Il tasso di elettrificazione della mobilità nelle industrie o nei trasporti dipende dall'implementazione dell'infrastruttura di ricarica. La soluzione esistente, vale a dire la ricarica conduttiva, ha diverse preoccupazioni in termini di sicurezza, robustezza e comfort grazie al collegamento di cavi enormi, soprattutto per una potenza maggiore. La ricarica wireless è propagandata per fornire una soluzione sicura, pulita e autonoma.
Che cos'è il trasferimento di potenza wireless e induttivo (IPT)?
Lo scienziato Nikola Tesla ha coniato il termine "Wireless Power Transfer" (WPT) e ha presentato un sistema contactless nel 1893. I principi fondamentali che governano questo la tecnologia sono la legge di Lenz e la legge di induzione di Michael Faraday. Ci sono molti metodi con cui questo può essere impiegato. Quello commercializzato con maggior successo (a bassi livelli di potenza) è il “trasferimento di potenza induttivo” (IPT). IPT utilizza il campo vicino la tecnologia dove l'energia rimane all'interno di una piccola regione del trasmettitore.
Finepower sviluppa soluzioni per il trasferimento di potenza wireless (induttivo) da diversi anni. Ora stiamo estendendo questa tecnologia al funzionamento bidirezionale in combinazione con alta potenza, bassa voltaggio batterie nel progetto di ricerca BiLiA, finanziato dal Ministero bavarese dell'Economia e dall'organizzazione di esecuzione del progetto VDI-VDE-I.
Sistema a bobina magnetica IPT
La fase di accoppiamento magnetico è la parte più importante per decidere la progettazione dell'elettronica di potenza, l'efficienza e la potenza trasferibile. In un'applicazione tipica come ricarica di veicoli elettrici, la bobina sul lato secondario è fissata sul lato inferiore del veicolo. Il lato della bobina primaria è appoggiato a terra. Questo assemblaggio è garantito per avere flusso tra queste due bobine usando ferrite e alluminio sui lati esterni di ciascuna bobina. È anche possibile impilare o modellare i blocchi di ferrite. Il traferro tra le bobine può essere abbastanza grande, a seconda dell'altezza da terra del veicolo. Ciò porta a un'induttanza di dispersione di dimensioni simili a quella dell'induttanza reciproca. Ogni bobina nel sistema IPT può avere forme circolare, rettangolare, solenoide, DD, DDQ, bipolare, ecc. I vantaggi di ciascun sistema di bobine variano in base a interoperabilità, dimensioni, perdite di flusso, tolleranze di posizione e complessità operativa. A potenze superiori, per ridurre gli ampere-giri (o forza Magnetomotrice) viene utilizzato un avvolgimento bifilare. L'efficienza dell'intero sistema IPT è limitata dal fattore di qualità nativo delle bobine. Questo può essere aumentato utilizzando un filo Litz che riduce attentamente la pelle e le perdite di prossimità sia a livello di fascio che di trefolo.
Figura 1: Schema a blocchi di una tipica stazione di ricarica induttiva. La potenza della rete viene rettificata e convertita in un segnale ad alta frequenza utilizzando rispettivamente PFC e inverter. Questo segnale di corrente ad alta frequenza attraverso la bobina primaria genera un flusso. In tal modo, inducendo a voltaggio attraverso il secondario. Il segnale viene successivamente rettificato per fornire alimentazione a un carico di batteria CC.
Figura 2: a) Sul lato secondario viene aggiunto un condensatore in serie Css. Un valore scelto correttamente può annullare l'induttanza secondaria (ωLs) per migliorare il trasferimento di potenza. L'impedenza vista da Voc è puramente resistiva a questa frequenza. Questo è in genere utilizzato in costante voltaggio applicazioni. b) Un condensatore in parallelo che sostituisce quello in serie è utile nelle applicazioni a corrente costante. c+d) Tipo di compensazione ibrida dove la serie e il parallelo Condensatori può essere regolato sono anche possibili.
Ottimizzazione della risonanza circuito Massimizza l'efficienza
Il modello semplificato di un tipico sistema di ricarica induttiva è illustrato nella Figura 1. Un inverter ad alta frequenza (ovvero 80-90 kHz) dopo un PFC converte la rete rettificata voltaggio in un'onda quadra CA necessaria per un efficace trasferimento di potenza.
