Беспроводная зарядка электромобиля: экспериментальная конструкция системы

Беспроводная зарядка электромобиля: экспериментальная конструкция системы

Технологический прогресс демонстрирует массу интересного на текущий момент времени. Так, например, беспроводная зарядка электромобиля является одной из тех привлекательных тем, которую активно муссируют сообщества изобретателей. Действительно, тема достаточно интересная, чтобы рассмотреть ближе. Сама технология, однако, уже хорошо известна, а потому логичным видится обзор экспериментальной конструкции системы, которую вполне возможно применить на практике.

Экспериментальная конструкция беспроводная зарядка электромобиля

Базовый возможный вариант конструкции под эксперименты показан на первой картинке ниже по тексту. Применённые в системе катушки индуктивности имеют радиус 15 см. При этом толщина линии составляет 2 мм, а количество витков равно 5. Схема анализатора цепей используется для определения частотных характеристик между двумя резонирующими катушками при уровне мощности 10 мВт.

Анализатор цепей беспроводной зарядки электромобиля содержит два порта:

  1. Для ввода высокочастотных сигналов.
  2. Для считывания соответствующих передаваемых сигналов.

Параметры взаимосвязи между зазором парных катушек индуктивности и эффективностью беспроводной передачи энергии отмечены в таблице.

Зазор, см Эффективность, % Частота 1, МГц Частота 2, МГц
5,6 88,84 13,59 19,87
10,1 93,32 14,74 17,85
14,8 93,69 15,27 16,51
24,1 88,07 16,11 16,11
28,0 70,04 16,08 18,08

Как следует из показателей таблицы, что на случай применения магнитно-резонансной связи максимальная эффективность на уровне 93,69% достигается при зазоре 14,8 см между двумя катушками. Это значение существенно больше, чем в случае конструкции по технологии индуктивной связи. Параметры «Частота 1» и «Частота 2» — это резонансные частоты экспериментальной системы беспроводная зарядка электромобиля.

БЕСПРОВОДНАЯ

Беспроводная зарядка электромобиля - рабочие индуктивности системы
Такими, примерно, выглядят катушки индуктивности для системы беспроводная зарядка электромобиля, создаваемой в качестве экспериментальной конструкции

Вариант экспериментальной конструкции системы беспроводной зарядки электромобиля показан на картинке ниже.

Система-прототип реально действующего хаба

Собранная простым способом на доступных компонентах система-прототип содержит, между тем, все основные функциональные компоненты. В частности, присутствует «виртуальная» трансмиссия электромобиля и система беспроводной зарядки.

Созданная экспериментальная конструкция включает:

  • излучающую катушку индуктивности,
  • две резонирующие катушки,
  • плату FPGA для генерации входного сигнала ШИМ ПЛИС,
  • высокочастотный резонансный инвертор,
  • приемную катушку индуктивности,
  • высокочастотный выпрямитель,
  • суперконденсаторы,
  • блок управления двигателем (MCU),
  • драйвер двигателя и электродвигатели.

На будущее планируется повсеместное размещение беспроводных стационарных и динамических зарядных устройств транспортных средств. Здесь в отличие от традиционных транспортных систем беспроводной зарядки, в качестве устройств накопления энергии используются суперконденсаторы, а не батареи. Суперконденсаторы больше подходят для быстрой и частой беспроводной зарядки.

СУПЕРКОНДЕНС

Беспроводная зарядка электромобиля + экспериментальная лабораторная конструкция
Экспериментальная конструкция беспроводная зарядка электромобиля: 1 – подъезд машины; 2 – высокочастотный резонансный инвертор; 3 – плата FPGA на частоту 1Мгц; 4 – излучающая индуктивность; 5 – резонирующая индуктивность; 6 – резонирующая индуктивность; 7 – приёмная индуктивность; 8 – высокочастотный выпрямитель; 9 – модуль суперконденсаторов

Целевая частота 1 МГц выбрана для мощности переменного тока, генерируемой резонансным инвертором постоянного / переменного тока. Резонансный инвертор с питанием от напряжения генерирует выходное напряжение ШИМ 1 МГц по команде переключения с платы FPGA.

Беспроводная зарядка электромобиля экспериментально

Резонирующая катушка первая, находящаяся рядом с излучающей катушкой, улавливает переменную электромагнитную энергию излучающей индуктивности за счёт индуктивной связи.

