La tasa de electrificación de la movilidad en las industrias o el transporte depende del despliegue de la infraestructura de carga. La solución existente, a saber, la carga conductiva, tiene varias preocupaciones en cuanto a seguridad, robustez y comodidad debido a la conexión de cables enormes, especialmente para una potencia más alta. Se promociona la carga inalámbrica para proporcionar una solución segura, limpia y autónoma.
¿Qué es la transferencia de energía inalámbrica e inductiva (IPT)?
El científico Nikola Tesla acuñó el término "Transferencia de energía inalámbrica" (WPT) y presentó un sistema sin contacto en 1893. Los principios fundamentales que rigen este la tecnología son la ley de Lenz y la ley de inducción de Michael Faraday. Hay muchos métodos mediante los cuales se puede emplear esto. El comercializado con más éxito (a bajos niveles de potencia) es la “Transferencia de potencia inductiva” (IPT). IPT utiliza campo cercano la tecnología donde la energía permanece dentro de una pequeña región del transmisor.
Finepower desarrolla soluciones para la transferencia de energía inalámbrica (inductiva) desde hace varios años. Ahora estamos ampliando esta tecnología al funcionamiento bidireccional junto con alta potencia, baja voltaje baterías en el proyecto de investigación BiLiA que está financiado por el Ministerio de Economía de Baviera y la organización de ejecución del proyecto VDI-VDE-I.
Sistema de bobina magnética IPT
La etapa de acoplamiento magnético es la parte más importante que decide el diseño de la electrónica de potencia, la eficiencia y la potencia transferible. En una aplicación típica como la carga de vehículos eléctricos, la bobina lateral secundaria se coloca en la parte inferior del vehículo. El lado de la bobina primaria se coloca en el suelo. Se garantiza que este conjunto tenga un flujo entre esas dos bobinas mediante el uso de ferrita y aluminio en los lados exteriores de cada bobina. También es posible apilar o dar forma a los bloques de ferrita. El espacio de aire entre las bobinas puede ser bastante grande, dependiendo de la distancia al suelo del vehículo. Esto conduce a una inductancia de fuga de dimensiones similares a la inductancia mutua. Cada bobina del sistema IPT puede tener formas circulares, rectangulares, solenoides, DD, DDQ, bipolares, etc. Las ventajas de cada sistema de bobina varían según la interoperabilidad, el tamaño, la fuga de flujo, las tolerancias de posición y la complejidad operativa. A mayores potencias, para reducir los amperios-vueltas (o fuerza magnetomotriz) se utiliza un devanado bifilar. La eficiencia de todo el sistema IPT está limitada por el factor de calidad nativo de las bobinas. Esto se puede aumentar usando un alambre Litz que reduzca cuidadosamente la piel y las pérdidas de proximidad tanto a nivel de haz como de hebra.
Figura 1: Diagrama de bloques de una estación de carga inductiva típica. La energía de la red se rectifica y se convierte en una señal de alta frecuencia utilizando PFC e inversor, respectivamente. Esta señal de corriente de alta frecuencia a través de la bobina primaria genera un flujo. De este modo, induciendo una voltaje a través de la secundaria. La señal se rectifica posteriormente para suministrar energía a una carga de batería de CC.
Figura 2: a) En el lado secundario se agrega un capacitor en serie Css. Un valor elegido correctamente puede cancelar la inductancia secundaria (ωLs) para mejorar la transferencia de potencia. La impedancia vista por Voc es puramente resistiva a esta frecuencia. Esto se usa típicamente en constante voltaje aplicaciones b) Un capacitor en paralelo que reemplace al de la serie es útil en aplicaciones de corriente constante. c+d) Tipo de compensación híbrida donde la serie y paralelo condensadores se puede ajustar también son posibles.
Optimización de resonancia circuito Maximiza la eficiencia
El modelo simplificado de un sistema de carga inductivo típico se muestra en la Figura 1. Un inversor de alta frecuencia (es decir, 80-90 kHz) después de que un PFC convierte la red rectificada voltaje en una onda cuadrada de CA que es necesaria para una transferencia de energía efectiva.
