De mate van elektrificatie van mobiliteit in industrieën of transport hangt af van de inzet van de laadinfrastructuur. De bestaande oplossing, namelijk geleidend opladen, heeft verschillende zorgen op het gebied van veiligheid, robuustheid en comfort vanwege het aansluiten van enorme kabels, vooral voor een hoger vermogen. Draadloos opladen wordt aangeprezen om een veilige, schone en autonome oplossing te bieden.
Wat is draadloze en inductieve vermogensoverdracht (IPT)?
De wetenschapper Nikola Tesla bedacht de term "Wireless Power Transfer" (WPT) en presenteerde in 1893 een contactloos systeem. technologie zijn de wet van Lenz en de inductiewet van Michael Faraday. Er zijn veel methoden waarmee dit kan worden toegepast. Het meest succesvol gecommercialiseerd (op laag vermogensniveau) is “Inductieve Power Transfer” (IPT). IPT maakt gebruik van near-field technologie waarbij de energie binnen een klein gebied van de zender blijft.
Finepower ontwikkelt al jaren oplossingen voor draadloze (inductieve) vermogensoverdracht. Nu breiden we deze technologie uit naar bidirectionele werking in combinatie met hoog vermogen, laag spanning batterijen in het onderzoeksproject BiLiA dat wordt gefinancierd door het Beierse Ministerie van Economische Zaken en projectuitvoeringsorganisatie VDI-VDE-I.
IPT magnetisch spoelsysteem
De magnetische koppelingstrap is het belangrijkste onderdeel dat het ontwerp van vermogenselektronica, efficiëntie en overdraagbaar vermogen bepaalt. Bij een typische toepassing als het opladen van elektrische voertuigen wordt de secundaire zijspoel aan de onderkant van het voertuig bevestigd. De primaire spoelzijde wordt op de grond gelegd. Dit samenstel is verzekerd om flux tussen die twee spoelen te hebben door ferriet en te gebruiken aluminium aan de buitenzijden van elke spoel. Stapelen of vormen van de ferrietblokken is ook mogelijk. De luchtspleet tussen de spoelen kan behoorlijk groot zijn, afhankelijk van de bodemvrijheid van het voertuig. Dit leidt tot lekinductie van vergelijkbare afmetingen als de wederzijdse inductantie. Elke spoel in het IPT-systeem kan ronde, rechthoekige, solenoïde, DD, DDQ, bipolaire, enz. Vormen hebben. De voordelen van elk spoelsysteem variëren wat betreft interoperabiliteit, grootte, fluxlekkage, positietoleranties en operationele complexiteit. Bij hogere vermogens wordt een bifilaire wikkeling gebruikt om de ampère-windingen (of magnetomotorische kracht) te verminderen. De efficiëntie van het gehele IPT-systeem wordt beperkt door de eigen kwaliteitsfactor van de spoelen. Dit kan worden vergroot door een litzedraad te gebruiken om de huid- en nabijheidsverliezen op zowel bundel- als strengniveau zorgvuldig te verminderen.
Figuur 1: Blokschema van een typisch inductief laadstation. Netstroom wordt gelijkgericht en omgezet in een hoogfrequent signaal met behulp van respectievelijk PFC en omvormer. Dit hoogfrequente stroomsignaal door de primaire spoel genereert een flux. Waardoor het induceren van een spanning over het secundair. Het signaal wordt later gelijkgericht om stroom te leveren aan een DC-acculading.
Figuur 2: a) Aan de secundaire zijde is een seriecondensator Css toegevoegd. Een correct gekozen waarde kan de secundaire inductantie (ωLs) opheffen om de vermogensoverdracht te verbeteren. De impedantie die door Voc wordt gezien, is bij deze frequentie puur resistief. Dit wordt meestal gebruikt in constant spanning toepassingen. b) Een parallelle condensator die de serie één vervangt, is nuttig bij toepassingen met constante stroom. c+d) Hybride compensatietype waar de serie en parallel Condensatoren kunnen worden aangepast zijn ook mogelijk.
Resonantie optimaliseren circuit Maximaliseert efficiëntie
Het vereenvoudigde model van een typisch inductief laadsysteem wordt getoond in figuur 1. Een hoogfrequente (d.w.z. 80-90 kHz) omvormer converteert na een PFC het gelijkgerichte net spanning in een AC-blokgolf die nodig is voor een effectieve krachtoverbrenging.
