Endüstrilerde veya ulaşımda mobilitenin elektrifikasyon oranı, şarj altyapısının konuşlandırılmasına bağlıdır. Mevcut çözüm, yani iletken şarj, özellikle daha yüksek güç için büyük kabloların takılması nedeniyle güvenlik, sağlamlık ve konfor açısından çeşitli kaygılara sahiptir. Kablosuz şarjın güvenli, temiz ve otonom bir çözüm sağlayacağı öne sürülüyor.
Kablosuz ve Endüktif Güç Aktarımı (IPT) Nedir?
Bilim adamı Nikola Tesla, “Kablosuz Güç Aktarımı” (WPT) terimini icat etti ve 1893 yılında temassız bir sistem sundu. Bunu yöneten temel ilkeler teknoloji Lenz yasası ve Michael Faraday'ın indüksiyon yasasıdır. Bunun uygulanabileceği birçok yöntem vardır. En başarılı şekilde ticarileştirilen (düşük güç seviyelerinde) “Endüktif Güç Transferi”dir (IPT). IPT yakın alan kullanır teknoloji enerjinin vericinin küçük bir bölgesi içinde kaldığı yer.
Finepower, birkaç yıldır kablosuz (endüktif) güç aktarımı için çözümler geliştirmektedir. Şimdi bu teknolojiyi yüksek güç, düşük güç ile birlikte çift yönlü çalışmaya genişletiyoruz. Voltaj Bavyera Ekonomi Bakanlığı ve proje yürütme kuruluşu VDI-VDE-I tarafından finanse edilen BiLiA araştırma projesinde piller.
IPT Manyetik Bobin Sistemi
Manyetik bağlantı aşaması, güç elektroniğinin tasarımına, verimliliğine ve aktarılabilir güce karar veren en önemli kısımdır. Elektrikli araç şarjı gibi tipik bir uygulamada, ikincil yan bobin aracın alt tarafına takılır. Birincil bobin tarafı yere konur. Bu düzeneğin ferrit ve kullanılarak bu iki bobin arasında akı olması sağlanır. alüminyum her bobinin dış taraflarında. Ferrit blokların istiflenmesi veya şekillendirilmesi de mümkündür. Bobinler arasındaki hava boşluğu, aracın yerden yüksekliğine bağlı olarak oldukça büyük olabilir. Bu, karşılıklı endüktansla benzer boyutlarda kaçak endüktansa yol açar. IPT sistemindeki her bir bobin dairesel, dikdörtgen, solenoid, DD, DDQ, bipolar vb. şekillerde olabilir. Her bir bobin sisteminin avantajları, birlikte çalışabilirlik, boyut, akı kaçağı, konumsal toleranslar ve operasyonel karmaşıklığa göre değişir. Daha yüksek güçlerde, amper dönüşlerini (veya Manyetomotif kuvveti) azaltmak için iki telli bir sargı kullanılır. Tüm IPT sisteminin verimliliği, bobinlerin doğal kalite faktörü ile sınırlıdır. Bu, hem demet hem de iplik seviyesinde kabuk ve yakınlık kayıplarını dikkatli bir şekilde azaltan bir Litz teli kullanılarak artırılabilir.
Şekil 1: Tipik bir endüktif şarj istasyonunun blok şeması. Şebeke gücü sırasıyla PFC ve invertör kullanılarak düzeltilir ve yüksek frekanslı bir sinyale dönüştürülür. Birincil bobinden geçen bu yüksek frekanslı akım sinyali bir akı üretir. Böylece, bir Voltaj ikincil boyunca. Sinyal daha sonra DC akü yüküne güç sağlamak için düzeltilir.
Şekil 2: a) İkincil tarafa seri kapasitör Css eklenmiştir. Düzgün seçilmiş bir değer, güç aktarımını iyileştirmek için ikincil endüktansı (ωLs) iptal edebilir. Voc tarafından görülen empedans bu frekansta tamamen dirençlidir. Bu genellikle sabit olarak kullanılır Voltaj uygulamalar. b) Seri kondansatörün yerini alan paralel kondansatör, sabit akım uygulamalarında kullanışlıdır. c+d) Seri ve paralelin olduğu hibrit kompanzasyon tipi Kondansatörler ayarlanması da mümkündür.
Rezonansın Optimize Edilmesi devre Verimliliği En Üst Düzeye Çıkarır
Tipik bir endüktif şarj sisteminin basitleştirilmiş modeli Şekil 1'de gösterilmektedir. Bir PFC'nin düzeltilmiş şebekeyi dönüştürmesinden sonra yüksek frekanslı (yani 80-90 kHz) bir invertör Voltaj Etkili güç aktarımı için gerekli olan AC kare dalgaya dönüştürülür.
