Tingkat elektrifikasi mobilitas di industri atau transportasi tergantung pada penyebaran infrastruktur pengisian. Solusi yang ada, yaitu pengisian daya konduktif, memiliki beberapa masalah dalam keamanan, ketahanan, dan kenyamanan karena penyambungan kabel yang sangat besar, terutama untuk daya yang lebih tinggi. Pengisian daya nirkabel disebut-sebut memberikan solusi yang aman, bersih, dan otonom.
Apa itu Wireless and Inductive Power Transfer (IPT)?
Ilmuwan Nikola Tesla menciptakan istilah "Wireless Power Transfer" (WPT) dan mempresentasikan sistem tanpa kontak pada tahun 1893. Prinsip dasar yang mengatur ini teknologi adalah hukum Lenz dan hukum induksi Michael Faraday. Ada banyak metode yang dapat digunakan. Yang paling berhasil dikomersialkan (pada tingkat daya rendah) adalah “Induktif Power Transfer” (IPT). IPT menggunakan medan dekat teknologi di mana energi tetap berada dalam wilayah kecil pemancar.
Finepower mengembangkan solusi untuk transfer daya nirkabel (induktif) sejak beberapa tahun. Sekarang kami memperluas teknologi ini ke operasi dua arah dalam hubungannya dengan daya tinggi, rendah tegangan baterai dalam proyek penelitian BiLiA yang didanai oleh Kementerian Ekonomi Bavaria dan organisasi pelaksanaan proyek VDI-VDE-I.
Sistem Kumparan Magnetik IPT
Tahap kopling magnet adalah bagian terpenting yang menentukan desain elektronika daya, efisiensi, dan daya yang dapat dialihkan. Dalam aplikasi tipikal sebagai pengisian kendaraan listrik, koil samping sekunder dipasang di sisi bawah kendaraan. Sisi kumparan primer diletakkan di atas tanah. Perakitan ini dipastikan memiliki fluks di antara kedua kumparan tersebut dengan menggunakan ferit dan aluminium di sisi luar setiap kumparan. Penumpukan atau pembentukan balok ferit juga dimungkinkan. Celah udara di antara kumparan bisa sangat besar, tergantung pada jarak ground kendaraan. Hal ini menyebabkan induktansi kebocoran dengan dimensi yang sama dengan induktansi timbal balik. Setiap kumparan dalam sistem IPT dapat memiliki bentuk melingkar, persegi panjang, solenoid, DD, DDQ, bipolar, dll. Keuntungan dari setiap sistem kumparan bervariasi antaroperabilitas, ukuran, kebocoran fluks, toleransi posisi, dan kompleksitas operasional. Pada daya yang lebih tinggi, untuk mengurangi belitan ampere (atau gaya magnetomotive) digunakan belitan ganda. Efisiensi seluruh sistem IPT dibatasi oleh faktor kualitas asli kumparan. Ini dapat ditingkatkan dengan menggunakan kawat Litz dengan hati-hati mengurangi kehilangan kulit dan kedekatan pada tingkat bundel dan untai.
Gambar 1: Blok diagram stasiun pengisian induktif tipikal. Daya jaringan diperbaiki dan diubah menjadi sinyal frekuensi tinggi masing-masing menggunakan PFC dan inverter. Sinyal arus frekuensi tinggi ini melalui koil primer menghasilkan fluks. Dengan demikian, menginduksi a tegangan melintasi sekunder. Sinyal tersebut kemudian diperbaiki untuk mengirimkan daya ke beban baterai DC.
Gambar 2: a) Pada sisi sekunder ditambahkan rangkaian kapasitor Css. Nilai yang dipilih dengan benar dapat membatalkan induktansi sekunder (ωLs) untuk meningkatkan transfer daya. Impedansi yang terlihat oleh Voc murni resistif pada frekuensi ini. Ini biasanya digunakan dalam konstanta tegangan aplikasi. b) Kapasitor paralel yang menggantikan seri satu berguna dalam aplikasi arus konstan. c+d) Tipe kompensasi hybrid dimana seri dan paralel Kapasitor dapat disesuaikan juga mungkin.
Mengoptimalkan Resonansi sirkit Memaksimalkan Efisiensi
Model sederhana dari sistem pengisian induktif tipikal ditunjukkan pada Gambar 1. Inverter frekuensi tinggi (yaitu, 80-90 kHz) setelah PFC mengubah jaringan yang diperbaiki tegangan menjadi gelombang persegi AC yang diperlukan untuk transfer daya yang efektif.
