Команда ученых (The Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory ORNL) впервые в мире создала систему беспроводной зарядки мощностью 20 кВт для легковых автомобилей с уникальной архитектурой, которая включает в себя встроенный ORNL инвертор, изолирующий трансформатор, автомобильную электронику и технологии соединения. Для демонстрации работы системы исследователи интегрировали один из преобразователей в электромобиль Toyota RAV4 с дополнительной 10кВт/час батареей.
Ученые не собираются останавливаться и в ближайшем будущем хотят выпустить беспроводное зарядное устройство мощностью 50 кВт, которое будет соответствовать мощности имеющихся в продаже компонентов зарядных устройств. Обеспечение скорости зарядки беспроводным устройством такой же, как и обычным, может очень сильно повлиять на рынок электромобилей. Исследователи будут работать над увеличением мощности зарядных устройств, не забывая при этом обо всех мерах безопасности как самого электрооборудование, так и его обслуживающих.
Настоящая работа по беспроводным системам началась около трех лет назад и была описана в статье представленной исследователями ORNL в 2013 году. По словам Дэвида Смита, менеджера программы исследования – «Беспроводная передача энергии (Wireless power transfer WPT) представляет собой сдвиг парадигмы электромобилей, способный предложить пользователю автономный, безопасный и удобный вариант для альтернативы проводной зарядке и вытекающей из нее необходимости наличия кабелей. Данная технология на сегодняшний день является следующей ступеней к созданию электрифицированных дорог, где электромобили могли бы подзаряжаться на ходу».
Статья 2013 года говорит о том, что система беспроводной зарядки WPT может быть полностью автономна от связи с системами автомобиля и сети на стороне радиосвязи, не имея прямых контактов. Поэтому проблемы, связанные с токами утечки, замыканием на землю и возможность попадания под потенциал при зарядке (касание оголенного провода) попросту отсутствуют. Также данная система упраздняет работу с громоздкими и не всегда чистыми кабелями и необходимостью их подключения к необходимым разъемам. Стоит отметить, что беспроводная зарядка позволяет не беспокоится о том, что забыв штепсель для зарядки, вы можете получить разряд батареи в самый неподходящий момент, а также позволит разгрузить общественные парковки, парковки в густонаселенных районах, возле супермаркетов и зоны отдыха. Кроме того, высокочастотные магнитные поля используемые при передаче электроэнергии через большой воздушный зазор сосредоточены и экранированы так, чтоб дополнительные поля (например, магнитные поля утечки) быстро затухали по области перехода к уровням, значительно меньшим пределов, установленных международными стандартами для общественной зоны (начинается по периметру транспортного средства и включает в себя пассажирский салон).
В ORNL подходе к беспроводной зарядке основной акцент делают на радиосвязь в канале обратной связи регулятора мощности с дополненными алгоритмами программного управления. Целью WPT является минимизация бортовой сложности электромобиля с сохранением вторичной стороны, ограничением настройки катушки, регенерации, фильтрации и системой хранения рекуперативной энергии (regenerative energy-storage system RESS). Беспроводная зарядка способна завершить эпоху зарядки автомобилей с помощью кабелей и штепселей и в итоге способна перерасти в динамическую беспроводную зарядку (зарядка в движении). Исследователи работают в направлении улучшения эффективности работы катушки, силовой электроники преобразователя и систем связи, а также над новыми стратегиями управления в этой области. Также с помощью беспроводной зарядки можно решить многие вопросы безопасности. ORNL используют электромагнитный резонанс индукционной системы для беспроводной зарядки электромобилей.
В конце первого этапа исследований ORNL продемонстрировали 6,6 кВт и 10 кВт передачу мощности через 160 мм разрыв с эффективностью более 90% при передаче dc-to-dc, примерно 97% при передаче катушка-катушка (coil-to-coil) и 85% при передаче типа end-to-end (розетки терминалов для аккумуляторных батарей электромобилей). При демонстрации специально использовали связи малого радиуса (dedicated short-range communication DSRC) для мониторинга данных электромобиля на стороне и обратных связей для управления энергосистемой транспортного средства. На рисунке выше показана блок-схема исходной системы беспроводной передачи энергии. Данная беспроводная система передачи энергии состоит из активного первичного выпрямителя (active front-end rectifier AFER), с коррекцией коэффициента мощности (power factor correction PFC), высокочастотного мощного преобразователя и трансформатора, настроечного конденсатора и первичной катушки. На вторичной катушке (расположенной на электромобиле) находятся подстроечный конденсатор, высокочастотный диодный выпрямитель и конденсатор, выполняющий роль фильтра.
Активный первичный выпрямитель
На рисунке ниже показан первичный активный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности. В преобразователе AFER в качестве активного выпрямителя работает только левая сторона, а правая работает как диод. AFER может работать и по схеме корректировки коэффициента мощности и способен форсировать пиковое значение напряжения до 10 раз (обычно для нормальной работы хватает повышения в 2-3 раза).
Преобразователи AFER с корректировкой коэффициента мощности PFC могут обеспечивать большую мощность. Для получения высокой эффективности, малых потерь, высокой частоты переключения и уменьшения пульсаций тока используют модули APT100MC120JCU2 SiC MOSFET транзисторов. Работа преобразователя основывается на мощности аккумуляторной батареи электромобиля. Как правило, опорный ток батареи ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный) использует для определения зарядного тока, потребляемого из сети. Система фазовой автоподстройки частоты (phase-locked-loop PLL) определяет фазовый угол напряжения сети и опорного тока сети электромобиля. Внешний ПИ регулятор использует фактический ток сети и генерируемый внутренний опорный переменный ток, и таким образом формирует сигнал переключения. С помощью выбранной архитектуры достигается коэффициент мощности порядка 98%, а гармонический состав не превышает 5%. В связи с тем, что регулирования напряжения заряда производится на первичной стороне, то пульсации зарядного тока не превышают 10 А.
Конструкция передающей катушки
Электромагнитная конструкция катушек для беспроводной зарядки WPT требует глубоких исследований. Команда разработчиков ORNL разработала разветвители на основе векторного магнитного потенциала в точке поля, вызванного протеканием первичного тока в идеальной первичной катушке. Потенциал в этой точке поля определяется нахождением в месте расположения вторичной катушки. Для пары катушек с радиусами а, предполагающих бесконечно малое сечение проводника и имеющих расстояние между катушками z, то радиус вектор от первичной катушки до точки поля будет равен:
Соответствующий вектор-потенциал, Aφ, для случая с N1 количеством витков первичной обмотки и током I1 A, первичное возбуждение будет N1I1 ампер-витков (рисунок ниже):
В точке поля Р магнитный векторный потенциал сильно зависит от начального радиуса катушки, суммарного тока, угла возвышения θ и обратной квадрату расстояние величине между катушками. Однако плотность потока В (r, θ) и суммарный поток Ф вторичной катушки имеют непосредственное отношение к производительности WPT и могут быть определены:
Высокочастотный инвертор
Условия нагрузки, то есть состояние заряда аккумулятора и коэффициента потокосцепления (между первичной и вторичной катушками) определяется частотным откликом системы WPT. Величина мощности передаваемой вторичной обмоткой определяется частотой переключения инвертора и рабочим циклом входного напряжения. Данное соотношение можно выразить как:
Где:
Udo – напряжение постоянного тока на инверторе, d — коэффициент заполнения импульсов, w — угловая частота.
Да, напряжение инвертора можно регулировать через цепь постоянного тока, с помощью активного выпрямителя, однако конечная цель заключается в том, чтобы динамически изменяя частоту достичь наилучших показателей эксплуатации с точки зрения мощности и эффективности. В лабораторных условиях ORNL напряжения высокочастотного инвертора регулировали путем изменения напряжения источника питания. В коммерческой версии этой технологии WPT необходимо использование связей малых радиусов DSRC. Сторона передатчик DSRC собирает данные измерений, такие как напряжение и ток батареи, а также сигналы от системы управления батареей необходимые для регулирования заряда. Сторона сети принимает эти данные для формирования напряжения заряда с учетом показателей регулирования в первичной цепи. После чего встроенная система управления на базе DSP определяет необходимую частоту коммутации и соответствующий рабочий цикл согласно закону управления. Сигналы переключения IGBT модулей генерируются алгоритмом DSP и применяются к высокочастотным инверторам. Система управления может также регулировать мощность преобразователя, на основании команд задания мощности, которые могут быть получены через V2I связи с совместимой утилиты смарт сети.
Видео о станции беспроводной зарядки:
