קצב חשמול הניידות בענפים או תחבורה תלוי בפריסת תשתית הטעינה. לפיתרון הקיים, כלומר טעינה מוליכה, יש כמה חששות בנוגע לבטיחות, לחוסן ולנוחות עקב חיבור כבלים ענקיים, במיוחד עבור הספק גבוה יותר. טעינה אלחוטית מתוארת כדי לספק פיתרון בטוח, נקי ואוטונומי.
מהו העברת חשמל אלחוטית ואינדוקטיבית (IPT)?
המדען ניקולה טסלה טבע את המונח "העברת חשמל אלחוטית" (WPT) והציג מערכת ללא מגע בשנת 1893. העקרונות הבסיסיים השולטים בכך טֶכנוֹלוֹגִיָה הם חוק לנץ וחוק האינדוקציה של מייקל פאראדיי. ישנן שיטות רבות שבהן ניתן להשתמש בזה. המסחור המוצלח ביותר (ברמות הספק נמוכות) הוא "העברת כוח אינדוקטיבי" (IPT). IPT משתמש בשדה קרוב טֶכנוֹלוֹגִיָה שבו האנרגיה נשארת באזור קטן של המשדר.
Finepower מפתחת פתרונות להעברת חשמל אלחוטית (אינדוקטיבית) מאז מספר שנים. כעת אנו מרחיבים את הטכנולוגיה הזו לפעולה דו-כיוונית בשילוב עם הספק גבוה, נמוך מתח סוללות בפרויקט המחקר BiLiA הממומן על ידי משרד הכלכלה הבווארי וארגון ביצוע הפרויקטים VDI-VDE-I.
מערכת סליל מגנטית IPT
שלב הצימוד המגנטי הוא החלק החשוב ביותר שקובע את תכנון אלקטרוניקת החשמל, היעילות וההספק הניתן להעברה. ביישום טיפוסי כטעינה של רכב חשמלי, סליל הצד המשני מחובר בצד התחתון של הרכב. צד הסליל הראשוני מונח על הקרקע. מובטחת כי הרכבה זו תהיה שטף בין שני הסלילים באמצעות פריט ו- אלומיניום בצדדים החיצוניים של כל סליל. ניתן לערום או לעצב את גושי הפריטים. מרווח האוויר בין הסלילים יכול להיות גדול למדי, תלוי בפינוי הקרקע של הרכב. זה מוביל להשראת דליפה בממדים דומים לאינדוקציה ההדדית. לכל סליל במערכת ה- IPT יכולות להיות צורות מעגליות, מלבניות, סולנואיד, DD, DDQ, דו קוטביות וכו '. היתרונות של כל מערכת סלילים משתנים בין יכולת פעולה הדדית, גודל, דליפת שטף, סובלנות מיקום ומורכבות תפעולית. בהספקים גבוהים יותר, כדי להפחית את סיבובי אמפר (או כוח מגנטומוטורי) משתמשים בפיתול דו-כיווני. היעילות של כל מערכת ה- IPT מוגבלת על ידי גורם האיכות המקורי של הסלילים. ניתן להגדיל את זה באמצעות חוט ליץ להפחית בזהירות את אובדן העור והקרבה ברמת הצרור והגדיל.
איור 1: דיאגרמת בלוקים של תחנת טעינה אינדוקטיבית טיפוסית. כוח הרשת מתוקן ומומר לאות בתדר גבוה באמצעות PFC ומהפך, בהתאמה. אות זרם בתדר גבוה זה דרך הסליל הראשי יוצר שטף. בכך, גרימת א מתח על פני המשני. האות מתוקן מאוחר יותר כדי לספק חשמל לעומס סוללה DC.
איור 2: א) בצד המשני, נוסף קבל סדרתי Css. ערך שנבחר כהלכה יכול לבטל את השראות המשנית (ωLs) כדי לשפר את העברת הכוח. העכבה שרואה Voc היא התנגדות גרידא בתדר זה. זה משמש בדרך כלל בקבוע מתח יישומים. ב) קבל מקביל המחליף את סדרת אחד שימושי ביישומי זרם קבוע. c+d) סוג פיצוי היברידי שבו סדרה ומקבילה קבלים ניתן להתאים גם אפשרי.
מיטוב תהודה מעגל ממקסם את היעילות
הדגם הפשוט של מערכת טעינה אינדוקטיבית טיפוסית מוצג באיור 1. מהפך בתדר גבוה (כלומר 80-90 קילו-הרץ) לאחר PFC ממיר את הרשת המיושרת מתח לגל מרובע AC אשר הכרחי להעברת כוח יעילה.