Birincil bobinden geçen bu yüksek frekanslı akım, bir akıyı indükleyen bir akı üretir. Voltaj ikincil tarafın karşısında. Bu Voltaj açık denirdevre Denklem 1 ile verilen voltaj (Voc), burada Ip birincil bobin akımıdır, M karşılıklı endüktanstır ve ω açısal frekanstır.
Voc = jωMIp
Voc, bir yüke bağlandığında güç sağlar ve Denklem 2 ile verilir; burada Rac, eşdeğer yük direncidir (Aktif doğrultucu ve ikincil tarafa yük tarafından sunulan empedans). Ls, ikincil endüktanstır.
P_{out} = frac{V_{2}^{oc}R_{ac}}{R_{2}^{ac}+(omega^{2}L_{2}^{s})}
Denklem 2 ile maksimum güç aktarımı teoremi kullanılarak maksimum çıkış gücüne Rac = ωLs'de ulaşılır. Bir seri ekleme kondansatör Denklemde 1/ωC2 terimini iptal etmek için ωL'ler maksimum aktarılabilir gücü iki katına çıkarabilir. Ancak bir seri yerine farklı telafi topolojileri de mümkündür. Pasif enerji depolama kullanılarak oluşturulmuş herhangi bir T (veya n) ağı olabilirler bileşenler. İkincil taraftaki bazı basitleştirilmiş ayarlama ağları Şekil 2'de gösterilmektedir.
Çıkış gücü devre Denklem 3'teki gibi de yazılabilir; burada Isc, kısa devre durumunda sekonder tarafın akımıdır ve Q2, sekonder yük kalite faktörüdür.
P_{out} = V_{oc}I_{sc}Q_{2}=frac{omega M^{2}}{L_{s}}I_{2}^{p}Q_{2}
Denklem 3'ten Q2 artırılarak birincil bobin akımının azaltılabileceği ve dolayısıyla kayıpların azaltılabileceği görülmektedir. Ancak sistemin bant genişliği azalacak ve bu da kontrol sisteminin uygulanmasını zorlaştıracaktır. İkincil bobinin gerekli volt-amper değeri de artar.
Çift Yönlü Güç Akışı Şebeke Maliyetlerini Azaltır
Sera gazı emisyonlarını azaltmak için yenilenebilir enerjilere yönelik güçlü bir baskı var. En çok güneş ve rüzgar enerjisi öne çıkıyor. Ancak güneş ışığı ve rüzgar akışları aralıklıdır ve bu tür dalgalanmalar şebekenin istikrarını bozabilir. Ayrıca enerji bağımsızlığı arayışı içinde birçok endüstri kendi sistemlerini kuruyor. Bunun nedeni yenilenebilir enerji teknolojilerine erişimin giderek kolaylaşmasıdır. Örneğin, araçlarını elektrikli hale getirmeye çalışan araç filosu sahipleri, kendi güçlerinin (daha ucuz) üretiminden faydalanacak ve bu nedenle şebeke sistemleri veya şarj noktaları kuracaklardır. Öte yandan bu durum, en yüksek güç taleplerini karşılamak için geniş arazi alanına duyulan ihtiyacın artmasına yol açabilir. Ancak akıllı şebeke depolama sistemleri gerekli tepe gücünü azaltabilir. Enerjinin en yüksek kullanılabilirlik sırasında depolanması ve ihtiyaç duyulduğunda sağlanması yoluyla güç akışı yönetilebilir ve şebekeden gelen harici talep stabilize edilebilir.
Nispeten büyük kapasiteleri nedeniyle elektrikli araç aküleri, şebeke stabilizasyonu için ideal enerji depolama elemanları olarak görülebilir. Bu nedenle kablosuz sistemler de dahil olmak üzere akü şarj cihazlarının çift yönlü çalışma sağlayacak şekilde geliştirilmesi gerekmektedir.
IPT sisteminin çift yönlü işlevselliğe sahip değiştirilmiş bir modeli Şekil 3'te gösterilmektedir. İleri modda, güç şebekeden akü yüküne akar. PFC'den sonraki blok, birincil bobini uyaran bir invertör görevi görür. AC gücünü ikincil bobinden aküye dönüştürmek için bir doğrultucu gereklidir. Bu blokların ilgili işlevleri ters moddayken değiştirilecektir. Kompanzasyon tipinin ve değerlerinin seçimi birçok kritere bağlıdır. Bunlardan bazıları aşağıda tartışılmaktadır:
Kontrol Edilebilirlik: Ortak kontrol yöntemi birincil kontroldür. Bu yöntem, birincil bobin giriş voltajı olarak yüksek frekanslı (HF) invertör çıkış voltajını kontrol eder. Denklem 4'e göre gerilim kontrolü veya faz kontrolü mümkündür. Burada Vdc, PFC çıkış voltajıdır ve α, faz açısıdır.
