Σύστημα φόρτισης ασύρματου ηλεκτρικού οχήματος (wevcs)

Σήμερα, ένας κόσμος στρέφεται προς την ηλεκτροκίνητη κινητικότητα για να μειώσει τις εκπομπές ρύπων που προκαλούνται από μη ανανεώσιμα ορυκτά καύσιμα οχήματα και να παρέχει την εναλλακτική λύση για το ακριβό καύσιμο για μεταφορά. Όμως, για τα ηλεκτρικά οχήματα, η διαδρομή ταξιδιού και η διαδικασία φόρτισης είναι τα δύο σημαντικά ζητήματα που επηρεάζουν την υιοθέτησή της έναντι των συμβατικών οχημάτων.

Με την εισαγωγή της τεχνολογίας φόρτισης καλωδίων, δεν περιμένετε πλέον στους σταθμούς φόρτισης για ώρες, τώρα φορτίστε το όχημά σας απλώς σταθμεύοντάς το σε θέση στάθμευσης ή στάθμευσης στο γκαράζ σας ή ακόμα και κατά την οδήγηση μπορείτε να φορτίσετε το ηλεκτρικό σας όχημα. Από τώρα, είμαστε πολύ εξοικειωμένοι με την ασύρματη μετάδοση δεδομένων, ήχων και βίντεο, οπότε γιατί δεν μπορούμε να μεταφέρουμε ενέργεια μέσω του αέρα.

Χάρη στον μεγάλο επιστήμονα Νίκολα Τέσλα για τις απεριόριστες εκπληκτικές εφευρέσεις του στις οποίες η ασύρματη μεταφορά ενέργειας είναι μία από αυτές. Ξεκίνησε το πείραμά του στην ασύρματη μετάδοση ισχύος το 1891 και ανέπτυξε το πηνίο Tesla. Το 1901 με πρωταρχικό στόχο την ανάπτυξη ενός νέου ασύρματου συστήματος μετάδοσης ισχύος, η Tesla άρχισε να αναπτύσσει τον Πύργο Wardenclyffe για μεγάλο σταθμό ασύρματης μεταφοράς ενέργειας υψηλής τάσης. Η πιο θλιβερή μέρος είναι σε χρέη ικανοποιούν Τέσλα, ο πύργος δυναμίτες και κατεδαφίστηκε για παλιοσίδερα στις 4 Ιουλίου ^ου 1917

Η βασική αρχή της ασύρματης φόρτισης είναι ίδια με την αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή. Στην ασύρματη φόρτιση υπάρχουν πομπός και δέκτης, η παροχή εναλλασσόμενου ρεύματος 220V 50Hz μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής συχνότητας και αυτό το εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής συχνότητας παρέχεται σε πηνίο πομπού, στη συνέχεια δημιουργεί εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο που κόβει το πηνίο δέκτη και προκαλεί την παραγωγή εξόδου ισχύος AC στο πηνίο δέκτη. Αλλά το σημαντικό πράγμα για την αποτελεσματική ασύρματη φόρτιση είναι η διατήρηση της συχνότητας συντονισμού μεταξύ πομπού και δέκτη. Για τη διατήρηση των συντονισμένων συχνοτήτων, προστίθενται δίκτυα αντιστάθμισης και στις δύο πλευρές. Τελικά, αυτή η ισχύς AC από την πλευρά του δέκτη διορθώθηκε σε DC και τροφοδοτήθηκε στην μπαταρία μέσω του Συστήματος Διαχείρισης Μπαταρίας (BMS)

Στατική και δυναμική ασύρματη φόρτιση

Με βάση την εφαρμογή, τα ασύρματα συστήματα φόρτισης για EV μπορούν να διακριθούν σε δύο κατηγορίες,

1. Στατική ασύρματη φόρτιση
2. Δυναμική ασύρματη φόρτιση

1. Στατική ασύρματη φόρτιση

Όπως υποδηλώνει το όνομα, το όχημα χρεώνεται όταν παραμένει στατικό. Έτσι, εδώ θα μπορούσαμε απλά να σταθμεύσουμε το EV στο χώρο στάθμευσης ή στο γκαράζ που είναι ενσωματωμένο στο WCS. Ο πομπός είναι τοποθετημένος κάτω από το έδαφος και ο δέκτης είναι τοποθετημένος στο κάτω μέρος του οχήματος. Για να φορτίσετε το όχημα ευθυγραμμίστε τον πομπό και το δέκτη και αφήστε το για φόρτιση. Ο χρόνος φόρτισης εξαρτάται από το επίπεδο τροφοδοσίας εναλλασσόμενου ρεύματος, την απόσταση μεταξύ του πομπού και του δέκτη και των μεγεθών τους.

