Le taux d'électrification de la mobilité dans les industries ou le transport dépend du déploiement de l'infrastructure de recharge. La solution existante, à savoir la charge conductrice, présente plusieurs soucis de sécurité, de robustesse et de confort du fait du branchement d'énormes câbles, notamment pour une puissance plus élevée. Le chargement sans fil est censé fournir une solution sûre, propre et autonome.
Qu'est-ce que le transfert de puissance sans fil et inductif (IPT)?
Le scientifique Nikola Tesla a inventé le terme «Wireless Power Transfer» (WPT) et a présenté un système sans contact en 1893. Les principes fondamentaux qui régissent ce sans souci sont la loi de Lenz et la loi d'induction de Michael Faraday. Il existe de nombreuses méthodes par lesquelles cela peut être utilisé. Le plus commercialisé avec succès (à faibles niveaux de puissance) est le « transfert de puissance inductif » (IPT). L'IPT utilise le champ proche sans souci où l'énergie reste dans une petite région de l'émetteur.
Finepower développe des solutions de transfert d'énergie sans fil (inductif) depuis plusieurs années. Maintenant, nous étendons cette technologie au fonctionnement bidirectionnel en conjonction avec une puissance élevée, faible Tension batteries dans le projet de recherche BiLiA qui est financé par le ministère bavarois de l'Économie et l'organisation d'exécution du projet VDI-VDE-I.
Système de bobine magnétique IPT
L'étape de couplage magnétique est la partie la plus importante pour décider de la conception de l'électronique de puissance, de l'efficacité et de la puissance transférable. Dans une application typique de chargement de véhicule électrique, la bobine latérale secondaire est fixée sur le côté inférieur du véhicule. Le côté bobine primaire est posé sur le sol. Cet assemblage est assuré d'avoir un flux entre ces deux bobines en utilisant de la ferrite et aluminium sur les côtés extérieurs de chaque bobine. L'empilement ou la mise en forme des blocs de ferrite est également possible. L'entrefer entre les bobines peut être assez grand, en fonction de la garde au sol du véhicule. Cela conduit à une inductance de fuite de dimensions similaires à l'inductance mutuelle. Chaque bobine du système IPT peut avoir des formes circulaires, rectangulaires, solénoïdes, DD, DDQ, bipolaires, etc. Les avantages de chaque système de bobine varient selon l'interopérabilité, la taille, la fuite de flux, les tolérances de position et la complexité opérationnelle. À des puissances plus élevées, pour réduire les ampères-tours (ou la force magnétomotrice), un enroulement bifilaire est utilisé. L'efficacité de l'ensemble du système IPT est limitée par le facteur de qualité natif des bobines. Cela peut être augmenté en utilisant un fil Litz en réduisant soigneusement les pertes de peau et de proximité au niveau du faisceau et du brin.
Figure 1 : Schéma fonctionnel d'une station de charge inductive typique. La puissance du réseau est redressée et convertie en un signal haute fréquence à l'aide du PFC et de l'onduleur, respectivement. Ce signal de courant à haute fréquence à travers la bobine primaire génère un flux. Induisant ainsi une Tension à travers le secondaire. Le signal est ensuite redressé pour fournir de l'énergie à une charge de batterie CC.
Figure 2 : a) Du côté secondaire, un condensateur série Css est ajouté. Une valeur bien choisie peut annuler l'inductance secondaire (ωLs) pour améliorer le transfert de puissance. L'impédance vue par Voc est purement résistive à cette fréquence. Ceci est généralement utilisé en constante Tension applications. b) Un condensateur parallèle remplaçant celui en série est utile dans les applications à courant constant. c+d) Type de compensation hybride où la série et le parallèle Condensateurs réglables sont également possibles.
Optimiser la résonance circuit Maximise l'efficacité
Le modèle simplifié d'un système de charge inductive typique est illustré à la figure 1. Un onduleur haute fréquence (c'est-à-dire 80-90 kHz) après qu'un PFC convertit le réseau redressé Tension en une onde carrée AC qui est nécessaire pour un transfert de puissance efficace.
Ce courant haute fréquence à travers la bobine primaire génère un flux induisant une Tension sur le côté secondaire. Ce Tension est appelé ouvert-circuit tension (Voc), donnée par l'équation 1 où Ip est le courant de la bobine primaire, M est l'inductance mutuelle et ω est la fréquence angulaire.
Voc = jωMIp
Voc, lorsqu'il est connecté à une charge fournit de l'énergie et est donné par l'équation 2 où Rac est la résistance de charge équivalente (l'impédance présentée par le redresseur actif et la charge sur le côté secondaire.) Ls, est l'inductance secondaire.
P_ {out} = frac {V_ {2} ^ {oc} R_ {ac}} {R_ {2} ^ {ac} + (omega ^ {2} L_ {2} ^ {s})}
En utilisant le théorème de transfert de puissance maximale avec l'équation 2, la puissance de sortie maximale est atteinte à Rac = ωLs. Ajouter une série condensateur dans l'équation avec 1/ωC2 pour annuler le terme ωLs peut doubler la puissance maximale transférable. Mais au lieu d'une série, différentes autres topologies de compensation sont également possibles. Il peut s'agir de n'importe quel réseau T (ou n) construit à l'aide du stockage d'énergie passif. composants électriques . Certains réseaux de réglage simplifiés du côté secondaire sont illustrés à la figure 2.
La puissance de sortie du circuit peut également être écrit comme dans l'équation 3, où Isc est le courant du côté secondaire dans des conditions de court-circuit et Q2 est le facteur de qualité de charge secondaire.
P_ {out} = V_ {oc} I_ {sc} Q_ {2} = frac {omega M ^ {2}} {L_ {s}} I_ {2} ^ {p} Q_ {2}
D'après l'équation 3, le courant de la bobine primaire peut être réduit en augmentant Q2 et ainsi, réduit les pertes. Mais la bande passante du système sera réduite, ce qui rendra la mise en œuvre du système de contrôle plus difficile. La tension nominale requise de la bobine secondaire augmente également.
Le flux d'énergie bidirectionnel réduit les coûts du réseau
Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, il y a une forte poussée vers les énergies renouvelables. Énergie solaire et éolienne principalement. Mais la lumière du soleil et les flux de vent sont intermittents et de telles fluctuations peuvent déstabiliser le réseau. En outre, dans la poursuite de l'indépendance énergétique, de nombreuses industries installent leurs propres systèmes. Cela est dû à la facilité d'accès croissante aux technologies des énergies renouvelables. Par exemple, les propriétaires de flottes de voitures, poussés à électrifier leurs véhicules, bénéficieraient de la production (moins chère) de leur propre électricité et installeraient donc des systèmes de réseau ou des points de recharge. D'un autre côté, cela pourrait conduire à un besoin croissant de grands espaces terrestres pour couvrir les demandes de puissance de pointe. Cependant, les systèmes de stockage sur réseau intelligent peuvent réduire la puissance de pointe requise. En stockant l'énergie pendant les pics de disponibilité et en la fournissant en cas de besoin, le flux d'énergie peut être géré et la demande externe du réseau peut être stabilisée.
En raison de capacités relativement importantes, les batteries de véhicules électriques peuvent être considérées comme des éléments de stockage d'énergie idéaux pour la stabilisation du réseau. Par conséquent, les chargeurs de batterie, y compris les systèmes sans fil, devraient être améliorés pour offrir un fonctionnement bidirectionnel.
