Беспроводная зарядка электромобиля и других средств

Беспроводная зарядка электромобиля и других транспортных средств

Электрификация транспортных средств обеспечит решение проблем вредных выбросов и дефицит смазочных материалов. Обе проблемы – результат эксплуатации миллиардов транспортных средств, приводимых в движение двигателями внутреннего сгорания. Избавиться от этих проблем обещают электрифицированные машины и беспроводная зарядка электромобиля, как часть технологии. Для сравнения: удельная энергия бензина (10320 ккал/ч) в сотни раз больше удельной энергии аккумуляторной батареи (18 — 170 ккал/ч). Этот момент заставляет рассмотреть технологию, в частности – беспроводную зарядку магнитной индукцией с целью применения на практике.

Технология беспроводная зарядка электромобиля

Значительный прорыв в области аккумуляторных технологий очевиден, когда рассматриваются электромобили как удобные и комфортные наряду с машинами на ДВС. К примеру, если электромобиль способен проехать 500 километров пути на одном заряде или обеспечивает перезаряд АКБ за считанные минуты, это уже реальный прорыв.

Сравнивая химическую, механическую, электрическую энергию, очевидно – в последнем варианте энергоресурс удобно передавать, преобразовывать и контролировать. Для широкого применения электромобилей крайне важно максимально эффективно использовать новые возможности, что открывает электрификация транспортных средств.

Одна из таких возможностей — беспроводная зарядка электромобиля, а также мотоцикла, скутера и другой техники с электромотором. Беспроводная передача электроэнергии предполагает выход электрификации за рамки доставки электроэнергии. Выход за рамки преобразования электричества в химическую энергию с помощью бортовых аккумуляторов стационарных транспортных средств.

В частности, беспроводная зарядка электротранспорта по запросу или динамическая зарядка машин, способна привести к смене парадигмы традиционной транспортной системы, как на примере ниже.

Беспроводная зарядка электромобиля - системные точки инфраструктуры
Перспективная технология для транспортной системы, где важным элементом инфраструктуры является беспроводная зарядка электромобилей посредством ТБЗ – точки беспроводного заряда под индивидуальную машину

На случай повсеместного внедрения средств беспроводной зарядки, электромобилям потребуется только некоторое количество энергии в течение относительно короткого периода времени перед следующей зарядкой. Такой подход значительно снизит потребность в бортовых аккумуляторах или даже позволит использовать автомобили без батарей.

Альтернативные системы хранения энергии — суперконденсаторы

Для требований быстрой и частой беспроводной зарядки, альтернативные устройства хранения электроэнергии — суперконденсаторы, выглядят более подходящими, нежели аккумуляторы.

Суперконденсаторы использовались в качестве вспомогательных систем хранения энергии на гибридных транспортных средствах и электромобилях с топливными элементами.

По сравнению с традиционными АКБ, суперконденсаторы имеют более низкую плотность энергии, но более высокую плотность мощности. Это свойство делает суперконденсаторы пригодными для быстрого хранения и высвобождения больших объемов электрической энергии. Поэтому суперконденсаторы обещают стать идеальными накопителями энергии для будущих электромобилей, оснащённых системой беспроводной зарядки.

Идея беспроводной передачи электроэнергии представлена достаточно давно. Ещё в 1904 году об этой системе писал Никола Тесла, предложивший схему с применением ёмкостной связи. Сейчас проявляется активный интерес относительно исследований и применений на практике беспроводной передачи энергии. При этом рассматриваются различные методы:

  • индуктивная связь;
  • магнитно-резонансная связь;
  • микроволновое, лазерное излучение и другие.

Среди всех озвученных принципов, индуктивная связь, магнитно-резонансная и микроволновая, считаются вполне подходящими для разработки систем беспроводной зарядки электромобилей. При этом индуктивную связь и магнитно-резонансную относят к технологии ближнего поля без излучения, тогда как микроволновая связь — это метод дальнего поля.