Esta corriente de alta frecuencia a través de la bobina primaria genera un flujo que induce una voltaje por el lado secundario. Este voltaje se llama abierto-circuito tensión (Voc), dada por la Ecuación 1 donde Ip es la corriente de la bobina primaria, M es la inductancia mutua y ω es la frecuencia angular.
Voc = jωMIp
Voc, cuando está conectado a una carga, entrega potencia y viene dado por la Ecuación 2 donde Rac es la resistencia de carga equivalente (La impedancia presentada por el rectificador activo y la carga al lado secundario.) Ls, es la inductancia secundaria.
P_ {fuera} = frac {V_ {2} ^ {oc} R_ {ac}} {R_ {2} ^ {ac} + (omega ^ {2} L_ {2} ^ {s})}
Utilizando el teorema de transferencia de potencia máxima con la Ecuación 2, la potencia de salida máxima se logra en Rac = ωLs. Agregar una serie condensador en la ecuación con 1/ωC2 para cancelar el término ωLs se puede duplicar la potencia máxima transferible. Pero en lugar de una serie también son posibles otras topologías de compensación. Pueden ser cualquier T (o n): red construida utilizando almacenamiento pasivo de energía. componentes. Algunas redes de sintonización simplificadas en el lado secundario se muestran en la Figura 2.
La potencia de salida del circuito también se puede escribir como en la Ecuación 3, donde Isc es la corriente del lado secundario en condiciones de cortocircuito y Q2 es el factor de calidad de la carga secundaria.
P_ {out} = V_ {oc} I_ {sc} Q_ {2} = frac {omega M ^ {2}} {L_ {s}} I_ {2} ^ {p} Q_ {2}
A partir de la Ecuación 3, la corriente de la bobina primaria se puede reducir aumentando Q2 y, por lo tanto, se reducen las pérdidas. Pero el ancho de banda del sistema se reducirá, dificultando la implementación del sistema de control. La clasificación de voltios-amperios requerida de la bobina secundaria también aumenta.
El flujo de energía bidireccional reduce los costos de la red
Para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, existe un fuerte impulso hacia las energías renovables. Principalmente energía solar y eólica. Pero los flujos de luz solar y viento son intermitentes y tales fluctuaciones pueden desestabilizar la red. Además, en la búsqueda de la independencia energética, muchas industrias están instalando sus propios sistemas. Esto se debe a la creciente facilidad de acceso a las tecnologías de energía renovable. Por ejemplo, los propietarios de flotas de automóviles, impulsados a electrificar sus vehículos, se beneficiarían de la generación (más barata) de su propia energía y, por lo tanto, instalarían sistemas de red o puntos de carga. Por otro lado, esto podría llevar a una creciente necesidad de grandes extensiones de tierra para cubrir las demandas de energía pico. Sin embargo, los sistemas de almacenamiento de redes inteligentes pueden reducir la potencia máxima requerida. Al almacenar energía durante los picos de disponibilidad y suministrarla cuando sea necesario, se puede gestionar el flujo de energía y se puede estabilizar la demanda externa de la red.
Debido a sus capacidades relativamente grandes, las baterías de vehículos eléctricos pueden considerarse elementos de almacenamiento de energía ideales para la estabilización de la red. Por lo tanto, los cargadores de baterías, incluidos los sistemas inalámbricos, deben mejorarse para proporcionar un funcionamiento bidireccional.
