Tỷ lệ điện khí hóa di động trong các ngành công nghiệp hoặc giao thông vận tải phụ thuộc vào việc triển khai cơ sở hạ tầng sạc. Giải pháp hiện tại, cụ thể là sạc dẫn điện, có một số mối quan tâm về độ an toàn, độ bền và sự thoải mái do phải cắm các loại cáp lớn, đặc biệt là để có điện năng cao hơn. Sạc không dây được quảng cáo là để cung cấp một giải pháp an toàn, sạch sẽ và tự chủ.
Truyền điện không dây và cảm ứng (IPT) là gì?
Nhà khoa học Nikola Tesla đã đặt ra thuật ngữ “Truyền điện không dây” (WPT) và trình bày một hệ thống không tiếp xúc vào năm 1893. Các nguyên tắc cơ bản chi phối điều này công nghệ là định luật Lenz và định luật cảm ứng Michael Faraday. Có nhiều phương pháp có thể được sử dụng. Sản phẩm được thương mại hóa thành công nhất (ở mức công suất thấp) là “Truyền điện cảm ứng” (IPT). IPT sử dụng trường gần công nghệ nơi năng lượng vẫn còn trong một vùng nhỏ của máy phát.
Finepower phát triển các giải pháp cho truyền điện không dây (cảm ứng) từ vài năm nay. Bây giờ chúng tôi đang mở rộng công nghệ này sang hoạt động hai chiều kết hợp với công suất cao, thấp Vôn pin trong dự án nghiên cứu BiLiA do Bộ Kinh tế Bavaria và tổ chức thực hiện dự án VDI-VDE-I tài trợ.
Hệ thống cuộn dây từ tính IPT
Giai đoạn ghép từ là phần quan trọng nhất quyết định việc thiết kế các thiết bị điện tử công suất, hiệu suất và công suất truyền tải. Trong một ứng dụng điển hình như sạc xe điện, cuộn dây thứ cấp được gắn ở phía dưới của xe. Phía cuộn sơ cấp được đặt trên mặt đất. Tổ hợp này được đảm bảo có từ thông ở giữa hai cuộn dây đó bằng cách sử dụng ferrite và nhôm ở các mặt bên ngoài của mỗi cuộn dây. Cũng có thể xếp chồng hoặc tạo hình các khối ferit. Khoảng trống giữa các cuộn dây có thể khá lớn, tùy thuộc vào khoảng sáng gầm xe. Điều này dẫn đến điện cảm rò rỉ có kích thước tương tự như điện cảm lẫn nhau. Mỗi cuộn dây trong hệ thống IPT có thể có hình dạng tròn, hình chữ nhật, điện từ, DD, DDQ, lưỡng cực, v.v. Các ưu điểm của mỗi hệ thống cuộn dây khác nhau về khả năng tương tác, kích thước, rò rỉ từ thông, dung sai vị trí và độ phức tạp hoạt động. Ở công suất cao hơn, để giảm số vòng của ampe (hoặc Lực từ động), người ta sử dụng cuộn dây hai giống nhau. Hiệu quả của toàn bộ hệ thống IPT bị giới hạn bởi yếu tố chất lượng tự nhiên của các cuộn dây. Điều này có thể được tăng lên bằng cách sử dụng một dây Litz một cách cẩn thận để giảm tổn thất da và vùng lân cận ở cả cấp độ bó và sợi.
Hình 1: Sơ đồ khối của một trạm sạc cảm ứng điển hình. Nguồn điện lưới được chỉnh lưu và chuyển đổi thành tín hiệu tần số cao tương ứng bằng PFC và biến tần. Tín hiệu dòng điện tần số cao này chạy qua cuộn sơ cấp sẽ tạo ra một dòng điện. Qua đó, gây ra một Vôn trên toàn thứ cấp. Tín hiệu sau đó được chỉnh sửa để cung cấp năng lượng cho tải pin DC.
Hình 2: a) Ở phía thứ cấp, một tụ điện nối tiếp Css được thêm vào. Giá trị được chọn đúng có thể hủy bỏ điện cảm thứ cấp (ωLs) để cải thiện việc truyền tải điện. Trở kháng mà Voc nhìn thấy hoàn toàn là điện trở ở tần số này. Điều này thường được sử dụng trong hằng số Vôn các ứng dụng. b) Tụ điện song song thay thế tụ điện nối tiếp rất hữu ích trong các ứng dụng có dòng điện không đổi. c+d) Kiểu bù lai trong đó nối tiếp và song song Tụ có thể được điều chỉnh cũng có thể.
Tối ưu hóa cộng hưởng mạch Tối đa hóa hiệu quả
Mô hình đơn giản hóa của hệ thống sạc cảm ứng điển hình được hiển thị trong Hình 1. Bộ biến tần tần số cao (tức là 80-90 kHz) sau khi PFC chuyển đổi lưới điện được chỉnh lưu Vôn thành sóng vuông AC cần thiết để truyền tải điện hiệu quả.
Dòng điện tần số cao chạy qua cuộn sơ cấp tạo ra một dòng điện cảm ứng Vôn qua phía thứ cấp. Cái này Vôn được gọi là mở-mạch điện áp (Voc), được tính theo Công thức 1 trong đó Ip là dòng điện cuộn sơ cấp, M là độ tự cảm lẫn nhau và ω là tần số góc.
Voc = jωMIp
Voc, khi được kết nối với tải sẽ cung cấp công suất và được cho bởi Công thức 2 trong đó Rac là điện trở tải tương đương (Trở kháng được trình bày bởi bộ chỉnh lưu tích cực và tải đối với phía thứ cấp.) Ls, là điện cảm thứ cấp.
P_ {out} = frac {V_ {2} ^ {oc} R_ {ac}} {R_ {2} ^ {ac} + (omega ^ {2} L_ {2} ^ {s})}
Sử dụng định lý truyền công suất cực đại với phương trình 2, công suất ra cực đại đạt được ở Rac = ωLs. Thêm một loạt tụ trong phương trình với 1/ωC2 để triệt tiêu số hạng ωLs có thể nhân đôi công suất truyền tải cực đại. Nhưng thay vì một chuỗi, các cấu trúc liên kết bù khác cũng có thể thực hiện được. Chúng có thể là bất kỳ T (hoặc n) nào – mạng được xây dựng bằng cách lưu trữ năng lượng thụ động các thành phần. Một số mạng điều chỉnh đơn giản ở phía thứ cấp được thể hiện trong Hình 2.
Công suất đầu ra của mạch cũng có thể được viết như trong Công thức 3, trong đó Isc là dòng điện phía thứ cấp trong điều kiện ngắn mạch và Q2 là hệ số chất lượng tải thứ cấp.
P_ {out} = V_ {oc} I_ {sc} Q_ {2} = frac {omega M ^ {2}} {L_ {s}} I_ {2} ^ {p} Q_ {2}
Từ Công thức 3, giá thuê cuộn dây sơ cấp có thể được giảm bằng cách tăng Q2 và do đó, giảm tổn thất. Nhưng băng thông của hệ thống sẽ bị giảm xuống khiến việc triển khai hệ thống điều khiển khó khăn hơn. Định mức vôn-ampe yêu cầu của cuộn thứ cấp cũng tăng lên.
Dòng điện hai chiều làm giảm chi phí lưới
Để giảm phát thải khí nhà kính, cần có một sự thúc đẩy mạnh mẽ đối với năng lượng tái tạo. Nổi bật nhất là năng lượng mặt trời và điện gió. Nhưng các luồng ánh sáng mặt trời và gió không liên tục và những dao động như vậy có thể làm mất ổn định lưới điện. Ngoài ra, để theo đuổi năng lượng không phụ thuộc vào thời gian, nhiều ngành công nghiệp đang lắp đặt các hệ thống của riêng họ. Điều này là do ngày càng dễ dàng tiếp cận với các công nghệ năng lượng tái tạo. Ví dụ, các chủ sở hữu đội xe ô tô, muốn điện khí hóa phương tiện của họ sẽ được hưởng lợi từ việc sản xuất điện (rẻ hơn) của chính họ và do đó lắp đặt hệ thống lưới điện hoặc điểm sạc. Mặt khác, điều này có thể dẫn đến nhu cầu ngày càng tăng về diện tích đất lớn để đáp ứng nhu cầu điện cao điểm. Tuy nhiên, hệ thống lưu trữ lưới điện thông minh có thể làm giảm công suất đỉnh cần thiết. Bằng cách tích trữ năng lượng trong thời gian sẵn sàng cao điểm và cung cấp năng lượng khi cần thiết, dòng điện có thể được quản lý và nhu cầu bên ngoài từ lưới điện có thể được ổn định.
Do dung lượng tương đối lớn, ắc quy xe điện có thể được xem như yếu tố tích trữ năng lượng lý tưởng để ổn định lưới điện. Do đó, bộ sạc pin bao gồm cả hệ thống không dây, nên được tăng cường để cung cấp hoạt động hai chiều.