Способы беспроводной зарядки электромобиля

Центром внимания современного мира характеризуется беспроводная передача сигнала. Связь без проводов условно очерчивает некоторую долю получаемой энергии, с целью отличить сигнал (передаваемую информацию) от фонового шума. При беспроводной передаче энергии основным показателем становится эффективность. Большую часть отправляемой для зарядки энергии необходимо улавливать, чтобы сделать систему экономичной.

Принцип индуктивной связи

Электрический трансформатор рассматривается самым простым примером, учитывая отсутствие прямой связи между первичной и вторичной обмоткой. Электрическая энергия передается здесь через взаимную индукцию между первичной и вторичной катушками. Многие существующие ныне системы беспроводной зарядки грузовых автомобилей работают по принципу индукции.

Беспроводная зарядка электромобиля - система Conductix-Wampfler
Пример разработанной и внедрённой на практике беспроводной зарядки электрической, основанной на идеях инженеров фирмы «Conductix-Wampfler»

Одним из примеров является зарядное устройство IPT (Inductive Power Transfer) от фирмы «Conductix-Wampfler». Также можно отметить систему бесконтактной зарядки, разработанную совместными усилиями фирм «Showa Aircraft Industry» и «Nissan».

Индуктивный способ зарядки обеспечивает передачу большой мощности — порядка десятков кВт через воздушный зазор более 10 см между излучающей и приёмной катушкой. При этом отмечается довольно низкий общий КПД системы на уровне 90%.

Системы индуктивной связи обычно работают в килогерцовом диапазоне частот (кГц). Это обусловлено тем, что современные силовые электронные устройства имеют тяжёлые ферритовые материалы.

Такие материалы далеко не всегда подходят применительно к зарядке транспортных средств, с точки зрения эффективности полезной нагрузки. Вес бортовой приёмной катушки, оснащённой ферритовым сердечником, может составлять более 35 кг для промышленной индуктивной установки связи мощностью 30 кВт.

Организация передачи энергии микроволнами

Передача энергии посредством микроволн представляет вариацию направленного действия. То есть такой способ позволяет передавать энергию на большие расстояния. Ректенна в качестве инструментария может использоваться для преобразования микроволновой энергии в электричество.

Излучение энергии посредством микроволн предлагалось для передачи энергии от орбитальных спутников к Земле. Рассматривалось влияние излучения энергии на космические аппараты, покидающие орбиту.

Компания Mitsubishi Heavy Industry разработала беспроводную систему зарядки транспортных средств, конструкция которой использует микроволны частотой 2,45 ГГц. Однако относительно низкая эффективность переноса (обычно менее 50%) и возможное воздействие микроволнового излучения на организм человека – причины, ограничивающие допустимость применения.

Магнитно-резонансный заряд без проводов

Применение резонанса устраняет недостаток индуктивного сопряжения на малых расстояниях. Магнитно-резонансная связка образуется, когда источники питания и устройства захвата представляют специально разработанные магнитные резонаторы одинаковых частот. Аналогично механическому резонансу, магнитный резонанс позволяет достигать максимальной скорости поглощения энергии.

Беспроводная зарядка электромобиля - схема магнитно-резонансной системы
Структурная схема магнитно-резонансной беспроводной зарядки электротранспорта: 1 – источник энергии; 2 – высокочастотный резонансный инвертер; 3 – катушка излучения; 4 – резонансные катушки; 5 – дистанция передачи; 6 – приёмная катушка; 7 – высокочастотный преобразователь; 8 – устройство сохранения электричества

На картинке выше показана структурная схема магнитно-резонансного устройства. Здесь если две катушки, представляющие LC-цепи, имеют одинаковые собственные частоты, передаётся значительная мощность. Причём передача допускает покрытие расстояния, в несколько раз превышающее размер первичной катушки.

Используются три типа катушек:

  • одна излучающая,
  • две резонирующие,
  • одна принимающая.