Questa corrente ad alta frequenza attraverso la bobina primaria genera un flusso che induce a voltaggio lungo il lato secondario. Questo voltaggio si chiama aperto-circuito tensione (Voc), data dall'Equazione 1 dove Ip è la corrente dell'avvolgimento primario, M è la mutua induttanza e, ω è la frequenza angolare.
Voc = jωMIp
Voc, quando collegato a un carico fornisce potenza ed è dato dall'equazione 2 dove Rac è la resistenza di carico equivalente (l'impedenza presentata dal raddrizzatore attivo e il carico sul lato secondario.) Ls, è l'induttanza secondaria.
P_ {out} = frac {V_ {2} ^ {oc} R_ {ac}} {R_ {2} ^ {ac} + (omega ^ {2} L_ {2} ^ {s})}
Utilizzando il teorema del trasferimento di potenza massimo con l'equazione 2, la potenza di uscita massima si ottiene a Rac = ωLs. Aggiunta di una serie condensatore nell'equazione con 1/ωC2 per cancellare il termine ωLs è possibile raddoppiare la potenza massima trasferibile. Ma invece di una serie sono possibili anche diverse altre topologie di compensazione. Possono essere qualsiasi rete T (o n) costruita utilizzando lo stoccaggio passivo di energia componenti. Alcune reti di sintonizzazione semplificate sul lato secondario sono mostrate nella Figura 2.
La potenza di uscita del circuito può anche essere scritto come nell'equazione 3, dove Isc è la corrente del lato secondario in condizione di cortocircuito e Q2 è il fattore di qualità del carico secondario.
P_ {out} = V_ {oc} I_ {sc} Q_ {2} = frac {omega M ^ {2}} {L_ {s}} I_ {2} ^ {p} Q_ {2}
Dall'equazione 3, la corrente della bobina primaria può essere ridotta aumentando Q2 e quindi, riduce le perdite. Ma la larghezza di banda del sistema sarà ridotta, rendendo più difficile l'implementazione del sistema di controllo. Aumenta anche il valore di volt-ampere richiesto della bobina secondaria.
Il flusso di potenza bidirezionale riduce i costi di rete
Per ridurre le emissioni di gas serra, c'è una forte spinta verso le energie rinnovabili. In particolare l'energia solare ed eolica. Ma i flussi di luce solare e vento sono intermittenti e tali fluttuazioni possono destabilizzare la rete. Inoltre, nella ricerca dell'indipendenza energetica, molte industrie stanno installando i propri sistemi. Ciò è dovuto alla sempre maggiore facilità di accesso alle tecnologie di energia rinnovabile. Ad esempio, i proprietari di flotte automobilistiche, spinti ad elettrificare i loro veicoli, trarrebbero vantaggio dalla generazione (più economica) della propria energia e quindi installerebbero sistemi di rete o punti di ricarica. D'altra parte, ciò potrebbe portare a una crescente necessità di ampi spazi terrestri per coprire i picchi di potenza richiesta. I sistemi di stoccaggio della rete intelligente, tuttavia, possono ridurre la potenza di picco richiesta. Immagazzinando l'energia durante il picco di disponibilità e fornendola quando necessario, è possibile gestire il flusso di potenza e stabilizzare la domanda esterna dalla rete.
A causa delle capacità relativamente grandi, le batterie dei veicoli elettrici possono essere viste come elementi di accumulo di energia ideali per la stabilizzazione della rete. Pertanto, i caricabatterie, inclusi i sistemi wireless, dovrebbero essere migliorati per fornire un funzionamento bidirezionale.