Αυτό το SWCS είναι καλύτερο να κατασκευαστεί σε περιοχές όπου το EV είναι σταθμευμένο για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα.

2. Δυναμικό ασύρματο σύστημα φόρτισης (DWCS):

Όπως υποδηλώνει το όνομα εδώ το όχημα χρεώνεται ενώ κινείται. Η ισχύς μεταφέρεται πάνω από τον αέρα από ένα σταθερό πομπό στο πηνίο δέκτη σε ένα κινούμενο όχημα. Χρησιμοποιώντας το εύρος ταξιδιών του DWCS EV, θα μπορούσε να βελτιωθεί με τη συνεχή φόρτιση της μπαταρίας του κατά την οδήγηση σε οδούς και αυτοκινητόδρομους. Μειώνει την ανάγκη για μεγάλη αποθήκευση ενέργειας που μειώνει περαιτέρω το βάρος του οχήματος.

Τύποι EVWCS

Με βάση τις τεχνικές λειτουργίας, το EVWCS μπορεί να ταξινομηθεί σε τέσσερις τύπους

1. Χωρητικό ασύρματο σύστημα φόρτισης (CWCS)
2. Σύστημα ασύρματης φόρτισης μόνιμου μαγνητικού εργαλείου (PMWC)
3. Επαγωγικό ασύρματο σύστημα φόρτισης (IWC)
4. Σύστημα επαγωγικής ασύρματης φόρτισης συντονισμού (RIWC)

1. Χωρητικό ασύρματο σύστημα φόρτισης (CWCS)

Η ασύρματη μεταφορά ενέργειας μεταξύ πομπού και δέκτη πραγματοποιείται μέσω του ρεύματος μετατόπισης που προκαλείται από τη διακύμανση του ηλεκτρικού πεδίου. Αντί για μαγνήτες ή πηνία ως πομπό και δέκτη, οι πυκνωτές ζεύξης χρησιμοποιούνται εδώ για ασύρματη μετάδοση ισχύος. Η τάση AC τροφοδοτήθηκε αρχικά στο κύκλωμα διόρθωσης συντελεστή ισχύος για τη βελτίωση της απόδοσης και τη διατήρηση των επιπέδων τάσης και τη μείωση των απωλειών κατά τη μετάδοση της ισχύος. Στη συνέχεια παρέχεται σε γέφυρα H για την παραγωγή τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος υψηλής συχνότητας και αυτό το εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής συχνότητας εφαρμόζεται σε πλάκα μετάδοσης που προκαλεί την ανάπτυξη ταλαντωμένου ηλεκτρικού πεδίου που προκαλεί ρεύμα μετατόπισης στην πλάκα δέκτη μέσω ηλεκτροστατικής επαγωγής.

Η τάση AC στην πλευρά του δέκτη μετατρέπεται σε DC για τροφοδοσία της μπαταρίας μέσω BMS από κυκλώματα ανορθωτή και φίλτρου. Η συχνότητα, η τάση, το μέγεθος των πυκνωτών ζεύξης και το διάκενο αέρα μεταξύ πομπού και δέκτη επηρεάζει το ποσό της μεταφερόμενης ισχύος. Η συχνότητα λειτουργίας της είναι μεταξύ 100 και 600 KHz.