Một mô hình đã sửa đổi của hệ thống IPT với chức năng hai chiều được thể hiện trong Hình 3 Ở chế độ thuận, dòng điện từ lưới điện đến tải ắc quy. Khối sau PFC hoạt động như một biến tần kích hoạt cuộn sơ cấp. Cần có bộ chỉnh lưu để chuyển đổi nguồn xoay chiều từ cuộn thứ cấp thành pin. Các chức năng tương ứng của các khối này sẽ được hoán đổi cho nhau, trong khi ở chế độ ngược lại. Việc lựa chọn loại bồi thường và giá trị của nó phụ thuộc vào nhiều tiêu chí. Một số trong số chúng được thảo luận dưới đây:
Khả năng kiểm soát: Phương pháp kiểm soát phổ biến là kiểm soát sơ cấp. Phương pháp này điều khiển điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu tần số cao (HF) làm điện áp đầu vào cuộn sơ cấp. Theo Công thức 4, có thể điều khiển điện áp hoặc điều khiển pha. Trong đó Vdc là điện áp đầu ra PFC và α là góc pha.
V_ {in, rms} = frac {2sqrt {2}} {pi} V_ {dc} cosfrac {alpha} {2}
Các chức năng truyền điện áp điển hình của bù S (erial) -S (erial) và LC-LC Hình 1.4. Vị trí cuộn dây cố định cung cấp 1 kW và 5 kW. Các biểu đồ hiển thị cả chế độ tiến và lùi. Hệ số chất lượng tải không được quá cao, phạm vi hoạt động yêu cầu có thể vượt quá thông số kỹ thuật của biến tần. Mặt khác, yếu tố chất lượng thấp sẽ không sử dụng hết phạm vi hoạt động có sẵn. Như có thể thấy trong đáp ứng độ lợi bù LC-LC, sự thay đổi của độ lợi thấp. Và trong phản ứng chuyển tiếp SS, sự phân tách cực xảy ra ở công suất cao hơn. Điều này làm phức tạp việc thiết kế hệ thống điều khiển.
Hình 3: Hệ thống là dòng trong Hình 1, nhưng có thể hoạt động kép cho cả bộ chuyển đổi DC-AC và AC-DC. Điều này cho phép truyền điện hai chiều.
Hình 4: AC có thể đạt được đáp ứng theo cả hai hướng công suất được vẽ cho các bù SS và LC-LC. Cả hai đều hoạt động ở tần số 85 kHz.
Hình 5: Đáp ứng pha đầu vào để kiểm tra khả năng hoạt động của ZVS ở cả hai chế độ nguồn
Các phản ứng pha đầu vào tương ứng được vẽ trong Hình 5. Đáp ứng pha bắt đầu phẳng (trên phạm vi hoạt động) trong chuyển tiếp SS, giới hạn phạm vi ZVS khả dụng. Trong khi ở chế độ đảo ngược, sự thay đổi mạnh do các yếu tố chất lượng cao đòi hỏi nhiều công suất phản kháng. Xu hướng tương tự có thể được quan sát thấy trong LC-LC, nhưng với các phản ứng thay đổi.
Tính đơn giản: Bằng cách mở rộng LC sang cấu trúc liên kết từng phần LCC, hệ số chất lượng có thể được cải thiện phù hợp với điều khiển chính. Nhưng nó làm tăng chi phí và độ phức tạp do các thành phần được thêm vào. Ngoài ra, việc sử dụng cùng một loại bù ở cả hai bên sẽ duy trì tính đối xứng và có thể giảm bớt các nỗ lực thiết kế.
Trở kháng phản xạ: Thành phần phản kháng của trở kháng phản xạ có tác dụng cộng hưởng. Trong bù song song một phần, luôn có một số thành phần phản kháng. Trong khi cả phần bù SS và LCC-LCC sẽ có điện kháng phản xạ bằng không khi hoạt động dưới cộng hưởng (ngoại trừ nếu có sự chênh lệch giữa các cuộn dây). Nếu không cẩn thận, điều này có thể hạn chế việc bật tắt bóng bán dẫn trong một số trường hợp, do đó làm giảm hiệu quả hoạt động. Điều chỉnh thích ứng có thể giúp giảm bớt vấn đề này. Với kỹ thuật thiết kế phù hợp, có thể đạt được lựa chọn điều chỉnh tối ưu để đảm bảo ZVS hoạt động ở cả hai chế độ trên các vị trí.
Tóm lại, cần phải xem xét tất cả các ràng buộc đối với cả chế độ hoạt động tiến và lùi từ khi bắt đầu thiết kế hệ thống sạc không dây hai chiều. Hiệu suất sẽ giảm nếu các thông số cuộn dây và hệ thống điều chỉnh được chọn theo cách tương tự như đối với thiết kế một chiều. Do đó, cần có cách tiếp cận từ dưới lên để tổng hợp tất cả các yêu cầu và ràng buộc ngay từ đầu nhằm tối ưu hóa hệ thống từ tính trong khi cân nhắc chi phí và hạn chế đối với điện tử công suất.
Finepower liên tục mở rộng các giới hạn kỹ thuật của sạc không dây và hỗ trợ khách hàng triển khai hiệu quả công nghệ này vào các ứng dụng tương ứng của họ.