La Figura 3 mostra un modello modificato del sistema IPT con funzionalità bidirezionale. Nella modalità avanti, la potenza fluisce dalla rete al carico della batteria. Il blocco dopo il PFC funge da inverter che eccita la bobina primaria. È necessario un raddrizzatore per convertire l'alimentazione CA dalla bobina secondaria a una batteria. Le rispettive funzioni di questi blocchi verranno scambiate, mentre in modalità inversa. La scelta del tipo di compensazione e dei suoi valori dipendono da molti criteri. Alcuni di loro sono discussi di seguito:
Controllabilità: il metodo di controllo comune è il controllo principale. Questo metodo controlla la tensione di uscita dell'inverter ad alta frequenza (HF) come tensione di ingresso della bobina primaria. Secondo l'equazione 4 è possibile il controllo della tensione o del controllo di fase. Dove Vdc è la tensione di uscita PFC e α è l'angolo di fase.
V_ {in, rms} = frac {2sqrt {2}} {pi} V_ {dc} cosfrac {alpha} {2}
Funzioni tipiche di trasferimento della tensione di una compensazione S (erial) -S (erial) e LC-LC Fig. 1.4. La posizione della bobina è fissa e fornisce 1 kW e 5 kW. I grafici mostrano le modalità avanti e indietro. Il fattore di qualità del carico non deve essere troppo alto, l'intervallo operativo richiesto può superare le specifiche dell'inverter. D'altra parte, un fattore di bassa qualità non utilizzerà completamente la gamma operativa disponibile. Come si può vedere nella risposta del guadagno compensato LC-LC, la variazione del guadagno è bassa. E nella risposta in avanti SS, la divisione dei poli avviene a potenze superiori. Ciò complica la progettazione del sistema di controllo.
Figura 3: Il sistema è in linea nella Figura 1, ma con doppia operazione possibile per entrambi i convertitori CC-CA e CA-CC. Ciò consente il trasferimento di potenza bidirezionale.
Figura 4: AC può ottenere risposta in entrambe le direzioni di potenza sono tracciate per compensazioni SS e LC-LC. Entrambi sono attivati per funzionare a 85 kHz.
Figura 5: Risposta della fase di ingresso per verificare la possibilità di funzionamento ZVS in entrambe le modalità di alimentazione
Le risposte di fase di ingresso corrispondenti sono tracciate nella Figura 5. La risposta di fase inizia ad appiattirsi (attraverso l'intervallo operativo) nell'SS forward, limitando l'intervallo ZVS disponibile. Mentre in modalità inversa, i bruschi cambiamenti dovuti a fattori di alta qualità richiedono molta potenza reattiva. La stessa tendenza può essere osservata in LC-LC, ma con risposte scambiate.
Semplicità: estendendo LC alla topologia LCC della serie parziale, è possibile migliorare il fattore di qualità che si adatta al controllo primario. Ma aumenta il costo e la complessità a causa dei componenti aggiunti. Anche l'utilizzo dello stesso tipo di compensazione su entrambi i lati mantiene la simmetria e può ridurre gli sforzi di progettazione.
Impedenza riflessa: la componente reattiva dell'impedenza riflessa influisce sulla risonanza. Nella compensazione parziale-parallela, c'è sempre qualche componente reattiva. Considerando che sia la compensazione SS che LCC-LCC avrebbero zero reattanza riflessa quando operata al di sotto della risonanza (tranne se c'è un offset tra le bobine). Se non si presta attenzione, ciò può limitare l'accensione morbida dei transistor in alcuni scenari, riducendo così l'efficienza operativa. La messa a punto adattiva può aiutare ad alleviare questo problema. Con tecniche di progettazione adeguate, è possibile ottenere una scelta ottimale di messa a punto per garantire il funzionamento ZVS in entrambe le modalità attraverso le posizioni.
Per riassumere, è necessario considerare tutti i vincoli per le modalità operative sia in avanti che all'indietro dall'inizio della progettazione di un sistema di ricarica wireless bidirezionale. Le prestazioni peggioreranno se i parametri della bobina e il sistema di sintonizzazione vengono selezionati allo stesso modo di un progetto unidirezionale. Pertanto, è necessario un approccio dal basso verso l'alto per compilare tutti i requisiti e i vincoli dall'inizio per ottimizzare il sistema magnetico, considerando i costi e le limitazioni dell'elettronica di potenza.
Finepower estende continuamente i limiti tecnici della ricarica wireless e supporta i clienti nell'implementazione efficiente di questa tecnologia nelle rispettive applicazioni.