זרם זה בתדר גבוה דרך הסליל הראשוני יוצר שטף הגורם ל-a מתח על פני הצד המשני. זֶה מתח נקרא פתוח-מעגל מתח (Voc), שניתן במשוואה 1 כאשר Ip הוא זרם הסליל הראשי, M הוא השראות ההדדית ו-ω הוא התדר הזוויתי.
Voc = jωMIp
Voc, כאשר הוא מחובר לעומס מספק כוח וניתן על ידי משוואה 2 כאשר Rac הוא התנגדות העומס המקבילה (העכבה המוצגת על ידי המיישר הפעיל והעומס לצד המשני.) Ls, הוא ההשראה המשנית.
P_ {out} = frac {V_ {2} ^ {oc} R_ {ac}} {R_ {2} ^ {ac} + (אומגה ^ {2} L_ {2} ^ {s})}
באמצעות משפט העברת הספק מרבי עם משוואה 2, הספק המוצא המרבי מושג ב-Rac = ωLs. הוספת סדרה קבל במשוואה עם 1/ωC2 כדי לבטל את המונח ωLs יכול להכפיל את ההספק המרבי שניתן להעברה. אבל במקום סדרה אפשריות גם טופולוגיות פיצוי שונות אחרות. הם יכולים להיות כל T (או n) - רשת שנבנתה באמצעות אחסון אנרגיה פסיבי רכיבים. כמה רשתות כוונון פשוטות בצד המשני מוצגות באיור 2.
כוח המוצא של ה מעגל ניתן לכתוב כמו במשוואה 3, כאשר Isc הוא הזרם של הצד המשני במצב קצר חשמלי ו-Q2 הוא גורם איכות העומס המשני.
P_ {out} = V_ {oc} I_ {sc} Q_ {2} = frac {omega M ^ {2}} {L_ {s}} I_ {2} ^ {p} Q_ {2}
ממשוואה 3, ניתן להפחית את שכר הדירה הראשי של הסליל על ידי הגדלת הרבעון השני ובכך להפחית את ההפסדים. אך רוחב הפס של המערכת יצטמצם, מה שמקשה על יישום מערכת הבקרה. דירוג המתח אמפר הנדרש של הסליל המשני עולה גם הוא.
זרימת חשמל דו-כיוונית מפחיתה את עלויות הרשת
כדי להפחית את פליטת גזי החממה, יש דחיפה חזקה לעבר אנרגיות מתחדשות. באופן בולט ביותר אנרגיה סולארית ורוח. אך אור השמש וזרמי הרוח לסירוגין ותנודות כאלה עלולות לערער את יציבות הרשת. כמו כן, בחיפוש אחר עצמאות אנרגטית, תעשיות רבות מתקנות מערכות משלהן. זאת בשל קלות יותר ויותר גישה לטכנולוגיות אנרגיה מתחדשת. למשל, בעלי ציי רכב המונעים לחשמל את כלי הרכב שלהם ייהנו מהייצור (הזול) יותר של הכוח שלהם ולכן יתקינו מערכות רשת או נקודות טעינה. מצד שני, זה עלול להוביל לצורך הולך וגדל בשטח קרקע גדול בכדי לכסות את דרישות הספק הגבוהות. מערכות אחסון רשתות חכמות, לעומת זאת, יכולות להפחית את עוצמת השיא הנדרשת. על ידי אחסון אנרגיה בזמן זמינות שיא ומספקת אותה בעת הצורך, ניתן לנהל את זרימת החשמל ולייצב את הביקוש החיצוני מהרשת.
בשל יכולות גדולות יחסית, ניתן לראות בסוללות רכב חשמלי כאלמנטים אחסון אנרגיה אידיאליים לייצוב רשת. לכן, יש לשפר את מטעי הסוללה כולל מערכות אלחוטיות כדי לספק פעולה דו כיוונית.
