A taxa de eletrificação da mobilidade em indústrias ou transporte depende da implantação da infraestrutura de carregamento. A solução existente, nomeadamente o carregamento condutivo, apresenta várias preocupações em termos de segurança, robustez e conforto devido à ligação de cabos enormes, especialmente para uma potência superior. O carregamento sem fio é recomendado para fornecer uma solução segura, limpa e autônoma.
O que é transferência de energia sem fio e indutiva (IPT)?
O cientista Nikola Tesla cunhou o termo “Wireless Power Transfer” (WPT) e apresentou um sistema sem contato em 1893. Os princípios fundamentais que regem isso tecnologia são a lei de Lenz e a lei da indução de Michael Faraday. Existem muitos métodos pelos quais isso pode ser empregado. O comercializado com maior sucesso (em baixos níveis de potência) é a “Transferência de Potência Indutiva” (IPT). IPT usa campo próximo tecnologia onde a energia permanece dentro de uma pequena região do transmissor.
A Finepower desenvolve soluções para transferência de energia sem fio (indutiva) há vários anos. Agora estamos estendendo esta tecnologia para operação bidirecional em conjunto com alta potência, baixa Voltagem baterias no projeto de pesquisa BiLiA, financiado pelo Ministério da Economia da Baviera e pela organização de execução do projeto VDI-VDE-I.
Sistema de bobina magnética IPT
O estágio de acoplamento magnético é a parte mais importante na decisão do projeto da eletrônica de potência, eficiência e potência transferível. Em uma aplicação típica como carregamento de veículo elétrico, a bobina lateral secundária é fixada na parte inferior do veículo. O lado da bobina primária é colocado no chão. Este conjunto é garantido para ter fluxo entre essas duas bobinas usando ferrite e alumínio nos lados externos de cada bobina. O empilhamento ou moldagem dos blocos de ferrite também é possível. O espaço entre as bobinas pode ser bastante grande, dependendo da distância ao solo do veículo. Isso leva a indutância de vazamento de dimensões semelhantes à indutância mútua. Cada bobina do sistema IPT pode ter formas circulares, retangulares, solenóides, DD, DDQ, bipolares, etc. As vantagens de cada sistema de bobina variam em termos de interoperabilidade, tamanho, vazamento de fluxo, tolerâncias posicionais e complexidade operacional. Em potências mais altas, para reduzir os amperes-voltas (ou força magnetomotriz), um enrolamento bifilar é usado. A eficiência de todo o sistema IPT é limitada pelo fator de qualidade nativo das bobinas. Isso pode ser aumentado usando um fio Litz, reduzindo cuidadosamente as perdas de pele e de proximidade tanto no nível do feixe quanto do fio.
Figura 1: Diagrama de blocos de uma estação de carregamento indutivo típica. A energia da rede é retificada e convertida em um sinal de alta frequência usando PFC e inversor, respectivamente. Este sinal de corrente de alta frequência através da bobina primária gera um fluxo. Assim, induzindo uma Voltagem através do secundário. O sinal é posteriormente retificado para fornecer energia a uma carga de bateria CC.
Figura 2: a) No lado secundário, é adicionado um capacitor em série Css. Um valor escolhido corretamente pode cancelar a indutância secundária (ωLs) para melhorar a transferência de potência. A impedância vista por Voc é puramente resistiva nesta frequência. Isso normalmente é usado em constante Voltagem formulários. b) Um capacitor paralelo substituindo o em série é útil em aplicações de corrente constante. c+d) Tipo de compensação híbrida onde a série e o paralelo capacitores podem ser ajustados também são possíveis.
Otimizando Ressonante o circuito Maximiza a eficiência
O modelo simplificado de um sistema de carregamento indutivo típico é mostrado na Figura 1. Um inversor de alta frequência (ou seja, 80-90 kHz) após um PFC converter a rede retificada Voltagem em uma onda quadrada CA que é necessária para uma transferência eficaz de energia.
Esta corrente de alta frequência através da bobina primária gera um fluxo induzindo um Voltagem através do lado secundário. Esse Voltagem é chamado de abertoo circuito tensão (Voc), dada pela Equação 1 onde Ip é a corrente da bobina primária, M é a indutância mútua e, ω é a frequência angular.
Voc = jωMIp
Voc, quando conectado a uma carga fornece energia e é dado pela Equação 2, onde Rac é a resistência de carga equivalente (a impedância apresentada pelo retificador ativo e a carga para o lado secundário.) Ls, é a indutância secundária.
P_ {out} = frac {V_ {2} ^ {oc} R_ {ac}} {R_ {2} ^ {ac} + (ômega ^ {2} L_ {2} ^ {s})}
Usando o teorema de transferência de potência máxima com a Equação 2, a potência máxima de saída é alcançada em Rac = ωLs. Adicionando uma série capacitor na equação com 1/ωC2 para cancelar o termo ωLs pode dobrar a potência máxima transferível. Mas em vez de uma série, também são possíveis outras topologias de compensação. Eles podem ser qualquer T (ou n) – rede construída usando armazenamento passivo de energia componentes. Algumas redes de ajuste simplificadas no lado secundário são mostradas na Figura 2.
A potência de saída do o circuito também pode ser escrito como na Equação 3, onde Isc é a corrente do lado secundário sob condição de curto-circuito e Q2 é o fator de qualidade da carga secundária.
P_ {out} = V_ {oc} I_ {sc} Q_ {2} = frac {omega M ^ {2}} {L_ {s}} I_ {2} ^ {p} Q_ {2}
A partir da Equação 3, a corrente da bobina primária pode ser reduzida aumentando Q2 e, portanto, reduz as perdas. Mas a largura de banda do sistema será reduzida, dificultando a implementação do sistema de controle. A classificação volt-ampere necessária da bobina secundária também aumenta.