Вторая резонирующая катушка получает энергию от резонирующей индуктивности через магнитно-резонансную связь, вновь передавая энергию приёмной индуктивности через индуктивную связь.

Наконец, мощность переменного тока 1 МГц преобразуется в мощность постоянного тока, вполне пригодную под заряд модуля суперконденсатора. Особое внимание следует уделять взаимодействию между автомобилем, станцией беспроводной зарядки и дорожными условиями, включая:

  • определение уровня напряжения суперконденсатора,
  • зону беспроводной зарядки,
  • траекторию транспортного средства,

Модель электромобиля допускает автоматический возврат в зону зарядки, когда уровень напряжения модуля суперконденсатора ниже заданного эталонного значения.

Этот прототип демонстрационной системы — беспроводная зарядка электромобиля, вполне может использоваться в качестве платформы исследования потенциала беспроводной зарядки суперконденсаторных легковых машин.

Эта же экспериментальная система подойдёт для изучения интерактивных отношений между различными компонентами, начиная от беспроводной передачи энергии, хранения до потребления. Соответственно, при помощи системы проще оптимизировать конфигурации, дизайн, стратегии управления и прочие моменты.

Беспроводная зарядка электромобиля действенно

Резонансная частота 1 МГц подтверждается измерением напряжения и тока контура излучающей индуктивности. Наблюдается следующее — напряжение контура излучающей индуктивности выдаёт прямоугольную форму сигнала. Отмечается течение синусоидальных токов, получаемых от инвертора напряжения конструкции.

Анализатор цепей используется для определения частотных характеристик излучающей индуктивности, резонирующих катушек и приёмной индуктивности. Картинка (осциллограмма) ниже получена от анализатора цепей при рабочем расстоянии 10 см между двумя резонирующими индуктивностями.

АНАЛИЗАТОР

Беспроводная зарядка электромобиля + осцилограмма рабочего сигнала частоты
Результат исследования сигнала осциллографом с последующим выводом относительно эффективности работы устройства беспроводная зарядка электромобиля

Осциллограмма демонстрирует: максимальная эффективность передачи энергии достигается на частоте 995 кГц, что соответствует целевой резонансной частоте. Соотношение величин составляет -1,42 дБ. А именно:

20*LOG10 (Vout / Vin) = -1,42;

где Vin и Vout — величины входных и выходных напряжений.

Следовательно, эффективность передачи энергии устройства беспроводная зарядка электромобиля в данном варианте составляет:

Eэф = (Vout / Vin)2 = 72,1%;

Таблица ниже показывает эффективность передачи энергии при различном резонансном расстоянии катушек индуктивности для устройства беспроводной зарядки электромобиля. Эффективность 50%, как видно, достигается на расстоянии между контурами около 22 см.

Дистанция, см Соотношение, db Эффективность, %
5 — 0,38 91,6
6 — 0,44 90,4
7 — 0,61 86,9
8 — 0,72 84,7
9 — 0,96 80,2
10 — 1,42 72,1
15 — 1,949 63,8
20 — 2,737 53,2
25 — 3,786 41,8
30 — 4,671 34,1
35 — 6,425 22,8
40 — 7,618 17,3
45 — 10,05 9,9
50 — 11,809 6,6

Исходя из всей представленной информации, полученной по итогам анализа экспериментальной системы питания энергией современных электромобилей, можно сделать соответствующие выводы. Эти выводы способны в будущем оказать существенную помощь в деле реализации практической энергетической зарядной станции.

Выводы по технологии будущего для электромобиля

Магнитно-резонансная муфта видится особо перспективной для осуществления заряда энергией транспортных средств беспроводным способом. Обусловлен такой вывод высокой эффективностью и относительно большой дальностью передачи энергии.

Посредством достаточно удобной испытательной платформы можно оценить стоимость различных систем поддержки питания, таких как суперконденсаторы и литий-ионные батареи. Также интересно продемонстрировать на платформе динамическую схему суперконденсаторной модели автомобиля.

 

Система мини-прототипа может быть использована для реализации многих новых идей, касающихся наполнения энергией транспортных средств будущего, учитывая, что уже разрабатывается полноразмерный автомобиль, дополненный суперконденсаторами и батареями на борту.


При помощи информации: SJTU