2. Σύστημα ασύρματης φόρτισης μόνιμου μαγνήτη (PMWC)

Εδώ ο πομπός και ο δέκτης αποτελούνται από περιέλιξη οπλισμού και συγχρονισμένους μόνιμους μαγνήτες μέσα στην περιέλιξη. Στην πλευρά του πομπού η λειτουργία είναι παρόμοια με τη λειτουργία του κινητήρα. Όταν εφαρμόζουμε το ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος στην περιέλιξη του πομπού προκαλεί μηχανική ροπή στον μαγνήτη πομπού που προκαλεί την περιστροφή του. Λόγω της μαγνητικής αλλαγής αλληλεπίδρασης στον πομπό, το πεδίο PM προκαλεί ροπή στον PM δέκτη, με αποτέλεσμα την περιστροφή του σε συγχρονισμό με τον μαγνήτη πομπού. Τώρα η αλλαγή στο μόνιμο μαγνητικό πεδίο του δέκτη προκαλεί την παραγωγή ρεύματος εναλλασσόμενου ρεύματος στην περιέλιξη, δηλαδή ο δέκτης ενεργεί ως γεννήτρια ως μηχανική είσοδος ισχύος στον δέκτη PM που μετατρέπεται σε ηλεκτρική έξοδο κατά την περιέλιξη του δέκτη. Η σύζευξη περιστρεφόμενων μόνιμων μαγνητών αναφέρεται ως μαγνητική ταχύτητα. Η παραγόμενη ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος στην πλευρά του δέκτη τροφοδοτήθηκε στην μπαταρία μετά από διόρθωση και φιλτράρισμα μέσω μετατροπέων ισχύος.

3. Επαγωγικό ασύρματο σύστημα φόρτισης (IWC)

Η βασική αρχή του IWC είναι ο νόμος επαγωγής του Faraday. Εδώ η ασύρματη μετάδοση ισχύος επιτυγχάνεται με αμοιβαία επαγωγή μαγνητικού πεδίου μεταξύ πομπού και πηνίου δέκτη. Όταν η κύρια τροφοδοσία εναλλασσόμενου ρεύματος εφαρμόζεται στο πηνίο πομπού, δημιουργεί μαγνητικό πεδίο εναλλασσόμενου ρεύματος που περνά μέσω του πηνίου δέκτη και αυτό το μαγνητικό πεδίο κινεί ηλεκτρόνια στο πηνίο δέκτη προκαλώντας έξοδο ισχύος AC. Αυτή η έξοδος AC διορθώνεται και φιλτράρεται για να φορτίσει το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας του EV. Η ποσότητα της μεταφερόμενης ισχύος εξαρτάται από τη συχνότητα, την αμοιβαία αυτεπαγωγή και την απόσταση μεταξύ του πηνίου και του πηνίου δέκτη. Η συχνότητα λειτουργίας του IWC είναι μεταξύ 19 και 50 KHz.

4. Ηχητικό επαγωγικό ασύρματο σύστημα φόρτισης (RIWC)

Βασικά οι συντονιστές που έχουν υψηλό συντελεστή ποιότητας μεταδίδουν ενέργεια με πολύ υψηλότερο ρυθμό, οπότε λειτουργώντας σε συντονισμό, ακόμη και με ασθενέστερα μαγνητικά πεδία μπορούμε να μεταδώσουμε την ίδια ποσότητα ισχύος όπως και στο IWC. Η ισχύς μπορεί να μεταφερθεί σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς καλώδια. Η μέγιστη μεταφορά ισχύος πάνω από τον αέρα συμβαίνει όταν συντονίζονται τα πηνία πομπού και δέκτη, δηλαδή πρέπει να ταιριάζουν και οι δύο συχνότητες συντονισμού. Έτσι, για να έχετε καλές συχνότητες συντονισμού, πρόσθετα δίκτυα αντιστάθμισης στη σειρά και παράλληλοι συνδυασμοί προστίθενται στα πηνία πομπού και δέκτη. Αυτό το πρόσθετο δίκτυο αντιστάθμισης μαζί με τη βελτίωση της συχνότητας συντονισμού μειώνει επίσης τις πρόσθετες απώλειες. Η συχνότητα λειτουργίας του RIWC κυμαίνεται μεταξύ 10 έως 150 KHz.

Φόρτιση ασύρματου ηλεκτρικού οχήματος

Η ασύρματη φόρτιση καθιστά το EV να φορτίζεται χωρίς καμία ανάγκη σύνδεσης. Εάν κάθε εταιρεία κάνει τα δικά της πρότυπα για συστήματα ασύρματης φόρτισης που δεν θα είναι συμβατά με άλλα συστήματα, τότε δεν θα είναι καλό. Για να γίνει η ασύρματη φόρτιση EV πιο φιλική προς τον χρήστη Πολλοί διεθνείς οργανισμοί όπως η International Electro Technical Commission (IEC), η Εταιρεία Μηχανικών Αυτοκινήτων

(SAE), Underwriters Laboratories (UL) Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) εργάζονται σε πρότυπα.

• Το SAE J2954 ορίζει το WPT για Ελαφριά Εγκατάσταση Plug-In EVs και Μεθοδολογία Ευθυγράμμισης. Σύμφωνα με αυτό το πρότυπο, το επίπεδο 1 προσφέρει μέγιστη ισχύ εισόδου 3,7 Kw, το επίπεδο 2 προσφέρει 7,7Kw, το επίπεδο 3 προσφέρει 11Kw και το επίπεδο4 προσφέρει 22Kw. Και η ελάχιστη απόδοση στόχου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 85% όταν ευθυγραμμίζεται. Η επιτρεπόμενη απόσταση από το έδαφος πρέπει να είναι έως 10 ίντσες και η πλευρική ανοχή είναι έως 4 ίντσες. Η πιο προτιμώμενη μέθοδος ευθυγράμμισης είναι ο μαγνητικός τριγωνισμός που βοηθά να παραμείνει εντός του εύρους φόρτισης στο χειροκίνητο πάρκινγκ και βοηθά στην εύρεση θέσεων στάθμευσης για αυτόνομα οχήματα.

• Το πρότυπο SAE J1772 ορίζει τον σύνδεσμο αγώγιμης φόρτισης EV / PHEV.
• Το πρότυπο SAE J2847 / 6 ορίζει την επικοινωνία μεταξύ ασύρματων φορτισμένων οχημάτων και ασύρματων φορτιστών EV.
• Το πρότυπο SAE J1773 ορίζει φόρτιση επαγωγικής ζεύξης EV.
• Το πρότυπο SAE J2836 / 6 ορίζει τις θήκες χρήσης για ασύρματη επικοινωνία φόρτισης για PEV.
• Το θέμα UL 2750 ορίζει το περίγραμμα της έρευνας, για WEVCS.
• Το IEC 61980-1 Cor.1 Ed.1.0 ορίζει τις Γενικές Απαιτήσεις Συστημάτων EV WPT.
• Το IEC 62827-2 Ed.1.0 ορίζει WPT-Management: Διαχείριση πολλαπλών συσκευών.
• Το IEC 63028 Ed.1.0 ορίζει το WPT-Air Fuel Alliance Resonant Baseline System Specification.

Εταιρείες που αναπτύσσονται και εργάζονται επί του παρόντος στο WCS

• Ο όμιλος Evatran κατασκευάζει Plugless Charging για επιβατικά EV όπως Tesla Model S, BMW i3, Nissan Leaf, Gen 1 Chevrolet Volt.
• Η WiTricy Corporation κατασκευάζει WCS για επιβατικά αυτοκίνητα και SUV μέχρι τώρα συνεργάζεται με τις Honda Motor Co. Ltd, Nissan, GM, Hyundai, Furukawa Electric.
• Η Qualcomm Halo κατασκευάζει WCS για επιβάτες, σπορ και αγωνιστικά αυτοκίνητα και αγοράζεται από την εταιρεία Witricity.
• Η Hevo Power κατασκευάζει WCS για επιβατικό αυτοκίνητο
• Η Bombardier Primove κατασκευάζει WCS για επιβατικά αυτοκίνητα σε SUV.
• Η Siemens και η BMW κατασκευάζουν WCS για επιβατικό αυτοκίνητο.
• Η Momentum Dynamic κατασκευάζει εμπορικούς στόλους και λεωφορεία WCS Corporation.
• Η Conductix-Wampfler κατασκευάζει στόλο και λεωφορεία WCS για τη βιομηχανία.

Προκλήσεις που αντιμετωπίζει το WEVCS

• Για την εγκατάσταση στατικών και δυναμικών ασύρματων σταθμών φόρτισης στους δρόμους, απαιτείται νέα ανάπτυξη υποδομής καθώς η τρέχουσα ρύθμιση δεν είναι κατάλληλη για τις εγκαταστάσεις.
• Πρέπει να διατηρηθεί το EMC, το EMI και οι συχνότητες σύμφωνα με τα πρότυπα για την ανθρώπινη υγεία και ασφάλεια.