O fluxo de energia bidirecional reduz os custos da rede
Para reduzir as emissões de gases de efeito estufa, há um forte impulso para as energias renováveis. Principalmente energia solar e eólica. Mas os fluxos de luz solar e vento são intermitentes e tais flutuações podem desestabilizar a rede. Além disso, na busca pela independência energética, muitas indústrias estão instalando seus próprios sistemas. Isso se deve à facilidade cada vez maior de acesso às tecnologias de energia renovável. Por exemplo, proprietários de frotas de automóveis, movidos a eletrificar seus veículos, se beneficiariam com a geração (mais barata) de sua própria energia e, portanto, instalariam sistemas de rede ou pontos de carregamento. Por outro lado, isso poderia levar a uma necessidade crescente de grande espaço de terra para cobrir as demandas de energia de pico. Os sistemas de armazenamento de grade inteligente, no entanto, podem reduzir a potência de pico necessária. Ao armazenar energia durante o pico de disponibilidade e fornecê-la quando necessário, o fluxo de energia pode ser gerenciado e a demanda externa da rede pode ser estabilizada.
Devido às capacidades relativamente grandes, as baterias de veículos elétricos podem ser vistas como elementos ideais de armazenamento de energia para estabilização da rede. Portanto, carregadores de bateria, incluindo sistemas sem fio, devem ser aprimorados para fornecer operação bidirecional.
Um modelo modificado do sistema IPT com funcionalidade bidirecional é mostrado na Figura 3 No modo direto, a energia flui da rede para uma carga de bateria. O bloco após o PFC atua como um inversor excitando a bobina primária. Um retificador é necessário para converter a energia CA da bobina secundária em uma bateria. As respectivas funções desses blocos serão trocadas, enquanto no modo reverso. A escolha do tipo de compensação e seus valores dependem de muitos critérios. Alguns deles são discutidos abaixo:
Controlabilidade: O método de controle comum é o controle primário. Este método controla a tensão de saída do inversor de alta frequência (HF) como a tensão de entrada da bobina primária. De acordo com a Equação 4, tanto o controle de tensão quanto o controle de fase são possíveis. Onde Vdc é a tensão de saída do PFC e α é o ângulo de fase.
V_ {pol, rms} = frac {2sqrt {2}} {pi} V_ {dc} cosfrac {alfa} {2}
Funções típicas de transferência de tensão de uma compensação S (erial) -S (erial) e LC-LC Fig. 1.4. A posição da bobina é fixa fornecendo 1 kW e 5 kW. Os gráficos mostram os modos direto e reverso. O fator de qualidade da carga não deve ser muito alto, a faixa de operação necessária pode exceder a especificação do inversor. Por outro lado, um fator de baixa qualidade não utilizará totalmente a faixa operacional disponível. Como pode ser visto na resposta de ganho compensado LC-LC, a variação do ganho é baixa. E na resposta direta do SS, a divisão do pólo acontece em potências superiores. Isso complica o projeto do sistema de controle.
Figura 3: O sistema está alinhado na Figura 1, mas com operação dupla possível para conversores DC-AC e AC-DC. Isso permite a transferência de potência bidirecional.
Figura 4: AC pode ganhar resposta em ambas as direções de potência são plotadas para compensações SS e LC-LC. Ambos são ajustados para operar a 85 kHz.
Figura 5: Resposta da fase de entrada para verificar a possibilidade de operação ZVS em ambos os modos de energia
As respostas de fase de entrada correspondentes são plotadas na Figura 5. A resposta de fase começa a se achatar (em toda a faixa operacional) no SS para a frente, limitando a faixa ZVS disponível. Enquanto no modo reverso, as mudanças bruscas devido a fatores de alta qualidade exigem muita potência reativa. A mesma tendência pode ser observada em LC-LC, mas com respostas trocadas.
Simplicidade: estendendo LC para a topologia de série parcial LCC, o fator de qualidade pode ser melhorado de acordo com o controle primário. Mas aumenta o custo e a complexidade devido aos componentes adicionados. Também usar o mesmo tipo de compensação em ambos os lados mantém a simetria e pode reduzir os esforços de projeto.
Impedância refletida: O componente reativo da impedância refletida afeta a ressonância. Na compensação paralela parcial, sempre há algum componente reativo. Considerando que ambas as compensações SS e LCC-LCC teriam reatância refletida zero quando operadas abaixo da ressonância (exceto se houver um deslocamento entre as bobinas). Se não houver cuidado, isso pode limitar o soft turn-on dos transistores em alguns cenários, reduzindo assim a eficiência operacional. O ajuste adaptável pode ajudar a aliviar esse problema. Com técnicas de design adequadas, uma escolha ideal de ajuste pode ser obtida para garantir a operação ZVS em ambos os modos nas posições.
Para resumir, é necessário considerar todas as restrições para os modos de operação para frente e para trás desde o início do projeto de um sistema de carregamento sem fio bidirecional. O desempenho diminuirá se os parâmetros da bobina e o sistema de sintonia forem selecionados da mesma forma que em um projeto unidirecional. Portanto, uma abordagem ascendente é necessária para compilar todos os requisitos e restrições desde o início para otimizar o sistema magnético, considerando o custo e as limitações da eletrônica de potência.
A Finepower está continuamente ampliando as limitações técnicas do carregamento sem fio e apóia os clientes na implementação eficiente dessa tecnologia em seus respectivos aplicativos.