يعتمد معدل كهربة التنقل في الصناعات أو النقل على نشر البنية التحتية للشحن. يحتوي الحل الحالي ، أي الشحن الموصّل ، على العديد من الاهتمامات المتعلقة بالسلامة والمتانة والراحة بسبب توصيل الكابلات الضخمة ، خاصةً للحصول على طاقة أعلى. تم الترويج للشحن اللاسلكي لتوفير حل آمن ونظيف ومستقل.
ما هو نقل الطاقة اللاسلكي والاستقرائي (IPT)؟
ابتكر العالم نيكولا تيسلا مصطلح "نقل الطاقة اللاسلكي" (WPT) وقدم نظامًا بدون تلامس في عام 1893. المبادئ الأساسية التي تحكم ذلك التكنلوجيا هي قانون لينز وقانون مايكل فاراداي في الحث. هناك العديد من الطرق التي يمكن من خلالها توظيف ذلك. الأكثر نجاحًا تجاريًا (عند مستويات الطاقة المنخفضة) هو "نقل الطاقة الحثي" (IPT). يستخدم IPT المجال القريب التكنلوجيا حيث تبقى الطاقة ضمن منطقة صغيرة من جهاز الإرسال.
تقوم شركة Finepower بتطوير حلول لنقل الطاقة لاسلكيًا (حثيًا) منذ عدة سنوات. الآن نقوم بتوسيع هذه التكنولوجيا إلى التشغيل ثنائي الاتجاه بالتزامن مع الطاقة العالية والمنخفضة الجهد االكهربى بطاريات في مشروع البحث BiLiA الذي تموله وزارة الاقتصاد البافارية ومنظمة تنفيذ المشروع VDI-VDE-I.
نظام الملف المغناطيسي IPT
تعد مرحلة الاقتران المغناطيسي أهم جزء في تحديد تصميم إلكترونيات الطاقة والكفاءة والطاقة القابلة للتحويل. في تطبيق نموذجي مثل شحن السيارة الكهربائية ، يتم توصيل الملف الجانبي الثانوي على الجانب السفلي من السيارة. يتم وضع جانب الملف الأساسي على الأرض. يضمن هذا التجميع التدفق بين هذين الملفين باستخدام الفريت و الألومنيوم على الجوانب الخارجية لكل ملف. من الممكن أيضًا تكديس أو تشكيل كتل الفريت. يمكن أن تكون الفجوة الهوائية بين الملفات كبيرة جدًا ، اعتمادًا على الخلوص الأرضي للمركبة. هذا يؤدي إلى تحريض التسرب بأبعاد مماثلة مثل الحث المتبادل. يمكن أن يكون لكل ملف في نظام IPT أشكال دائرية ، مستطيلة ، ملف لولبي ، DD ، DDQ ، ثنائي القطب ، إلخ. تختلف مزايا كل نظام ملف باختلاف قابلية التشغيل البيني والحجم وتسرب التدفق والتفاوتات الموضعية والتعقيد التشغيلي. في القوى الأعلى ، لتقليل الأمبير (أو القوة الدافعة المغناطيسية) ، يتم استخدام لف ثنائي الطور. كفاءة نظام IPT بأكمله محدودة بعامل الجودة الأصلي للملفات. يمكن زيادة ذلك باستخدام سلك Litz الذي يقلل بعناية الجلد وخسائر القرب على مستوى الحزمة والحبال.
الشكل 1: رسم تخطيطي لمحطة شحن حثي نموذجية. يتم تصحيح طاقة الشبكة وتحويلها إلى إشارة عالية التردد باستخدام PFC والعاكس ، على التوالي. هذه الإشارة الحالية عالية التردد من خلال الملف الأساسي تولد تدفقًا. وبالتالي ، فإن إحداث أ الجهد االكهربى عبر الثانوية. يتم تصحيح الإشارة لاحقًا لتوصيل الطاقة إلى حمل بطارية DC.
الشكل 2: أ) على الجانب الثانوي ، يضاف مكثف متسلسل Css. يمكن للقيمة المختارة بشكل صحيح إلغاء الحث الثانوي (ωLs) لتحسين نقل الطاقة. المقاومة التي يراها Voc هي مقاومة بحتة عند هذا التردد. يستخدم هذا عادة بشكل ثابت الجهد االكهربى التطبيقات. ب) المكثف المتوازي الذي يحل محل السلسلة الأولى مفيد في تطبيقات التيار المستمر. ج + د) نوع التعويض الهجين حيث تكون السلسلة ومتوازية المكثفات يمكن تعديلها ممكنة أيضًا.