Deze hoogfrequente stroom door de primaire spoel genereert een flux die a induceert spanning over de secundaire zijde. Dit spanning heet open-circuit spanning (Voc), gegeven door vergelijking 1, waarbij Ip de primaire spoelstroom is, M de wederzijdse inductantie is en ω de hoekfrequentie is.
Voc = jωMIp
Voc, wanneer aangesloten op een belasting, levert vermogen en wordt gegeven door vergelijking 2, waarbij Rac de equivalente belastingsweerstand is (de impedantie die wordt gepresenteerd door de actieve gelijkrichter en de belasting aan de secundaire zijde.) Ls, is de secundaire inductantie.
P_ {out} = frac {V_ {2} ^ {oc} R_ {ac}} {R_ {2} ^ {ac} + (omega ^ {2} L_ {2} ^ {s})}
Met behulp van de stelling van maximale energieoverdracht met vergelijking 2 wordt het maximale uitgangsvermogen bereikt bij Rac = ωLs. Een serie toevoegen condensator in de vergelijking met 1/ωC2 kan de term ωLs worden geannuleerd om het maximale overdraagbare vermogen te verdubbelen. Maar in plaats van een reeks zijn ook verschillende andere compensatietopologieën mogelijk. Ze kunnen elk T (of n)-netwerk zijn dat is gebouwd met behulp van passieve energieopslag componenten Enkele vereenvoudigde afstemnetwerken aan de secundaire zijde worden getoond in figuur 2.
Het uitgangsvermogen van de circuit kan ook worden geschreven als in vergelijking 3, waarbij Isc de stroom is van de secundaire zijde bij kortsluiting en Q2 de secundaire belastingskwaliteitsfactor is.
P_ {out} = V_ {oc} I_ {sc} Q_ {2} = frac {omega M ^ {2}} {L_ {s}} I_ {2} ^ {p} Q_ {2}
Uit vergelijking 3 kan de stroom van de primaire spoel worden verminderd door Q2 te verhogen en dus de verliezen te verkleinen. Maar de bandbreedte van het systeem zal worden verminderd, waardoor de implementatie van het controlesysteem moeilijker wordt. De vereiste volt-ampèrewaarde van de secundaire spoel neemt ook toe.
Bidirectionele krachtstroom verlaagt de netkosten
Om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, is er een sterke drang naar hernieuwbare energiebronnen. Het meest opvallend zonne- en windenergie. Maar zonlicht- en windstromen zijn onderbroken en dergelijke fluctuaties kunnen het net destabiliseren. In het streven naar energieonafhankelijkheid installeren veel industrieën hun eigen systemen. Dit komt doordat de toegang tot technologieën voor hernieuwbare energie steeds gemakkelijker wordt. Zo zouden wagenparkbezitters, die hun voertuigen willen elektrificeren, baat hebben bij de (goedkopere) opwekking van hun eigen stroom en daarom rastersystemen of oplaadpunten installeren. Aan de andere kant zou dit kunnen leiden tot een toenemende behoefte aan grote landruimte om te voldoen aan de vraag naar piekvermogen. Smart grid-opslagsystemen kunnen het vereiste piekvermogen echter verminderen. Door energie op te slaan tijdens piekbeschikbaarheid en te leveren wanneer dat nodig is, kan de stroom worden beheerd en kan de externe vraag vanuit het net worden gestabiliseerd.
Vanwege de relatief grote capaciteiten kunnen accu's van elektrische voertuigen worden beschouwd als ideale energieopslagelementen voor netstabilisatie. Daarom moeten acculaders, inclusief draadloze systemen, worden verbeterd om een bidirectionele werking mogelijk te maken.
Een aangepast model van het IPT-systeem met bidirectionele functionaliteit wordt getoond in Figuur 3 In de voorwaartse modus stroomt stroom van het net naar een batterijlading. Het blok na de PFC fungeert als een inverter die de primaire spoel bekrachtigt. Een gelijkrichter is vereist om de wisselstroom van de secundaire spoel om te zetten in een batterij. De respectieve functies van deze blokken worden verwisseld, terwijl ze in omgekeerde modus zijn. De keuze van het compensatietype en zijn waarden is afhankelijk van veel criteria. Sommigen van hen worden hieronder besproken:
Beheersbaarheid: De algemene controlemethode is de primaire controle. Deze methode regelt de uitgangsspanning van de hoogfrequente (HF) omvormer als de ingangsspanning van de primaire spoel. Volgens vergelijking 4 is zowel spanningsregeling als faseregeling mogelijk. Waarbij Vdc de PFC-uitgangsspanning is en α de fasehoek.
