特别是具有AEC-Q10x等级的氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）器件的商业化使这两种技术都适用于此应用。高压SiC器件广泛可用，并已集成在车载充电器中，例如LLC谐振转换器。研究人员利用6.6kW GaN基PSTAB来实现200 kHz的开关频率，以将HF变压器的尺寸减小到平面解决方案。

•     当前的车载充电器技术面临若干技术挑战和机遇。车载充电器的额定功率较低，可实现轻巧的设计。但是，这导致车辆充电时间长。为了保持具有较快充电功能的轻量化设计，研究者已经考虑了几种新的拓扑。研究了单级隔离式PFC，以实现更高的效率。电动汽车的推进系统已被重新用于快速充电。有文献提出了一种九相永磁电动机，以消除将推进系统重新用作电池充电器时在充电过程中产生的非零扭矩。但是，这些解决方案尚未商业化。PHEV和EV的大规模普及也将增加电网的峰值需求，特别是在未计划这一需求的配电网中。对高度渗透的居民区的高峰需求增加了2到4倍，这可能导致较低的电能质量和加速的设备损坏。车载充电器领域的一个机会是无线充电器的出现，它可以为住宅充电提供替代解决方案。

B.快速充电站

•     通过计划和管理高峰需求的快速充电站（FCS）进行车外充电可能是减少电动汽车对电网影响的关键。在这些解决方案中，通常会结合使用固态变压器（SST），以实现较小体积的隔离并直接连接12.4kV电网，而固定电池系统则可以实现需求曲线平滑。例如，正在研究来自12.4kV配电网的SST极快充电器的可行性，其中期望利用固定电池组来确保平稳的需求曲线。预计还将在北美发布有关3级交流充电器的标准。目前，北美2级充电器提供的额定功率为6.6kW。如果连接支持住宅变压器，则在使用80A电路时，此额定值可以提高到19.2kW。三相2级充电器可支持的最大额定功率为43kW，而日本已经为DC充电器制定了3级充电标准。此外，对于几百千瓦容量的超快速充电，最近的文章中提出了直流充电器。

•     另一方面，三级FCS体积庞大，安装，维护等制造成本高昂，并且如果不发展全面的国家收费基础设施是不可行的。随之而来的是，具有更大，功能更强的电池的长距离电动汽车将需要更大的充电站以加快充电时间。功能可以随需求轻松增长的FCS，从而降低电动汽车的投资成本。同时智能化管理车队加油，这要求FCS的模块化和可扩展功率转换架构及其能源管理策略的创新。然而，这种模块化和可扩展的FCS用于EV车队充电的扩展和部署加剧了对公用事业电网的不利影响。因为随着车站数量的增加，车队会同时进行充电。扩展现有解决方案以满足更高的要求，相当于安装了相同的站，这可能不是最有效和最具成本效益的解决方案。具有集成式电池存储系统的FCS充电架构可满足可扩展性，模块化，效率，低成本，同时具有从本地分布式发电（例如屋顶光伏（PV）面板）中获取能量的灵活性，可以最大程度地利用可利用的能源，同时最大程度地减少对公用电网的不利影响。

•     解决电动汽车中需要极快充电以及减少笨重而昂贵的电池的一种方法是，大幅减少车载储能，并在车辆行驶时将其无线地传递给车辆。与固定式充电器相比，通过减小电池尺寸，动态无线充电器最多可减少20％的安装成本。请注意，即使在考虑了动态充电所需的其他道路整修之后，这种成本降低也是有效的。无线充电使自主移动平台真正实现了自主，因为它们无需人工即可充电。

A.无线充电技术

•     如图4所示，近场（即非辐射）无线电力传输（WPT）系统有两种类型：感应式（使用导电线圈之间的磁场耦合）和电容式（使用导电板之间的电场耦合来传输能量）。对于在中距应用中，发射器和接收器耦合器之间的距离与耦合器的大小相当，如在EV充电中所见，电感式WPT系统通常是首选。在1990年代为材料处理应用完成的工作的基础上，在过去的十年中，用于电动汽车固定充电的感应式WPT技术取得了巨大进步。但是，对于磁通量的引导和屏蔽，电感式WPT系统需要铁氧体磁芯，这使其价格更高且体积更大。此外，为了限制铁氧体中的损耗，这些系统的工作频率保持在100 kHz以下，从而导致大线圈和低功率传输密度。对于动态充电，较高的成本和较低的功率传输密度尤其成问题，因为这些系统需要具有高功率能力，以在车辆经过充电线圈的短暂时间内向车辆传递足够的能量。尽管已经在实验系统得到了证明，动态感应充电仍未在商业上可行。电容式WPT系统具有优于感应系统的潜在优势，因为它减少了对电磁场屏蔽的需求。同样，由于电容式WPT系统不使用铁氧体，因此它们可以在更高的频率下工作，从而有可能变得更小，更便宜。因此，电容式WPT可以使动态EV充电成为现实。但是，由于道路和车辆导电板之间的电容很小，有效的功率传递只能在很高的频率下发生，这使得这些系统的设计极具挑战性。随着最近能够实现更高频率操作的宽带隙功率半导体器件的问世，大功率中程电容WPT系统正变得可行。

B.无线充电挑战

•     实现电动汽车有效动态充电所需的技术仍处于起步阶段。在实现无线电动汽车愿景之前，需要克服性能、成本和安全性相关的众多挑战。与电动汽车的动态充电相关的两个重大挑战是：（1）在满足电磁安全要求的同时实现高效率的高功率传输密度；（2）即使耦合器的相对位置发生变化，也要保持有效的功率传输。

图5：耦合变量和补偿这些变量的方法：（a）由于不同的车辆道路间隙而引起的耦合变化，（b）由于其在充电器上行驶而导致的车辆位置变化而引起的耦合变化，以及（c）电容无线带有有源可变电抗（AVR）整流器的电力传输（WPT）系统，可以通过控制电压V1和V2提供连续可变的补偿

•     通过设计可在更高频率下运行的系统，可以减小WPT系统中耦合器的尺寸，并增加功率传输密度。在电感系统中，较高频率的感应电压的增加补偿了较小线圈的互感减小，而在电容系统中，较高频率的位移电流的增加补偿了较小的板的较低电容。由于能量存储需求的减少，较高的工作频率还可以实现与WPT系统关联的较小功率电子设备。然而，在高开关频率下实现高效率非常具有挑战性。另外，在人和动物所占据的区域（例如车厢和底盘外围之外）中，WPT系统的边缘区域必须在安全水平内（由国际非电离辐射防护委员会定义）。这些要求可以通过提供适当电压和电流增益以及无功补偿的电路级来满足（参见图4）。这些电路级的设计是研究的活跃领域。除了无源屏蔽之外，还正在探索满足电磁场安全要求的有源技术。这些包括传统上用于雷达和其他远场应用中的波束成形的技术。使用多个相移WPT耦合器来减少边缘场的近场相控阵场聚焦方法为创新提供了许多机会。

•     为了实现有效的功率传输，WPT系统需要在接近耦合器和补偿网络电抗形成的谐振槽的谐振频率下工作。但是，耦合器的电抗取决于车辆的位置，速度和车辆的道路间隙，请参见图5。因此，这些因素影响发射和接收垫之间的有效功率传输。谐振频率和工作频率之间的漂移导致功率传输和WPT系统效率降低。在带宽不受限制的低于100 kHz的频率下工作的WPT系统中，处理耦合变化的传统方法是更改工作频率以跟踪谐振频率。但是，在高频WPT系统中，工作频率必须保持在指定的，限制性非常严格的工业，科学和医学（ISM）频带之一内（例如，6.78 MHz，13.56 MHz和27.12 MHz）。在低功率电感WPT系统中采用的一种解决方案是使用一组电容器，这些电容器可以切入和切出补偿网络，以在发射器和接收器相对移动时保持谐振频率大致不变。对于更高功率的WPT系统，这不是一种有效的方法，因为开关必须更大且更昂贵才能保持系统高效。这种方法也不太适合电容性WPT，因为它需要多个比电容器大的可切换补偿电感器。其他自适应阻抗匹配技术包括使用可饱和和可变电感器，以及在固定频率下工作时可补偿耦合变化的高频整流器和逆变器架构。其中包括图5所示的有源可变电抗（AVR）整流器。通过适当控制其两个耦合整流器的输出电压，AVR可以提供连续可变补偿，同时保持最佳软开关以确保高效率。这种补偿架构可确保WPT系统的输出功率在广泛的耦合变化中保持在固定水平，并且适用于电容式和电感式WPT系统。

•     高性能，安全且具有成本效益的动态EV充电具有彻底改变公路运输的潜力。作为其商业集成的第一步，SAE J4857标准定义了允许的频带，互操作性和安全性，以确保与汽车中其他电气设备的电磁兼容性以及对人体电磁场的安全暴露。电容式和电感式WPT的结合将使这场革命成为一个悬而未决的问题，并且这两个系统都为研究提供了巨大的机会