تحسين الرنين الدارة الكهربائية يزيد من الكفاءة
يظهر النموذج المبسط لنظام الشحن الاستقرائي النموذجي في الشكل 1. عاكس عالي التردد (أي 80-90 كيلو هرتز) بعد أن يحول PFC الشبكة المعدلة الجهد االكهربى إلى موجة مربعة تيار متردد وهو أمر ضروري لنقل الطاقة بشكل فعال.
هذا التيار عالي التردد من خلال الملف الأساسي يولد تدفقًا يحفز a الجهد االكهربى عبر الجانب الثانوي. هذا الجهد االكهربى يسمى مفتوح-الدارة الكهربائية الجهد (Voc) ، المعطى بواسطة المعادلة 1 حيث Ip هو تيار الملف الأساسي ، M هو الحث المتبادل ، ω هو التردد الزاوي.
Voc = jωMIp
Voc ، عند توصيله بحمل يسلم الطاقة ويتم إعطاؤه بواسطة المعادلة 2 حيث يكون Rac هو مقاومة الحمل المكافئة (الممانعة التي يقدمها المعدل النشط والحمل إلى الجانب الثانوي.) Ls ، هو الحث الثانوي.
P_ {out} = frac {V_ {2} ^ {oc} R_ {ac}} {R_ {2} ^ {ac} + (omega ^ {2} L_ {2} ^ {s})}
باستخدام نظرية نقل الطاقة القصوى مع المعادلة 2، يتم تحقيق الحد الأقصى لطاقة الخرج عند Rac = ωLs. إضافة سلسلة مكثف في المعادلة مع 1/ωC2 لإلغاء المصطلح ωLs يمكن مضاعفة الحد الأقصى للطاقة القابلة للتحويل. ولكن بدلاً من السلسلة، من الممكن أيضًا استخدام طبولوجيا تعويض أخرى مختلفة. يمكن أن تكون أي شبكة T (أو n) مبنية باستخدام تخزين الطاقة السلبي مكونات. يتم عرض بعض شبكات الضبط المبسطة على الجانب الثانوي في الشكل 2.
انتاج الطاقة من الدارة الكهربائية يمكن أيضًا كتابتها كما في المعادلة 3 ، حيث يمثل Isc تيار الجانب الثانوي تحت حالة ماس كهربائى و Q2 هو عامل جودة الحمل الثانوي.
P_ {out} = V_ {oc} I_ {sc} Q_ {2} = frac {omega M ^ {2}} {L_ {s}} I_ {2} ^ {p} Q_ {2}
من المعادلة 3 ، يمكن تقليل إيجار الملف الأولي بزيادة Q2 وبالتالي تقليل الخسائر. ولكن سيتم تقليل عرض النطاق الترددي للنظام ، مما يجعل تنفيذ نظام التحكم أكثر صعوبة. يزداد أيضًا تصنيف فولت أمبير المطلوب للملف الثانوي.
يقلل تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه من تكاليف الشبكة
للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، هناك دفعة قوية نحو مصادر الطاقة المتجددة. أبرزها الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. لكن أشعة الشمس وتدفقات الرياح متقطعة ويمكن لهذه التقلبات أن تزعزع استقرار الشبكة. أيضًا ، في السعي وراء استقلالية الطاقة ، تقوم العديد من الصناعات بتركيب أنظمتها الخاصة. ويرجع ذلك إلى زيادة سهولة الوصول إلى تقنيات الطاقة المتجددة. على سبيل المثال ، سيستفيد مالكو أساطيل السيارات ، الذين يدفعون إلى كهربة سياراتهم ، من توليد الطاقة (الأرخص) وبالتالي تثبيت أنظمة الشبكة أو نقاط الشحن. من ناحية أخرى ، قد يؤدي ذلك إلى زيادة الحاجة إلى مساحة أرضية كبيرة لتغطية متطلبات الطاقة القصوى. ومع ذلك ، يمكن لأنظمة تخزين الشبكة الذكية أن تقلل من طاقة الذروة المطلوبة. من خلال تخزين الطاقة أثناء ذروة التوافر وتزويدها عند الحاجة ، يمكن إدارة تدفق الطاقة ويمكن استقرار الطلب الخارجي من الشبكة.
نظرًا للقدرات الكبيرة نسبيًا ، يمكن اعتبار بطاريات السيارات الكهربائية عناصر تخزين طاقة مثالية لتثبيت الشبكة. لذلك ، يجب تحسين أجهزة شحن البطاريات بما في ذلك الأنظمة اللاسلكية لتوفير التشغيل ثنائي الاتجاه.