מודל שונה של מערכת ה- IPT עם פונקציונליות דו כיוונית מוצג באיור 3 במצב קדימה, הכוח זורם מהרשת לעומס סוללה. החסימה לאחר ה- PFC משמשת כמהפך המלהיב את הסליל הראשי. מיישר נדרש כדי להמיר את מתח החשמל מהסליל המשני לסוללה. הפונקציות המתאימות של בלוקים אלה יוחלפו, בעודן במצב הפוך. הבחירה בסוג הפיצוי ובערכיו תלויה בקריטריונים רבים. כמה מהם נדון להלן:
יכולת בקרה: שיטת הבקרה הנפוצה היא השליטה העיקרית. שיטה זו שולטת על מתח המוצא של המהפך בתדר גבוה (HF) כמתח כניסה של סליל ראשוני. על פי משוואה 4 יתכן בקרת מתח או בקרת פאזה. כאשר Vdc הוא מתח המוצא של PFC ו- α הוא זווית הפאזה.
V_ {in, rms} = frac {2sqrt {2}} {pi} V_ {dc} cosfrac {alpha} {2}
פונקציות העברת מתח אופייניות של פיצוי S (erial) -er (erial) ו- LC-LC איור 1.4. מיקום הסליל קבוע ומספק 1 קילוואט ו -5 קילוואט. העלילות מציגות את המצבים קדימה וגם אחורה. גורם איכות העומס לא אמור להיות גבוה מדי, טווח הפעולה הנדרש יכול לחרוג ממפרט המהפך. מצד שני, גורם באיכות נמוכה לא ינצל את טווח הפעולה הזמין במלואו. כפי שניתן לראות בתגובת רווח מפוצה ב- LC-LC, השונות של הרווח נמוכה. ובתגובה קדימה של האס אס, פיצול מוט קורה במעצמות גבוהות יותר. זה מסבך את תכנון מערכת הבקרה.
איור 3: המערכת היא שורה באיור 1, אך עם הפעלה כפולה אפשרית עבור ממירי DC-AC ו- AC-DC. זה מאפשר העברת כוח דו כיוונית.
איור 4: AC יכול לקבל תגובה בשני כיווני הכוח מתוכננים לפיצוי SS ו- LC-LC. שניהם מופעלים לפעולה ב 85 קילוהרץ.
איור 5: תגובת שלב קלט לבדיקת אפשרות הפעלת ZVS בשני מצבי ההספק
התגובות המתאימות לשלב הקלט מתוארות באיור 5. תגובת הפאזה מתחילה להשתטח (על פני טווח הפעולה) בקדימה של ה- SS, ומגבילה את טווח ה- ZVS הזמין. ואילו במצב הפוך, השינויים החדים עקב גורמי איכות גבוהים דורשים כוח תגובתי רב. ניתן לראות את אותה מגמה ב- LC-LC, אך עם תגובות מתחלפות.
פשטות: על ידי הרחבת LC ל LCC טופולוגית חלקית, ניתן לשפר את גורם האיכות המתאים לשליטה העיקרית. אבל זה מגדיל את העלות והמורכבות בגלל הרכיבים שנוספו. גם שימוש באותו סוג של פיצוי משני הצדדים שומר על סימטריות ויכול להפחית את מאמצי העיצוב.
עכבה מוחזרת: המרכיב התגובתי של העכבה המשתקפת משפיע על תהודה. בתמורה חלקית מקבילה, תמיד יש רכיב תגובתי כלשהו. בעוד שלפיצוי ה- SS וגם ה- LCC-LCC היה אפס תגובה משתקפת כאשר הם מופעלים מתחת לתהודה (למעט אם יש קיזוז בין הסלילים). אם לא נזהרים, זה יכול להגביל את ההפעלה הרכה של הטרנזיסטורים בתרחישים מסוימים, ובכך להפחית את היעילות התפעולית. כוונון מסתגל יכול לעזור בהקלת הבעיה. בעזרת טכניקות תכנון נכונות, ניתן להשיג בחירה אופטימלית של כוונון כדי להבטיח פעולה של ZVS בשני המצבים על פני המיקומים.
לסיכום, יש לקחת בחשבון את כל האילוצים עבור מצבי הפעלה קדימה ואחורה מתחילת התכנון של מערכת טעינה אלחוטית דו כיוונית. הביצועים יתדרדרו אם פרמטרי הסליל ומערכת הכוונון ייבחרו באותו אופן כמו לעיצוב חד כיווני. לכן, יש צורך בגישה מלמטה למעלה כדי לאסוף את כל הדרישות והאילוצים מההתחלה כדי לייעל את המערכת המגנטית תוך התחשבות בעלויות ובמגבלות על אלקטרוניקת החשמל.
Finepower מרחיבה באופן רציף את המגבלות הטכניות של טעינה אלחוטית ותומכת בלקוחות להטמיע ביעילות טכנולוגיה זו ביישומים שלהם.