V_{in,rms}=frac{2sqrt{2}}{pi }V_{dc}cosfrac{alpha }{2}
S(erial)-S(erial) ve LC-LC kompanzasyonunun tipik gerilim transfer fonksiyonları Şekil 1.4. Bobin konumu 1 kW ve 5 kW sağlayacak şekilde sabittir. Grafikler hem ileri hem de geri modları gösterir. Yük kalite faktörü çok yüksek olmamalıdır, gereken çalışma aralığı invertörün özelliklerini aşabilir. Öte yandan, düşük kalite faktörü mevcut çalışma aralığını tam olarak kullanmayacaktır. LC-LC telafili kazanç tepkisinde görüldüğü gibi kazancın değişimi düşüktür. SS ileri tepkisinde ise kutup bölünmesi daha yüksek güçlerde gerçekleşir. Bu durum kontrol sisteminin tasarımını zorlaştırmaktadır.
Şekil 3: Sistem Şekil 1'deki gibidir ancak hem DC-AC hem de AC-DC dönüştürücüler için ikili çalışma mümkündür. Bu, çift yönlü güç aktarımına izin verir.
Şekil 4: AC, SS ve LC-LC telafileri için çizilen her iki güç yönünde de yanıt alabilir. Her ikisi de 85 kHz'de çalışacak şekilde çevrilir.
Şekil 5: Her iki güç modunda da ZVS çalışma olasılığını kontrol etmek için giriş fazı yanıtı
Karşılık gelen giriş fazı yanıtları Şekil 5'te gösterilmektedir. Faz yanıtı SS ilerisinde düzleşmeye (çalışma aralığı boyunca) başlar ve mevcut ZVS aralığını sınırlandırır. Ters modda ise yüksek kalite faktörlerinden kaynaklanan keskin değişiklikler çok fazla reaktif güç gerektirir. Aynı eğilim LC-LC'de de gözlemlenebilir, ancak yanıtlar değişmiştir.
Basitlik: LC'yi kısmi seri topoloji LCC'ye genişleterek, kalite faktörü birincil kontrole uyacak şekilde geliştirilebilir. Ancak eklenen bileşenler nedeniyle maliyeti ve karmaşıklığı artırır. Ayrıca her iki tarafta da aynı tür telafinin kullanılması simetriyi korur ve tasarım çabalarını azaltabilir.
Yansıyan empedans: Yansıyan empedansın reaktif bileşeni rezonansı etkiler. Kısmi-paralel kompanzasyonda her zaman bir miktar reaktif bileşen bulunur. Oysa hem SS hem de LCC-LCC telafisi, rezonansın altında çalıştırıldığında sıfır yansıyan reaktansa sahip olacaktır (bobinler arasında bir sapma olması hariç). Dikkat edilmezse, bazı senaryolarda transistörlerin yumuşak açılmasını sınırlayabilir ve dolayısıyla operasyonel verimliliği azaltabilir. Uyarlanabilir ayarlama bu sorunun hafifletilmesine yardımcı olabilir. Uygun tasarım teknikleriyle, ZVS'nin her iki modda da konumlar arasında çalışmasını sağlamak için en uygun ayar seçimi elde edilebilir.
Özetlemek gerekirse, çift yönlü bir kablosuz şarj sisteminin tasarımının başlangıcından itibaren hem ileri hem de geri çalışma modlarına ilişkin tüm kısıtlamaların dikkate alınması gerekir. Bobin parametreleri ve ayar sistemi tek yönlü tasarımla aynı şekilde seçilirse performans düşecektir. Bu nedenle, güç elektroniği üzerindeki maliyet ve sınırlamaları göz önünde bulundurarak, manyetik sistemi optimize etmek için tüm gereksinimleri ve kısıtlamaları baştan derlemek için aşağıdan yukarıya bir yaklaşıma ihtiyaç vardır.
Finepower, kablosuz şarjın teknik sınırlamalarını sürekli olarak genişletiyor ve müşterilerin bu teknolojiyi kendi uygulamalarına verimli bir şekilde uygulamalarına destek oluyor.