يظهر نموذج معدل لنظام IPT بوظيفة ثنائية الاتجاه في الشكل 3 في الوضع الأمامي ، تتدفق الطاقة من الشبكة إلى حمل البطارية. تعمل الكتلة بعد PFC كعاكس يثير الملف الأساسي. المقوم مطلوب لتحويل طاقة التيار المتردد من الملف الثانوي إلى بطارية. سيتم تبادل الوظائف الخاصة بهذه الكتل ، بينما في الوضع العكسي. يعتمد اختيار نوع التعويض وقيمه على العديد من المعايير. وبعض منها تناقش أدناه:
القدرة على التحكم: طريقة التحكم الشائعة هي التحكم الأساسي. تتحكم هذه الطريقة في جهد خرج العاكس عالي التردد (HF) كجهد إدخال أساسي للملف. وفقًا للمعادلة 4 ، يمكن التحكم في الجهد أو التحكم في الطور. حيث Vdc هو جهد خرج PFC و α هي زاوية المرحلة.
V_ {in، rms} = frac {2sqrt {2}} {pi} V_ {dc} cosfrac {alpha} {2}
الشكل 1.4. تم إصلاح موضع الملف بإيصال 1 كيلو وات و 5 كيلو وات. تظهر المؤامرات كلا من الوضعين الأمامي والخلفي. يجب ألا يكون عامل جودة التحميل مرتفعًا جدًا ، حيث يمكن أن يتجاوز نطاق التشغيل المطلوب مواصفات العاكس. من ناحية أخرى ، فإن عامل الجودة المنخفض لن يستفيد بشكل كامل من نطاق التشغيل المتاح. كما يمكن رؤيته في استجابة الكسب المعوض LC-LC ، يكون تباين الكسب منخفضًا. وفي استجابة SS الأمامية ، يحدث انقسام العمود عند قوى أعلى. هذا يعقد تصميم نظام التحكم.
الشكل 3: النظام خط في الشكل 1 ، ولكن مع إمكانية التشغيل المزدوج لكل من محولات DC-AC و AC-DC. هذا يسمح بنقل الطاقة ثنائي الاتجاه.
الشكل 4: يمكن أن يكتسب التيار المتردد استجابة في كلا الاتجاهين اللذين يتم رسمهما من أجل تعويضات SS و LC-LC. تم تشغيل كلاهما للعمل عند 85 كيلو هرتز.
الشكل 5: استجابة مرحلة الإدخال للتحقق من إمكانية تشغيل ZVS في كلا وضعي الطاقة
تم رسم استجابات مرحلة الإدخال المقابلة في الشكل 5. تبدأ استجابة المرحلة في التسطيح (عبر نطاق التشغيل) في SS للأمام ، مما يحد من نطاق ZVS المتاح. بينما في الوضع العكسي ، تتطلب التغييرات الحادة بسبب عوامل الجودة العالية الكثير من الطاقة التفاعلية. يمكن ملاحظة نفس الاتجاه في LC-LC ، ولكن مع الاستجابات المتبادلة.
البساطة: من خلال توسيع LC إلى طوبولوجيا السلسلة الجزئية LCC ، يمكن تحسين عامل الجودة الذي يناسب التحكم الأساسي. لكنه يزيد من التكلفة والتعقيد بسبب المكونات المضافة. كما أن استخدام نفس نوع التعويض على كلا الجانبين يحافظ على التناسق ويمكن أن يقلل من جهود التصميم.
المعاوقة المنعكسة: المكون التفاعلي لرنين تأثيرات المعاوقة المنعكسة. في التعويض الجزئي المتوازي ، هناك دائمًا بعض المكونات التفاعلية. في حين أن كلاً من تعويض SS و LCC-LCC سيكون له مفاعلة منعكسة صفرية عند تشغيله تحت الرنين (إلا إذا كان هناك إزاحة بين الملفات). إذا لم يتم توخي الحذر ، فقد يؤدي ذلك إلى الحد من التشغيل الناعم للترانزستورات في بعض السيناريوهات ، وبالتالي تقليل الكفاءة التشغيلية. يمكن أن يساعد الضبط التكيفي في التخفيف من هذه المشكلة. باستخدام تقنيات التصميم المناسبة ، يمكن الحصول على الاختيار الأمثل للضبط لضمان تشغيل ZVS في كلا الوضعين عبر المواضع.
لتلخيص ذلك ، من الضروري مراعاة جميع القيود المفروضة على أوضاع التشغيل الأمامية والخلفية من بداية تصميم نظام الشحن اللاسلكي ثنائي الاتجاه. سينخفض الأداء إذا تم اختيار معلمات الملف ونظام الضبط بنفس الطريقة المستخدمة في التصميم أحادي الاتجاه. لذلك ، هناك حاجة إلى نهج تصاعدي لتجميع جميع المتطلبات والقيود من البداية لتحسين النظام المغناطيسي مع مراعاة التكلفة والقيود المفروضة على إلكترونيات الطاقة.
تعمل Finepower باستمرار على توسيع القيود التقنية للشحن اللاسلكي وتدعم العملاء لتنفيذ هذه التقنية بكفاءة في تطبيقاتهم الخاصة.