En la Figura 3 se muestra un modelo modificado del sistema IPT con funcionalidad bidireccional. En el modo directo, la energía fluye desde la red hasta una carga de batería. El bloque después del PFC actúa como un inversor que excita la bobina primaria. Se requiere un rectificador para convertir la energía CA de la bobina secundaria a una batería. Las funciones respectivas de estos bloques se intercambiarán, mientras estén en modo inverso. La elección del tipo de compensación y sus valores dependen de muchos criterios. Algunos de ellos se comentan a continuación:
Capacidad de control: el método de control común es el control principal. Este método controla el voltaje de salida del inversor de alta frecuencia (HF) como voltaje de entrada de la bobina primaria. De acuerdo con la Ecuación 4, es posible el control de voltaje o el control de fase. Donde Vdc es el voltaje de salida del PFC y α es el ángulo de fase.
V_ {in, rms} = frac {2sqrt {2}} {pi} V_ {dc} cosfrac {alpha} {2}
Funciones típicas de transferencia de voltaje de una compensación S (erial) -S (erial) y LC-LC Fig. 1.4. La posición de la bobina es fija entregando 1 kW y 5 kW. Los gráficos muestran los modos de avance y retroceso. El factor de calidad de la carga no debe ser demasiado alto, el rango de operación requerido puede exceder la especificación del inversor. Por otro lado, un factor de baja calidad no utilizará completamente el rango operativo disponible. Como puede verse en la respuesta de ganancia compensada LC-LC, la variación de la ganancia es baja. Y en la respuesta de avance SS, la división de polos ocurre a potencias más altas. Esto complica el diseño del sistema de control.
Figura 3: El sistema está en línea en la Figura 1, pero con doble operación posible para convertidores CC-CA y CA-CC. Esto permite la transferencia de energía bidireccional.
Figura 4: La CA puede obtener respuesta en ambas direcciones de potencia que se trazan para las compensaciones SS y LC-LC. Ambos se giran para operar a 85 kHz.
Figura 5: Respuesta de fase de entrada para verificar la posibilidad de operación de ZVS en ambos modos de energía
Las respuestas de fase de entrada correspondientes se representan en la Figura 5. La respuesta de fase comienza a aplanarse (en todo el rango operativo) en el SS hacia adelante, lo que limita el rango de ZVS disponible. Mientras que en el modo inverso, los cambios bruscos debidos a factores de alta calidad exigen mucha potencia reactiva. La misma tendencia se puede observar en LC-LC, pero con respuestas intercambiadas.
Simplicidad: al extender LC a la LCC de topología de serie parcial, se puede mejorar el factor de calidad que se adapta al control primario. Pero aumenta el costo y la complejidad debido a los componentes agregados. Además, el uso del mismo tipo de compensación en ambos lados mantiene la simetricidad y puede reducir los esfuerzos de diseño.
Impedancia reflejada: El componente reactivo de la impedancia reflejada produce resonancia. En la compensación parcial-paralela, siempre hay algún componente reactivo. Mientras que tanto la compensación SS como la LCC-LCC tendrían una reactancia reflejada cero cuando se operaran por debajo de la resonancia (excepto si hay un desplazamiento entre las bobinas). Si no se tiene cuidado, esto puede limitar el encendido suave de los transistores en algunos escenarios, reduciendo así la eficiencia operativa. El ajuste adaptativo puede ayudar a aliviar este problema. Con las técnicas de diseño adecuadas, se puede obtener una elección óptima de sintonía para garantizar el funcionamiento de ZVS en ambos modos en todas las posiciones.
En resumen, es necesario considerar todas las limitaciones para los modos de funcionamiento hacia adelante y hacia atrás desde el inicio del diseño de un sistema de carga inalámbrica bidireccional. El rendimiento se degradará si los parámetros de la bobina y el sistema de sintonización se seleccionan de la misma manera que para un diseño unidireccional. Por lo tanto, se necesita un enfoque de abajo hacia arriba para recopilar todos los requisitos y restricciones desde el principio para optimizar el sistema magnético mientras se consideran el costo y las limitaciones de la electrónica de potencia.
Finepower está ampliando continuamente las limitaciones técnicas de la carga inalámbrica y ayuda a los clientes a implementar de manera eficiente esta tecnología en sus respectivas aplicaciones.