Arus frekuensi tinggi ini melalui kumparan primer menghasilkan fluks yang menginduksi a tegangan melintasi sisi sekunder. Ini tegangan disebut buka-sirkit tegangan (Voc), diberikan oleh Persamaan 1 di mana Ip adalah arus kumparan primer, M adalah induktansi bersama dan, ω adalah frekuensi sudut.
Voc = jωMIp
Voc, ketika dihubungkan ke beban memberikan daya dan diberikan oleh Persamaan 2 di mana Rac adalah resistansi beban ekuivalen (Impedansi yang disajikan oleh penyearah aktif dan beban ke sisi sekunder.) Ls, adalah induktansi sekunder.
P_ {keluar} = frac {V_ {2} ^ {oc} R_ {ac}} {R_ {2} ^ {ac} + (omega ^ {2} L_ {2} ^ {s})}
Menggunakan teorema transfer daya maksimum dengan Persamaan 2, daya keluaran maksimum dicapai pada Rac = ωLs. Menambahkan seri kapasitor dalam persamaan dengan 1/ωC2 untuk membatalkan istilah ωLs dapat menggandakan daya maksimum yang dapat ditransfer. Namun selain serangkaian, topologi kompensasi lain yang berbeda juga dimungkinkan. Jaringan tersebut dapat berupa T (atau n) apa saja – jaringan yang dibangun menggunakan penyimpanan energi pasif komponen. Beberapa jaringan tuning yang disederhanakan di sisi sekunder ditunjukkan pada Gambar 2.
Daya keluaran dari sirkit dapat juga dituliskan seperti pada Persamaan 3, dimana Isc adalah arus sisi sekunder dalam kondisi hubung singkat dan Q2 adalah faktor kualitas beban sekunder.
P_ {out} = V_ {oc} I_ {sc} Q_ {2} = frac {omega M ^ {2}} {L_ {s}} I_ {2} ^ {p} Q_ {2}
Dari Persamaan 3, arus kumparan primer dapat dikurangi dengan meningkatkan Q2 dan dengan demikian, mengurangi kerugian. Tetapi bandwidth sistem akan berkurang, membuat implementasi sistem kontrol lebih sulit. Nilai volt-ampere yang diperlukan dari kumparan sekunder juga meningkat.
Aliran Daya Dua Arah Mengurangi Biaya Grid
Untuk mengurangi emisi gas rumah kaca, ada dorongan kuat menuju energi terbarukan. Tenaga surya dan angin yang paling menonjol. Tetapi sinar matahari dan aliran angin berselang-seling dan fluktuasi seperti itu dapat mengganggu kestabilan jaringan. Selain itu, dalam mengejar kemandirian energi, banyak industri memasang sistem mereka sendiri. Hal ini disebabkan semakin mudahnya akses ke teknologi energi terbarukan. Misalnya, pemilik armada mobil, yang didorong untuk menyetrum kendaraan mereka akan mendapatkan keuntungan dari pembangkit listrik mereka (yang lebih murah) dan karenanya memasang sistem jaringan atau titik pengisian daya. Di sisi lain, hal ini dapat menyebabkan peningkatan kebutuhan akan ruang lahan yang luas untuk memenuhi kebutuhan daya puncak. Sistem penyimpanan jaringan pintar, bagaimanapun, dapat mengurangi daya puncak yang dibutuhkan. Dengan menyimpan energi selama ketersediaan puncak dan memasoknya saat dibutuhkan, aliran daya dapat dikelola dan permintaan eksternal dari jaringan dapat distabilkan.
Karena kapasitasnya yang relatif besar, baterai kendaraan listrik dapat dipandang sebagai elemen penyimpanan energi yang ideal untuk stabilisasi jaringan. Oleh karena itu, pengisi daya baterai termasuk sistem nirkabel, harus ditingkatkan untuk menyediakan operasi dua arah.
