Беспроводная система зарядки электромобилей (WEVCS)


Сегодня мир переходит к электрифицированной мобильности, чтобы сократить выбросы загрязняющих веществ, вызванные невозобновляемыми транспортными средствами, работающими на ископаемом топливе, и предоставить альтернативу дорогому топливу для транспорта. Но для электромобилей запас хода и процесс зарядки являются двумя основными проблемами, влияющими на их преимущество перед обычными транспортными средствами.

Беспроводная система зарядки электромобилей (WEVCS)

Но с внедрением технологии беспроводной зарядки больше не нужно часами ждать на зарядных станциях: теперь заряжайте свой автомобиль, просто припарковав его на парковочном месте или припарковав в гараже, или даже во время вождения вы можете зарядить свой электромобиль. На данный момент мы хорошо знакомы с беспроводной передачей данных, аудио и видеосигналов, так почему бы нам не передавать и мощность по воздуху?

Спасибо великому учёному Николе Тесле за его безграничные удивительные изобретения, одним из которых является беспроводная передача энергии. Он начал свой эксперимент по беспроводной передаче энергии в 1891 году и разработал катушку Теслы. В 1901 году с основной целью разработать новую систему беспроводной передачи энергии Тесла начал разработку башни Уорденклиф для большой высоковольтной станции беспроводной передачи энергии. Самое печальное — для погашения долгов Теслы 4 июля 1917 года башню взорвали и снесли на металлолом.

Никола Тесла на фоне изобретенной им катушки

Основной принцип беспроводной зарядки аналогичен принципу работы трансформатора. При беспроводной зарядке используются передатчик и приемник, переменный ток 220 В, 50 Гц преобразуется в высокочастотный переменный ток, и этот высокочастотный переменный ток подается на катушку передатчика, затем он создает переменное магнитное поле, которое размыкает катушку приемника и вызывает выработку выходной мощности переменного тока в приемной катушке. Но для эффективной беспроводной зарядки важно поддерживать резонансную частоту между передатчиком и приемником. Для поддержания резонансных частот с обеих сторон добавляются компенсационные сети. Затем, наконец, эта мощность переменного тока на стороне приемника выпрямляется в постоянный ток и подается в батарею через систему управления батареями (BMS).

Структурная схема беспроводной зарядки электромобилей

Электромобиль на беспроводной зарядной линии

Статическая и динамическая беспроводная зарядка

В зависимости от применения системы беспроводной зарядки для электромобилей можно разделить на две категории:

  1. Статическая беспроводная зарядка
  2. Динамическая беспроводная зарядка

1. Статическая беспроводная зарядка

Как следует из названия, автомобиль заряжается, когда он остается неподвижным. Итак, здесь мы могли бы просто припарковать электромобиль на парковочном месте или в гараже, который является частью WCS (Wireless charging system - беспроводная система зарядки). Передатчик установлен под землей, а приемник расположен под днищем автомобиля. Чтобы зарядить автомобиль, совместите передатчик и приемник и оставьте его на зарядку. Время зарядки зависит от уровня мощности источника переменного тока, расстояния между передатчиком и приемником и размеров их контактных площадок.

Эту SWCS (статическая WCS) лучше всего строить в местах, где электромобили припаркованы на определенный интервал времени.

Пример статической беспроводной зарядки 

2. Динамическая система беспроводной зарядки (DWCS):

Как следует из названия, здесь автомобиль заряжается во время движения. Мощность передается по воздуху от стационарного передатчика к приемной катушке в движущемся транспортном средстве. Используя DWCS можно увеличить запас хода электромобиля за счет непрерывной зарядки аккумулятора во время движения по дорогам и шоссе. Это снижает потребность в больших накопителях энергии, что еще больше снижает вес автомобиля.

Принцип работы динамической системы беспроводной зарядки

Типы EVWCS

В зависимости от методов работы беспроводные системы зарядки электромобилей (Wireless Electric Vehicle Charging System, EVWCS) можно разделить на четыре типа:

  1. Емкостная система беспроводной зарядки (CWCS).
  2. Система беспроводной зарядки с постоянным магнитным механизмом (PMWC).
  3. Индуктивная беспроводная система зарядки (IWC).
  4. Резонансно-индуктивная беспроводная система зарядки (RIWC).

1. Емкостная система беспроводной зарядки (CWCS)

Беспроводная передача энергии между передатчиком и приемником осуществляется посредством тока смещения, вызванного изменением электрического поля. Вместо магнитов или катушек в качестве передатчика и приемника здесь используются разделительные конденсаторы для беспроводной передачи энергии. Напряжение переменного тока сначала подается в схему коррекции коэффициента мощности для повышения эффективности, поддержания уровня напряжения и уменьшения потерь при передаче мощности. Затем он подается на Н-мост для генерации высокочастотного переменного напряжения, и этот высокочастотный переменный ток подается на передающую пластину, что вызывает развитие осциллирующего электрического поля, вызывающего ток смещения на приемной пластине посредством электростатической индукции.

Напряжение переменного тока на стороне приемника преобразуется в постоянный ток для питания аккумулятора через BMS с помощью схем выпрямителя и фильтра. Частота, напряжение, размер конденсаторов связи и воздушный зазор между передатчиком и приемником влияют на количество передаваемой мощности. Его рабочая частота составляет от 100 до 600 кГц.