Un modèle modifié du système IPT avec une fonctionnalité bidirectionnelle est illustré à la figure 3. En mode direct, l'énergie circule du réseau vers une charge de batterie. Le bloc après le PFC agit comme un inverseur excitant la bobine primaire. Un redresseur est nécessaire pour convertir le courant alternatif de la bobine secondaire en batterie. Les fonctions respectives de ces blocs seront interchangées, en mode inverse. Le choix du type de compensation et ses valeurs dépendent de nombreux critères. Certains d'entre eux sont décrits ci-dessous:
Contrôlabilité: La méthode de contrôle commune est le contrôle principal. Cette méthode contrôle la tension de sortie de l'onduleur haute fréquence (HF) comme tension d'entrée de la bobine primaire. Selon l'équation 4, une commande de tension ou une commande de phase est possible. Où Vdc est la tension de sortie PFC et α est l'angle de phase.
V_ {in, rms} = frac {2sqrt {2}} {pi} V_ {dc} cosfrac {alpha} {2}
Fonctions de transfert de tension typiques d'une compensation S (erial) -S (erial) et LC-LC Fig. 1.4. La position de la bobine est fixe délivrant 1 kW et 5 kW. Les graphiques montrent les modes avant et arrière. Le facteur de qualité de charge ne doit pas être trop élevé, la plage de fonctionnement requise peut dépasser les spécifications de l'onduleur. D'un autre côté, un facteur de qualité faible n'utilisera pas pleinement la plage de fonctionnement disponible. Comme on peut le voir dans la réponse de gain compensée LC-LC, la variation du gain est faible. Et dans la réponse avant SS, la division des pôles se produit à des puissances plus élevées. Cela complique la conception du système de contrôle.
Figure 3: Le système est en ligne sur la figure 1, mais avec un double fonctionnement possible pour les convertisseurs DC-AC et AC-DC. Cela permet un transfert de puissance bidirectionnel.
Figure 4: La réponse CA peut gagner dans les deux directions de puissance sont tracées pour les compensations SS et LC-LC. Les deux sont tournés pour fonctionner à 85 kHz.
Figure 5: Réponse de phase d'entrée pour vérifier la possibilité de fonctionnement du ZVS dans les deux modes de puissance
Les réponses de phase d'entrée correspondantes sont tracées sur la figure 5. La réponse de phase commence à s'aplatir (sur toute la plage de fonctionnement) dans le SS direct, limitant la plage ZVS disponible. Alors qu'en mode inverse, les changements brusques dus à des facteurs de haute qualité exigent beaucoup de puissance réactive. La même tendance peut être observée dans LC-LC, mais avec des réponses interchangées.
Simplicité: en étendant LC à la topologie de la série partielle LCC, le facteur de qualité peut être amélioré en fonction du contrôle principal. Mais cela augmente le coût et la complexité en raison des composants ajoutés. L'utilisation du même type de compensation des deux côtés maintient la symétrie et peut réduire les efforts de conception.
Impédance réfléchie: La composante réactive de l'impédance réfléchie affecte la résonance. En compensation partielle-parallèle, il y a toujours un composant réactif. Alors que la compensation SS et LCC-LCC aurait une réactance réfléchie nulle lorsqu'elle fonctionnait en dessous de la résonance (sauf s'il y a un décalage entre les bobines). Si des précautions ne sont pas prises, cela peut limiter la mise sous tension douce des transistors dans certains scénarios, réduisant ainsi l'efficacité opérationnelle. Le réglage adaptatif peut aider à résoudre ce problème. Avec des techniques de conception appropriées, un choix optimal de réglage peut être obtenu pour assurer le fonctionnement du ZVS dans les deux modes sur toutes les positions.
Pour résumer, il est nécessaire de considérer toutes les contraintes pour les modes de fonctionnement avant et arrière dès le début de la conception d'un système de charge sans fil bidirectionnel. Les performances se dégraderont si les paramètres de la bobine et le système de réglage sont sélectionnés de la même manière que pour une conception unidirectionnelle. Par conséquent, une approche ascendante est nécessaire pour compiler toutes les exigences et contraintes dès le début afin d'optimiser le système magnétique tout en tenant compte du coût et des limites de l'électronique de puissance.
Finepower étend continuellement les limites techniques de la recharge sans fil et aide les clients à mettre en œuvre efficacement cette technologie dans leurs applications respectives.