Model modifikasi dari sistem IPT dengan fungsionalitas dua arah ditunjukkan pada Gambar 3 Dalam mode maju, daya mengalir dari jaringan ke beban baterai. Blok setelah PFC bertindak sebagai inverter yang menarik kumparan primer. Penyearah diperlukan untuk mengubah daya AC dari kumparan sekunder ke baterai. Fungsi masing-masing blok ini akan dipertukarkan, saat dalam mode terbalik. Pilihan jenis kompensasi dan nilainya bergantung pada banyak kriteria. Beberapa di antaranya dibahas di bawah ini:
Pengendalian: Metode kontrol umum adalah kontrol utama. Metode ini mengontrol tegangan keluaran inverter frekuensi tinggi (HF) sebagai tegangan masukan kumparan primer. Menurut Persamaan 4 baik kontrol tegangan atau kontrol fasa dimungkinkan. Dimana Vdc adalah tegangan keluaran PFC dan α adalah sudut fasa.
V_ {in, rms} = frac {2sqrt {2}} {pi} V_ {dc} cosfrac {alpha} {2}
Fungsi transfer tegangan tipikal dari kompensasi S (erial) -S (erial) dan LC-LC Gbr. 1.4. Posisi kumparan tetap memberikan 1 kW dan 5 kW. Plot menunjukkan mode maju dan mundur. Faktor kualitas beban tidak boleh terlalu tinggi, rentang operasi yang diperlukan dapat melebihi spesifikasi inverter. Di sisi lain, faktor kualitas rendah tidak akan sepenuhnya memanfaatkan rentang operasi yang tersedia. Seperti yang dapat dilihat pada respon gain kompensasi LC-LC, variasi gain rendah. Dan dalam respons maju SS, pemecahan kutub terjadi pada kekuatan yang lebih tinggi. Ini memperumit desain sistem kontrol.
Gambar 3: Sistem sejajar pada Gambar 1, tetapi dengan operasi ganda mungkin untuk konverter DC-AC dan AC-DC. Ini memungkinkan transfer daya dua arah.
Gambar 4: AC dapat memperoleh respons di kedua arah daya yang diplot untuk kompensasi SS dan LC-LC. Keduanya diputar untuk beroperasi pada 85 kHz.
Gambar 5: Respons fase masukan untuk memeriksa kemungkinan operasi ZVS di kedua mode daya
Respons fase masukan yang sesuai diplot pada Gambar 5. Respons fase mulai mendatar (di seluruh rentang operasi) di maju SS, membatasi rentang ZVS yang tersedia. Sedangkan pada mode mundur, perubahan tajam akibat faktor kualitas tinggi menuntut banyak daya reaktif. Tren yang sama dapat diamati di LC-LC, tetapi dengan respons yang dipertukarkan.
Kesederhanaan: Dengan memperluas LC ke topologi seri parsial LCC, faktor kualitas dapat ditingkatkan yang sesuai dengan kontrol utama. Tetapi itu meningkatkan biaya dan kompleksitas karena komponen yang ditambahkan. Juga menggunakan jenis kompensasi yang sama di kedua sisi menjaga kesimetrisan dan dapat mengurangi upaya desain.
Impedansi yang dipantulkan: Komponen reaktif dari resonansi efek impedansi yang dipantulkan. Dalam kompensasi parsial-paralel, selalu ada beberapa komponen reaktif. Sedangkan kompensasi SS dan LCC-LCC akan memiliki reaktansi pantulan nol ketika dioperasikan di bawah resonansi (kecuali jika ada offset antara kumparan). Jika perawatan tidak dilakukan, ini dapat membatasi soft turn-on transistor dalam beberapa skenario, sehingga mengurangi efisiensi operasional. Penyesuaian adaptif dapat membantu mengatasi masalah ini. Dengan teknik desain yang tepat, pilihan penyetelan yang optimal dapat diperoleh untuk memastikan pengoperasian ZVS di kedua mode di semua posisi.
Singkatnya, perlu untuk mempertimbangkan semua kendala untuk mode operasi maju dan mundur dari awal desain sistem pengisian nirkabel dua arah. Kinerja akan menurun jika parameter kumparan dan sistem penyetelan dipilih dengan cara yang sama seperti untuk desain searah. Oleh karena itu, diperlukan pendekatan bottom-up untuk menyusun semua persyaratan dan batasan dari awal untuk mengoptimalkan sistem magnet dengan tetap mempertimbangkan biaya dan batasan pada elektronika daya.
Finepower terus memperluas batasan teknis pengisian nirkabel dan mendukung pelanggan untuk mengimplementasikan teknologi ini secara efisien ke dalam aplikasi mereka masing-masing.