Скорость электрификации мобильности в промышленности или на транспорте зависит от развертывания зарядной инфраструктуры. Существующее решение, а именно токопроводящая зарядка, имеет несколько проблем с безопасностью, надежностью и комфортом из-за подключения огромных кабелей, особенно для более высокой мощности. Беспроводная зарядка рекламируется как безопасное, чистое и автономное решение.
Что такое беспроводная и индуктивная передача энергии (IPT)?
Ученый Никола Тесла ввел термин «беспроводная передача энергии» (WPT) и представил бесконтактную систему в 1893 году. technology Это закон Ленца и закон индукции Майкла Фарадея. Существует множество методов, с помощью которых это можно использовать. Наиболее успешно коммерциализированным (при низких уровнях мощности) является «Индуктивная передача энергии» (IPT). IPT использует ближнее поле technology где энергия остается в пределах небольшой области передатчика.
Finepower разрабатывает решения для беспроводной (индуктивной) передачи энергии уже несколько лет. Теперь мы расширяем эту технологию до двунаправленной работы в сочетании с высокой мощностью, низкой напряжение батареи в исследовательском проекте BiLiA, который финансируется Министерством экономики Баварии и организацией по реализации проектов VDI-VDE-I.
Система магнитной катушки IPT
Этап магнитной связи является наиболее важной частью, определяющей конструкцию силовой электроники, эффективность и передаваемую мощность. В типичном применении в качестве зарядки электромобиля катушка вторичной стороны прикрепляется к нижней стороне транспортного средства. Сторона первичной обмотки кладется на землю. Этот узел обеспечивает наличие потока между этими двумя катушками за счет использования феррита и алюминий на внешних сторонах каждой катушки. Также возможно наложение или формирование ферритовых блоков. Воздушный зазор между катушками может быть довольно большим, в зависимости от дорожного просвета автомобиля. Это приводит к индуктивности рассеяния, аналогичной величине взаимной индуктивности. Каждая катушка в системе IPT может иметь круглую, прямоугольную, соленоидную, DD, DDQ, биполярную и т. Д. Формы. Преимущества каждой системы катушек различаются в зависимости от функциональной совместимости, размера, рассеяния магнитного потока, позиционных допусков и сложности эксплуатации. При более высоких мощностях для уменьшения ампер-витков (или магнитодвижущей силы) используется бифилярная обмотка. Эффективность всей системы IPT ограничена исходной добротностью катушек. Это можно увеличить, используя проволоку Litz, которая тщательно снижает потери на обшивке и сближении как на уровне пучка, так и на уровне прядей.
Рисунок 1: Блок-схема типичной индуктивной зарядной станции. Энергия сети выпрямляется и преобразуется в высокочастотный сигнал с помощью PFC и инвертора соответственно. Этот высокочастотный токовый сигнал через первичную катушку создает поток. Тем самым, вызывая напряжение через вторичку. Затем сигнал выпрямляется для подачи питания на нагрузку батареи постоянного тока.
Рис. 2: а) На вторичной стороне добавлен добавочный конденсатор Css. Правильно выбранное значение может устранить вторичную индуктивность (ωLs) для улучшения передачи мощности. Импеданс, видимый Voc, является чисто резистивным на этой частоте. Обычно используется в постоянных напряжение Приложения. б) Параллельный конденсатор, заменяющий последовательный, полезен в приложениях постоянного тока. c+d) Гибридный тип компенсации, при котором последовательно и параллельно Конденсаторы также возможны.
Оптимизация резонанса схема Максимальная эффективность
Упрощенная модель типичной системы индуктивной зарядки показана на рисунке 1. Высокочастотный (т.е. 80-90 кГц) инвертор после преобразования выпрямленной сети с помощью ККМ. напряжение в прямоугольную волну переменного тока, которая необходима для эффективной передачи энергии.
Этот высокочастотный ток через первичную катушку создает поток, индуцирующий напряжение по вторичной стороне. Этот напряжение называется открытымсхема напряжение (Voc), определяемое уравнением 1, где Ip — ток первичной обмотки, M — взаимная индуктивность, а ω — угловая частота.
Voc = jωMIp
Voc, при подключении к нагрузке, выдает мощность и определяется уравнением 2, где Rac - эквивалентное сопротивление нагрузки (полное сопротивление, представленное активным выпрямителем и нагрузкой на вторичной стороне). Ls - это вторичная индуктивность.
P_ {out} = frac {V_ {2} ^ {oc} R_ {ac}} {R_ {2} ^ {ac} + (omega ^ {2} L_ {2} ^ {s})}
Используя теорему о передаче максимальной мощности с уравнением 2, максимальная выходная мощность достигается при Rac = ωLs. Добавление серии конденсатор в уравнении с 1/ωC2 для отмены члена ωLs можно удвоить максимальную передаваемую мощность. Но вместо серии возможны и другие топологии компенсации. Это могут быть любые T (или n) — сеть, построенная с использованием пассивного хранения энергии. компоненты. Некоторые упрощенные схемы настройки на вторичной стороне показаны на рисунке 2.
Выходная мощность схема также можно записать в виде уравнения 3, где Isc — ток вторичной обмотки в условиях короткого замыкания, а Q2 — добротность вторичной нагрузки.
P_ {out} = V_ {oc} I_ {sc} Q_ {2} = frac {omega M ^ {2}} {L_ {s}} I_ {2} ^ {p} Q_ {2}
Согласно уравнению 3, ток первичной обмотки может быть уменьшен путем увеличения Q2 и, таким образом, уменьшения потерь. Но пропускная способность системы будет уменьшена, что затруднит внедрение системы управления. Требуемый вольт-амперный номинал вторичной обмотки также увеличивается.
Двунаправленный поток мощности снижает затраты на энергосистему
Чтобы сократить выбросы парниковых газов, наблюдается сильный толчок к возобновляемым источникам энергии. В первую очередь солнечная и ветровая энергия. Но потоки солнечного света и ветра непостоянны, и такие колебания могут дестабилизировать сеть. Кроме того, в стремлении к энергетической независимости многие отрасли устанавливают свои собственные системы. Это связано со все большей легкостью доступа к технологиям возобновляемой энергии. Например, владельцы автопарков, которых заставят электрифицировать свои автомобили, выиграют от (более дешевой) выработки собственной энергии и, следовательно, установят сетевые системы или точки зарядки. С другой стороны, это может привести к увеличению потребности в больших земельных площадях для покрытия пиковых нагрузок. Однако интеллектуальные системы хранения данных могут снизить требуемую пиковую мощность. Сохраняя энергию во время пиковой доступности и поставляя ее при необходимости, можно управлять потоком мощности и стабилизировать внешний спрос от сети.
Благодаря относительно большой емкости аккумуляторные батареи электромобилей можно рассматривать как идеальные элементы хранения энергии для стабилизации сети. Следовательно, зарядные устройства аккумуляторов, включая беспроводные системы, должны быть усовершенствованы для обеспечения двунаправленной работы.
Модифицированная модель системы IPT с двунаправленной функциональностью показана на рисунке 3. В прямом режиме мощность перетекает из сети в аккумуляторную нагрузку. Блок после PFC действует как инвертор, возбуждающий первичную обмотку. Выпрямитель необходим для преобразования энергии переменного тока от вторичной катушки в батарею. Соответствующие функции этих блоков будут меняться местами в обратном режиме. Выбор типа компенсации и ее значений зависит от многих критериев. Некоторые из них обсуждаются ниже:
Управляемость: Общий метод контроля - это первичный контроль. Этот метод управляет выходным напряжением высокочастотного (ВЧ) инвертора как входным напряжением первичной катушки. Согласно уравнению 4 возможно управление напряжением или фазой. Где Vdc - выходное напряжение PFC, а α - фазовый угол.
V_ {in, rms} = frac {2sqrt {2}} {pi} V_ {dc} cosfrac {alpha} {2}
Типичные передаточные функции напряжения для компенсации S (erial) -S (erial) и LC-LC Рис. 1.4. Положение змеевика фиксированное, доставляя 1 кВт и 5 кВт. Графики показывают как прямой, так и обратный режимы. Коэффициент качества нагрузки не должен быть слишком высоким, требуемый рабочий диапазон может превышать спецификацию инвертора. С другой стороны, низкий коэффициент качества не может полностью использовать доступный рабочий диапазон. Как видно из отклика усиления с компенсацией LC-LC, изменение усиления невелико. А в прямом ответе SS разделение полюсов происходит на более высоких мощностях. Это усложняет конструкцию системы управления.
Рисунок 3: Система показана на рисунке 1, но возможна двойная работа как для преобразователей постоянного тока в переменный, так и для преобразователей переменного тока в постоянный. Это позволяет двунаправленную передачу мощности.
Рисунок 4: Отклик на усиление переменного тока в обоих направлениях мощности нанесен на график для компенсаций SS и LC-LC. Оба работают на частоте 85 кГц.
Рисунок 5: Фазовая характеристика входного сигнала для проверки возможности работы ZVS в обоих режимах мощности.
Соответствующие входные фазовые характеристики показаны на рисунке 5. Фазовая характеристика начинает выравниваться (во всем рабочем диапазоне) в прямом направлении SS, ограничивая доступный диапазон ZVS. Тогда как в реверсивном режиме резкие изменения из-за высоких добротностей требуют большой реактивной мощности. Ту же тенденцию можно наблюдать в LC-LC, но с переменными ответами.
Простота: путем расширения LC до LCC с топологией частичного ряда можно повысить коэффициент качества, который подходит для первичного управления. Но это увеличивает стоимость и сложность из-за добавленных компонентов. Кроме того, использование одинаковой компенсации с обеих сторон позволяет сохранить симметричность и снизить затраты на проектирование.
Отраженный импеданс: Реактивная составляющая отраженного импеданса влияет на резонанс. В частично-параллельной компенсации всегда присутствует некоторая реактивная составляющая. В то время как компенсация SS и LCC-LCC будет иметь нулевое отраженное реактивное сопротивление при работе ниже резонанса (кроме случаев смещения между катушками). Если не проявить осторожность, это может ограничить плавное включение транзисторов в некоторых сценариях, что снизит эффективность работы. Адаптивная настройка может помочь решить эту проблему. При правильном проектировании можно получить оптимальный выбор настройки для обеспечения работы ZVS в обоих режимах в разных положениях.
Подводя итог, необходимо учитывать все ограничения как для прямого, так и для обратного режимов работы с момента начала проектирования системы двунаправленной беспроводной зарядки. Производительность ухудшится, если параметры катушки и система настройки будут выбраны таким же образом, как и для однонаправленной конструкции. Следовательно, необходим восходящий подход для компиляции всех требований и ограничений с самого начала для оптимизации магнитной системы с учетом стоимости и ограничений силовой электроники.
Finepower постоянно расширяет технические ограничения беспроводной зарядки и помогает клиентам эффективно внедрять эту технологию в свои соответствующие приложения.