V_ {in, rms} = frac {2sqrt {2}} {pi} V_ {dc} cosfrac {alpha} {2}
Typische spanningsoverdrachtfuncties van een S (erial) -S (erial) en LC-LC-compensatie Fig. 1.4. De positie van de batterij is vast en levert 1 kW en 5 kW. De grafieken tonen de modi voorwaarts en achterwaarts. De belastingskwaliteitsfactor mag niet te hoog zijn, het vereiste werkbereik kan de specificatie van de omvormer overschrijden. Aan de andere kant zal een lage kwaliteitsfactor het beschikbare werkbereik niet volledig benutten. Zoals te zien is in de LC-LC-gecompenseerde versterkingsrespons, is de variatie van de versterking laag. En bij SS-voorwaartse respons vindt poolscheiding plaats bij hogere vermogens. Dit bemoeilijkt het ontwerp van het regelsysteem.
Figuur 3: Het systeem is lijn in Figuur 1, maar met dubbele werking mogelijk voor zowel DC-AC als AC-DC converters. Dit maakt bidirectionele krachtoverdracht mogelijk.
Figuur 4: AC kan respons krijgen in beide vermogensrichtingen zijn uitgezet voor SS- en LC-LC-compensaties. Beide zijn gedraaid om te werken op 85 kHz.
Afbeelding 5: Ingangsfase-respons om te controleren of de ZVS-werking mogelijk is in beide vermogensmodi
De corresponderende inputfase-reacties zijn uitgezet in Figuur 5. De faserespons begint af te vlakken (over het werkbereik) in de SS forward, waardoor het beschikbare ZVS-bereik wordt beperkt. Terwijl in omgekeerde modus de scherpe veranderingen als gevolg van factoren van hoge kwaliteit veel reactief vermogen vereisen. Dezelfde trend kan worden waargenomen in LC-LC, maar met verwisselde reacties.
Eenvoud: door LC uit te breiden naar de partiële serietopologie LCC, kan de kwaliteitsfactor worden verbeterd die past bij de primaire besturing. Maar het verhoogt de kosten en complexiteit vanwege de toegevoegde componenten. Door aan beide zijden hetzelfde type compensatie te gebruiken, wordt de symmetrie behouden en kunnen de ontwerpinspanningen worden verminderd.
Gereflecteerde impedantie: de reactieve component van de gereflecteerde impedantie beïnvloedt resonantie. Bij gedeeltelijke parallelle compensatie is er altijd een reactieve component. Terwijl zowel de SS- als de LCC-LCC-compensatie nul gereflecteerde reactantie zouden hebben wanneer ze onder resonantie worden gebruikt (behalve als er een offset is tussen de spoelen). Als er niet op wordt gelet, kan dit de zachte inschakeling van de transistors in sommige scenario's beperken, waardoor de operationele efficiëntie wordt verminderd. Adaptieve afstemming kan dit probleem helpen verlichten. Met de juiste ontwerptechnieken kan een optimale afstemming worden verkregen om de ZVS-werking in beide modi over verschillende posities te garanderen.
Kortom, het is noodzakelijk om vanaf het begin van het ontwerp van een bidirectioneel draadloos oplaadsysteem rekening te houden met alle beperkingen voor zowel voorwaartse als achterwaartse bedrijfsmodi. De prestatie zal afnemen als de spoelparameters en het afstemsysteem op dezelfde manier worden geselecteerd als voor een unidirectioneel ontwerp. Daarom is een bottom-up benadering nodig om vanaf het begin aan alle vereisten en beperkingen te voldoen om het magnetische systeem te optimaliseren, rekening houdend met de kosten en beperkingen van de vermogenselektronica.
Finepower breidt voortdurend de technische beperkingen van draadloos opladen uit en ondersteunt klanten om deze technologie efficiënt in hun respectievelijke toepassingen te implementeren.