Две резонирующие катушки работают подобно изолированному трансформатору, передавая электромагнитную энергию от излучающей катушки к приёмной катушке через магнитно-резонансную связь. Расстояние передачи может составлять более 10 см без использования ферритовых сердечников.

Излучающая и приёмная катушки – не резонируют, связаны индуктивно с резонирующими катушками в качестве входных / выходных клемм. Так минимизируется влияние внешней нагрузки на резонирующие катушки, увеличивается добротность индуктивностей и эффективность передачи.

Чтобы достичь максимальной эффективности передачи мощности такой комбинацией катушек, необходимо оптимизировать расстояние между передающей / приемной индуктивностями и соседней резонирующей. Также значение имеет расстояние между двумя резонирующими индуктивностями.

Системы индуктивной связи тоже допускают настройку на резонанс. Однако системы магнитно-резонансной связи работают на более высоких рабочих частотах (диапазон МГц). Технология магнитно-резонансной связи видится перспективной для беспроводной зарядки электромобилей и демонстрирует следующие преимущества:

  1. Высокая эффективность на умеренном расстоянии.
  2. Большое расстояние передачи при умеренной эффективности
  3. Малое электромагнитное воздействие (вне условий резонанса).
  4. Облегчённый вес.
  5. Компактное исполнение.

Система магнитно-резонансного сопряжения моделируется двумя связанными RLC-резонансными контурами, коэффициент связи которых представлен взаимной индуктивностью между двумя катушками. В излучающей системе для подачи питания переменного тока используется высокочастотный инвертор постоянного / переменного тока.

Схемные решения под практическое применение

Топология полного моста с питанием по напряжению может применяться для выполнения высокочастотной инверсии постоянного / переменного тока. Схема резонансного инвертора с питанием от напряжения показана на картинке ниже. Здесь задействованы переключатели MOSFET, которые приводятся в действие двумя микросхемами драйверов серии UCC27201.

Схема топология полного моста для беспроводной зарядки авто
Принципиальная электрическая схема резонансного инвертора с высокочастотным напряжением (топология полного моста)

Четыре затвора представляют собой высокоскоростные полупроводниковые переключатели MOSFET. Параллельные конденсаторы с мягким переключением используются для заряда / разряда. Таким образом, потери при переключении практически исключены, а также снижены нагрузки на переключатели MOSFET.

Приёмная система содержит:

  • резонирующую и приемную индуктивности,
  • выпрямитель переменного / постоянного тока,
  • устройства накопления электроэнергии.

Резонирующая индуктивность такая же, как смежная с излучающей индуктивностью. Переменная электромагнитная энергия улавливается резонирующей катушкой через магнитно-резонансный контакт. Затем энергия передаётся приемной индуктивности за счёт индуктивной связи.

Две катушки концентричны и лежат в одной плоскости для максимальной эффективности передачи мощности. Диоды с барьером Шоттки (диоды поверхностного монтажа Zetex ZHCS2000) используются в качестве диода полной мостовой выпрямительной схемы. как показано на картинке ниже.

Такой тип диодов имеет очень быстрое время обратного восстановления и небольшой обратный ток, подходящий для высоких частот. Выход постоянного тока выпрямителя подключен к устройствам хранения электроэнергии (батареи или суперконденсаторы).

Беспроводная зарядка электромобиля - высокочастотный резонансный инвертор схема
Принципиальная электрическая схема резонансного инвертора с высокочастотным напряжением — часть полноценной установки беспроводной зарядки электромобиля

Диапазон рабочих частот магнитно-резонансного контакта охватывает полосы от кГц до ГГц. Для более компактных и лёгких резонаторов обычно требуется более высокая частота. Однако существуют ограничения на используемый частотный диапазон в соответствии с установленными правилами:

  • промышленного,
  • научного,
  • медицинского,

участков, а также на характеристики устройств переключения мощности и схем управления.