2. Система беспроводной зарядки с постоянными магнитами (PMWC)

Здесь передатчик и приемник состоят из обмотки якоря и синхронизированных постоянных магнитов внутри обмотки. На стороне передатчика работа аналогична работе двигателя. Когда мы подаем переменный ток к обмотке передатчика, он вызывает механический крутящий момент на магните передатчика, вызывая его вращение. Из-за изменения магнитного взаимодействия в передатчике поле постоянного магнита (ПМ) вызывает крутящий момент на ПМ приемника, что приводит к его вращению синхронно с магнитом передатчика. Теперь изменение постоянного магнитного поля приемника вызывает появление переменного тока в обмотке, т.е. приемник действует как генератор, поскольку механическая мощность, поступающая в приемник, преобразуется в электрический выходной сигнал на обмотке приемника. Соединение вращающихся постоянных магнитов называется магнитной передачей. Генерируемая мощность переменного тока на стороне приемника подается в батарею после выпрямления и фильтрации через силовые преобразователи.

3. Индуктивная беспроводная система зарядки (IWC)

Основным принципом IWC является закон индукции Фарадея. Здесь беспроводная передача энергии достигается за счет взаимной индукции магнитного поля между катушкой передатчика и приемника. Когда основной источник переменного тока подается на катушку передатчика, он создает магнитное поле переменного тока, которое проходит через катушку приемника, и это магнитное поле перемещает электроны в катушке приемника, вызывая выходную мощность переменного тока. Этот выход переменного тока выпрямляется и фильтруется для зарядки системы хранения энергии электромобиля. Количество передаваемой мощности зависит от частоты, взаимной индуктивности и расстояния между катушкой передатчика и приемника. Рабочая частота IWC составляет от 19 до 50 кГц.

4. Резонансно-индуктивная беспроводная система зарядки (RIWC)

По сути, резонаторы с высокой добротностью передают энергию с гораздо большей скоростью, поэтому, работая в резонансе, даже с более слабыми магнитными полями мы можем передавать такое же количество энергии, как и в IWC. Электроэнергию можно передавать на большие расстояния без проводов. Максимальная передача мощности по воздуху происходит, когда катушки передатчика и приемника настроены, т. е. резонансные частоты обеих катушек должны быть согласованы. Поэтому, чтобы получить хорошие резонансные частоты, к катушкам передатчика и приемника добавляются дополнительные компенсационные сети в последовательных и параллельных комбинациях. Эта дополнительная компенсационная сеть наряду с улучшением резонансной частоты также снижает дополнительные потери. Рабочая частота RIWC составляет от 10 до 150 кГц.

Стандарты беспроводной зарядки электромобилей

Беспроводная зарядка позволяет заряжать электромобили без необходимости подключения к электросети. Если каждая компания создаст свои собственные стандарты для систем беспроводной зарядки, которые не будут совместимы с другими системами, это не будет хорошо. Чтобы сделать беспроводную зарядку электромобилей более удобной для пользователя, многие международные организации, такие как Международная электротехническая комиссия (IEC), Общество инженеров автомобильной промышленности (SAE), Underwriters Laboratories (UL) и Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) работают над стандартами беспроводной зарядки электромобилей:

  • SAE J2954 определяет WPT для подключаемых электромобилей малой мощности и методологию выравнивания. Согласно этому стандарту, уровень 1 предлагает максимальную входную мощность 3,7 кВт, уровень 2 — 7,7 кВт, уровень 3 — 11 кВт и уровень 4 — 22 кВт. При согласовании минимальная целевая эффективность должна быть выше 85%. Допустимый дорожный просвет должен составлять до 10 дюймов, а допуск поперек - до 4 дюймов. Наиболее предпочтительным методом выравнивания является магнитная триангуляция, которая помогает оставаться в пределах заряда при ручной парковке и помогает находить парковочные места для автономных транспортных средств.
  • Стандарт SAE J1772 определяет проводящий зарядный адаптер EV/PHEV.
  • Стандарт SAE J2847/6 определяет связь между транспортными средствами с беспроводной зарядкой и беспроводными зарядными устройствами для электромобилей.
  • Стандарт SAE J1773 определяет индуктивно связанную зарядку электромобилей.
  • Стандарт SAE J2836/6 определяет варианты использования беспроводной связи для зарядки PEV.
  • Объект UL 2750 определяет схему исследования для WEVCS.
  • IEC 61980-1 Cor.1 Ed.1.0 определяет общие требования к системам WPT электромобилей.
  • IEC 62827-2 Ed.1.0 определяет WPT-Management: управление контролем нескольких устройств.
  • IEC 63028 Ed.1.0 определяет базовую спецификацию резонансной системы WPT-Air Fuel Alliance.

Компании, которые в настоящее время разрабатывают и работают над WCS

  • Группа Evatran производит зарядку без подзарядки для легковых электромобилей, таких как Tesla Model S, BMW i3, Nissan Leaf, Chevrolet Volt первого поколения.
  • Корпорация WiTricy производит WCS для легковых автомобилей и внедорожников, до сих пор она работает с Honda Motor Co. Ltd, Nissan, GM, Hyundai, Furukawa Electric.
  • Qualcomm Halo производит WCS для легковых, спортивных и гоночных автомобилей и приобретена корпорацией Witricity.
  • Hevo Power производит WCS для легковых автомобилей
  • Bombardier Primove производит WCS для легковых автомобилей и внедорожников.
  • Siemens и BMW создают WCS для легковых автомобилей.
  • Momentum Dynamic производит коммерческий парк и автобусы WCS Corporation.
  • Conductix-Wampfler производит WCS для промышленного парка и автобусов.

Проблемы, с которыми сталкивается WEVCS

  • Для установки статических и динамических беспроводных зарядных станций на дорогах требуется развитие новой инфраструктуры, поскольку нынешняя схема не подходит для таких установок.
  • Необходимо поддерживать электромагнитную совместимость (ЭМС), электромагнитные поля (ЭМП) и частоты в соответствии со стандартами охраны здоровья и безопасности человека.
(Проголосуй первым!)
Загрузка...
21 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *