Bezprzewodowe ładowarki dla pojazdów elektrycznych

W świecie, w którym zasilanie samochodów elektrycznych ma kluczowe znaczenie dla przyspieszenia transformacji energetycznej, obok dedykowanych stacji ładowania mogą pojawić się inne opcje, takie jak rozwiązania bezprzewodowe. A więc ulepszona wersja mechanizmu znana, chociażby ze smartfonów, z tym że z kilkoma różnicami. „Bezprzewodowe ładowanie indukcyjne umożliwia automatyczne zasilenie pojazdu elektrycznego bez konieczności używania kabli” — mówi Michael Rai Anderson, dyrektor generalny Plugless Power, w wywiadzie dla: „Power Electronics News”. „Technicznie wszystko jest skalowalne, jednak wraz ze skokiem szybkości przesyłania zasobów, złożoność i rozmiar elektroniki operującej energią muszą również wzrosnąć” — dodał. „Co ważniejsze, w miarę przyrostu mocy należy wziąć pod uwagę szereg dodatkowych czynników, takich jak straty termiczne i zarządzanie cieplne. Im niższa sprawność, a okazalsza moc, tym większe ubytki i więcej trzeba zrobić, aby kontrolować to ciepło”.

Dr Milan Rosina, główny analityk energetyki i akumulatorów w Yole Développement, powiedział, że ładowanie EV wymaga znacznie wyższego napięcia, mocy i ilości przesyłanej energii. Dlatego problematyka związana z technologią, bezpieczeństwem, kosztami i środowiskiem jest bez miary poważniejsza. „Chociaż zasilanie bezprzewodowe i smartfony są często w bliskim kontakcie, trudno jest dokładnie ustawić pojazd nad ładowarką, a odległość między nią (nadajnikiem) a odbiornikiem zainstalowanym w aucie jest wydatnie większa” — wskazał. Zwrócił też uwagę, że skutkuje to słabą efektywnością transferu energii w rzeczywistych warunkach. Jednakże to istotnie wysoka wydajność jest potrzebna, aby zmniejszyć wydatki i wyzwania związane z zarządzaniem temperaturą, a także celem zniwelowania wpływu ładowania bezprzewodowego na środowisko (patrz rysunek 1).

Co więcej, wysokie napięcie i duża moc niezbędne do zasilania pojazdów elektrycznych niosą ze sobą inne kwestie problematyczne dotyczące bezpieczeństwa i kosztów systemów ładowania. „Rozwiązanie bezprzewodowe wymaga również zintegrowania z pojazdem dodatkowej ładowarki, co zwiększa cenę pojazdu” — tłumaczy Rosina. „Instalacja ładowarek EV w miejscach publicznych wiąże się także z wieloma odmiennymi wyzwaniami. Modernizacja zasilacza bezprzewodowego pod generację wyżej jest bardziej skomplikowana niż w standardowym ujęciu. Autonomiczne ładowanie jest często przedstawiane jako rodzaj wygodnego lub nawet automatycznego mechanizmu. Rzeczywiście, pojazdy bez kierowcy optymalnie wykorzystywałyby rodzaj samoczynnego zasilania. A wariant bezprzewodowy wydaje się tutaj obiecującą opcją. Jednak kilka firm opracowało również zautomatyzowane propozycje, takie jak wymiana akumulatorów, motywy wykorzystujące zrobotyzowane ramię lub zmechanizowane, ruchome systemy ładowania. Dane ujęcia będą konkurować z zasilaniem bezprzewodowym, gdy pojawi się zapotrzebowanie na samoczynne rozwiązania”.

Andy Wilson, dyrektor ds. rozwoju biznesu w UnitedSiC, uważa, że ​​pierwszymi użytkownikami bezprzewodowego ładowania będą użytkowe środki lokomocji (autobusy, transport dostawczy, taksówki), które potrzebują szybkiego sposobu zasilania, aby zwiększyć zasięg pojazdu. „Takie uzupełniające pobieranie zasobów ma miejsce w krótkim czasie, gdy maszyna jest zaparkowana w rutynowym punkcie odpoczynku” — powiedział. „Takowa dynamika będzie wymagała znacznie wyższych poziomów transmisji mocy niż w przypadku bezprzewodowego ładowania w domu, gdzie ów może nastąpić w nocy przy znacznie niższych poziomach. Aby móc sprostać wysokim potrzebom systemów komercyjnego zasilania dodatkowego, rezonansowe mechanizmy ładowania indukcyjnego muszą pracować przy stosunkowo wysokiej częstotliwości, co wiąże się z użytkiem szybszych sprzętów przełączających” — tłumaczy Wilson. „Wymagania te wskazują na mocne strony urządzeń półprzewodnikowych o szerokim paśmie wzbronionym”. Ali Husain, kierownik ds. marketingu i strategii korporacyjnej w ON Semiconductor, powiedział, że niektóre bezprzewodowe mechanizmy zasilające zapewniają do 20 kW mocy przy sprawności równej 94%, mając na względzie odcinek od wtyczki do akumulatora. „Częstotliwość rezonansowa wynosi zwykle do 100 kHz, więc szybkie przełączanie układów szerokopasmowych jest odpowiednie dla tych systemów” — zakomunikował.

Rozwiązania do ładowania dla elektromobilności

Kiedy jest mowa o mobilności elektrycznej istnieją różne sposoby napełnienia pojazdu energią, w tym zasilanie lub wymiana akumulatora czy tankowanie wodoru (patrz rysunek 2). Rosina zwrócił uwagę, że to ostatnie jest wykorzystywane w pojazdach elektrycznych napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi, które stanowią niezwykle małą część rynku. W przypadku podmiany baterii stosuje się połączenie wizji komputerowej i komunikacji bezprzewodowej, stacja może zidentyfikować dokładną lokalizację każdego zastępowanego modułu akumulatora. Temat ten omawiany był na ramach prasy w osobnych materiałach.



„Aby zrealizować wymagania dotyczące poziomu emisji CO2, które cały czas są zmieniane na coraz ostrzejsze, elektryfikacja jest konieczna” — mówi Rosina. „Jakkolwiek istnieją różne jej poziomy, to aby spełnić założenia ustawodawców, trzeba sięgnąć po dosyć wysoki jej pułap. A więc de facto po samochody elektryczne i hybrydy ładowane z gniazdek”.



Zasilanie przewodowe polega na ręcznym podłączeniu kabla pomiędzy stacją ładowania a pojazdem. W zależności od rozmiaru przewodu odmienny prąd może przepływać przez to połączenie, co daje możliwość błyskawicznego uzupełniania zasobów. Główne zalety tego typu systemów to:

* Zmniejszone koszty infrastruktury;
* Wysoka sprawność przenoszenia mocy;
* Możliwość szybkiego ładowania (przy, niestety, rosnących kosztach);
* Niskie wymagania konserwacyjne;
* Praktycznie brak emisji elektromagnetycznych.

Główne mankamenty tego typu opcji to:

* Konieczność interwencji człowieka w związku z brakiem zautomatyzowanego procesu;
* Przewód ładowarki zajmuje miejsce na parkingu.

Pomimo wszystkich wymienionych powyżej zalet zasilanie przewodowe z pewnością będzie stosowane w samochodach całkowicie elektrycznych jeszcze przez wiele lat. Według raportu Yole Développement: „DC Charging for Plug-In Electric Vehicles 2021”, rynek ładowarek DC będzie rósł w latach 2020-2026 ze wskaźnikiem CAGR na poziomie 15,6% i do 2026 r. osiągnie około 440 000 sztuk. Bardzo prawdopodobne jest, że w niedalekiej przyszłości zobaczymy również systemy z różnymi rodzajami automatyki związanej z tą technologią. „Rozwiązania bezprzewodowe są wciąż na wczesnym etapie rozwoju i napotykają wiele trudności” — oznajmił Rosina. „Przewodowe sposoby ładowania są i pozostaną głównymi opcjami w przypadku pojazdów elektrycznych w dającej się przewidzieć przyszłości. Aby uniknąć wyzwań związanych z przesyłaniem bardzo wysokich prądów przez kable i złącza opracowano ujęcia pantografowe — głównie do zasilania autobusów elektrycznych”.

Wilson zwrócił uwagę, że rozwiązanie bezprzewodowe wymaga zarówno inwestycji w infrastrukturę (cewka nadajnika), jak i w pojazd (cewka odbiornika). „W kwestii maszyn użytkowych, w których dzienne wymagania dotyczące zasięgu przekraczają pojemność akumulatora, możliwość otrzymywania dodatkowych ładunków w ciągu dnia podczas rutynowych postojów może wypełnić tę lukę” — wskazał. „Ta wartość rozszerzenia zasięgu stanowi uzasadnienie biznesowe usprawiedliwiające inwestycję potrzebną do obsługi zasilania bezprzewodowego. W odniesieniu do prywatnych samochodów osobowych podstawowym atutem tego ostatniego jest wygoda. W przypadku większej części ludzi inwestycja, którą są skłonni ponieść celem uzyskania określonego poziomu udogodnień jest stosunkowo niewielka. Z tego powodu widzimy, że koszty muszą znacznie spaść, zanim będzie można zająć się tym rynkiem”.

Anderson zwrócił uwagę, że obecne metody opierają się na przewodowych urządzeniach do ładowania. Jednak takowe nie są praktyczne na dłuższą metę, ponieważ z natury stwarzają ryzyko potknięcia, są podatne na uszkodzenia i wymagają od kierowcy podłączenia pojazdu, nawet jeśli jest zła pogoda. „Historyczne badania i rozwój w zakresie wdrażania bezprzewodowego ładowania indukcyjnego koncentrowały się na cewkach nadawczych i odbiorczych; jednak obecne wysiłki są bardziej skupione na komunikacji, interfejsie użytkownika i matrycy sensorycznej” — dodał. Wyzwania odnoszące się do bezpieczeństwa związanego z zasilaniem bezprzewodowym nie różnią się od nominalnego wypadku. I aby takowe zapewnić, wymagane są podobne protokoły oprogramowania i szyfrowanie. Anderson wskazuje, że dla danej mocy wyjściowej (tj. 3,3 kW, 7,2 kW lub 11 kW) czasy ładowania będą stosunkowo zbliżone.

Pierwszym problematycznym zagadnieniem we wdrażaniu bezprzewodowego rozwiązania w motoryzacji w perspektywie elektrycznych pojazdów autonomicznych jest przyjęcie uniwersalnego standardu. „Teraz gdy SAE opublikowało swoje wymogi [w październiku 2020], mamy namacalne kroki w tym kierunku” — oświadczył Anderson. „Obecnie koniecznością jest, aby konsumenci domagali się wygody i dodatkowej wartości, ażeby producenci pojazdów elektrycznych mogli zacząć stosować środki transportu: »gotowe do pracy z lub obsługujące łączność bezprzewodową«. Należy jednak zauważyć, że zasilanie danego typu umożliwia autonomię. W rzeczywistości powszechnie wiadomo, że bez technologii ładowania bezprzewodowego nie można mówić o samowystarczalności, nawet przy wykluczeniu kierowcy”. Normy J2954 i J2846/7 wydane przez SAE International to regulacje warunkujące wymianę energii zdolną do zasilania z mocą do 11 kW, z wydajnością 94% i odległością między płytą cewki ładowarki a pojazdem do 25 cm. Ten sam system można zastosować do infrastruktury autonomicznej zaprojektowanej dla samochodów, które mają możliwość samodzielnego parkowania i ładowania.

Technologia

Pierwszą osobą, która przedstawiła teorię na temat: „bezprzewodowego” przesyłania energii elektrycznej był Nicola Tesla w 1896 roku. Zasada działania jest podobna do transformatora i opiera się na indukcji magnetycznej. Obwód pierwotny, zwany nadajnikiem, generuje pole magnetyczne zmienne w czasie. Obwód wtórny odbiera to pole i jest podłączony do urządzenia, które ma być zasilane. Najważniejszymi parametrami, które należy wziąć pod uwagę są z pewnością odległość między dwoma obwodami i ich wyrównanie. To ostatnie, gdy jest słabe oraz stosunkowo duży dystans obniżają sprawność systemu i sprawiają, że transfer energii jest nieefektywny. Podczas ładowania dochodzi do wymiany zasobów między dwoma: „padami”, tym umieszczonym na ziemi i drugim na spodzie pojazdu. Cewka ładująca (na ziemi) ma ok. 1 m², natomiast podkładka odbiorcza (w samochodzie) jest zamknięta w niewielkim urządzeniu. Oprócz powyższych jednostek infrastruktura składa się ze stacji ładowania indukcyjnego.

Odbiornik (cewka odbiorcza) jest umieszczony na spodzie maszyny. Podczas gdy kilka cewek pełniących funkcję nadajników osadzono w nawierzchni drogi. Te ostatnie są zasilane energią elektryczną. Działa to w następujący sposób: cewki w chodniku wytwarzają pole magnetyczne. Jest ono odbierane przez ​​cewkę w pojeździe, która może je przekształcić z powrotem w energię elektryczną. Wytworzone zasoby są wykorzystywane do ładowania akumulatora napędzającego silnik.

Husain powiedział, że wszystkie główne techniki opierają się na sprzężeniu rezonansowym między cewką nadajnika a odbiorczą. „W tej metodzie cewka odbiorcza jest bardzo dobrze dostrojona do częstotliwości nadawania, aby zmaksymalizować moc dostarczaną przez szczelinę ładowania bezprzewodowego” — wskazał.

Anderson zwrócił uwagę, że antena odbiorcza jest zamontowana na spodzie pojazdu. „Jej pozycja musi być lustrzana dla interfejsu z anteną nadajnika” — zakomunikował. „Rzeczywiste usytuowanie pod samochodem jest mniej ważne niż zapewnienie odpowiedniego połączenia z anteną nadajnika. Autentyczny rozmiar zależy od projektowanej szybkości przenoszenia mocy. W przypadku obudów dla pojazdów elektrycznych anteny będą miały ok. 24 × 30 cali, ±6 cali w dowolnym określonym wymiarze. Ich grubość będzie wynosić od 1,5 do 4 cali, w zależności od charakteru powiązanej elektroniki mocy”.

Bezprzewodowe ładowanie w ruchu to alternatywa dla zasilania stacjonarnego, oparta na tej samej zasadzie. Pomysł polega na zainstalowaniu cewek ładujących kilka centymetrów pod asfaltem, które za pomocą pól magnetycznych o bardzo wysokiej częstotliwości byłyby w stanie uzupełniać zasoby samochodów podczas jazdy. Aby to działało pojazdy muszą być zmodyfikowane i wyposażone w kompatybilne systemy.

Zarządzanie energią

Zasilanie jest kontrolowane podobnie jak w przypadku obecnych metod — za pomocą ładowarki przewodowej poprzez system zarządzania akumulatorem pojazdu elektrycznego. Anderson zwrócił jednak uwagę, że nawet w tych okolicznościach gospodarowanie ładowaniem może się nieznacznie zmienić w zależności od warunków mocy wyjściowej bezprzewodowego urządzenia napędzającego. „Kluczem jest zrozumienie, że komunikacja między antenami opiera się na stałym zasilaniu. Ponieważ energia pochodząca z sieci jest prądem przemiennym, należy ją przekonwertować na stały dla anteny nadajnika” — tłumaczy. „Antena odbiorcza odbiera energię jako prąd stały, a następnie może zostać przekształcona z powrotem na przemienny, aby połączyć się z tą samą infrastrukturą elektryczną, której używa interfejs kablowy lub pozostać jako prąd stały, aby skomunikować się bezpośrednio z systemem zarządzania baterią. Za każdym razem, gdy trzeba przekonwertować energię z AC na DC lub z DC na AC następuje niewielki spadek sprawności. W związku z tym większość bezprzewodowych urządzeń ładujących będzie działać z wydajnością około 92% ±2%. Nie jest to jednak dramatycznie mniej niż w przypadku przewodowego sprzętu zasilającego. W danym ujęciu efektywność stanowi przeważnie 96% ± 2%”.

„Po sprzężeniu rezonansowym w antenie odbiorczej zasilanie jest prądem przemiennym i musi zostać przekonwertowane, aby naładować akumulator. Kolejnym etapem może być prostowanie pasywne (diody) lub aktywne (MOSFET). Prostowniki typu drugiego mają mniejsze straty, ale wymagają dokładniejszej kontroli i są zazwyczaj droższe w stosunku do zwykłych urządzeń krzemowych. Jednak całkowity koszt systemu może być niższy, ponieważ mniej znaczące ubytki mogą pozwolić na drobniejszy radiator lub mechanizm chłodzący. Po wyprostowaniu zasilania na ogół podawane jest ono na ładowarkę, która zapewnia izolację, a także dostosowuje poziom napięcia do akumulatora i jego stanu naładowania” — dodaje Husain.

Rozważania

Pojazdy elektryczne coraz częściej wygrywają na rynku, ale ich zasięg jest nadal bardzo problematyczny, podobnie jak kwestia przepisów rządowych. „Ładowanie bezprzewodowe jest łatwiejsze i prawie niezauważalne dla użytkownika, ale przewodowe jest bardziej intuicyjne, a ludziom może spodobać się uczucie podłączenia wtyczki do samochodu. Rozwiązanie bezprzewodowe nie będzie szybsze niż to przy użytku wbudowanej ładowarki, zwykle o mocy od 11 kW do 20 kW. Jednak ładowanie DC wzrośnie do 300 kW, aby zapewnić błyskawiczne uzupełnianie zasobów. Minie dużo czasu, zanim będziemy mogli uczynić zasilanie bezprzewodowe częścią infrastruktury i mieć sposób na to, aby każdy mógł z tego korzystać, płacić za zużyty prąd i czuć się bezpiecznie, robiąc to”.

Aby rozwiązanie bezprzewodowe było dostępne dla wszystkich i działało wszędzie należy stworzyć sieć stacji ładowania indukcyjnego z cewkami osadzonymi w nawierzchni drogi. Zasilanie indukcyjne podczas jazdy to najlepsza opcja dla elektromobilności. Jedyne, co już dziś jest pewne, to to, że sieć punktów uzupełniających zasoby stale się rozwija, a ładowanie samochodów elektrycznych stanie się łatwiejsze w miarę postępującego rozwoju.

Izraelska firma Electreon Wireless od jakiegoś czasu pracuje nad opcją bezprzewodowego zasilania w ruchu. W ciągu najbliższych kilku miesięcy zaplanowano pierwsze oficjalne testy w Tel Awiwie, podczas których pod asfaltem na dwukilometrowym odcinku drogi rozlokowano cewki. Z ich udziałem będzie mógł ładować się elektryczny autobus. Bezprzewodowe zasilanie elektrycznej ciężarówki na drodze publicznej jest znaczącym kamieniem milowym w komercjalizacji danej technologii (patrz rysunek 4).



Genesis oferować będzie omawianą technikę w swoim najnowszym modelu eG80. Technologia ta zostanie wprowadzona przez partnera WiTricity i będzie oparta na standardzie SAE J2954 wspomnianym powyżej. Prawdziwe wdrożenie ładowarek bezprzewodowych może nastąpić od drugiej połowy 2021 r. Jako że aktualne rozwiązania wymagają nowych budynków oddzielonych od obecnych stanowisk. Genesis opracowuje również domowe ładowarki o mocy 7 i 11 kW, aby umożliwić klientom bezprzewodowe uzupełnianie zasobów w domowym garażu (patrz rysunki 5 oraz 6).



Wysokowydajny system zasilania pojazdów elektrycznych WiTricity o mocy od 3,6 kW do 11 kW zapewnia producentom samochodów, dostawcom poziomu 1 oraz infrastruktury ładowania interoperacyjny projekt bezprzewodowego mechanizmu zasilającego. Powyższy koncept i architektura WiTricity zostały uwzględnione w globalnych wysiłkach normalizacyjnych prowadzonych przez SAE International i IEC/ISO; DKE i Projekt STILLE (Niemcy); i CATARC (Chiny). Alex Gruzen, dyrektor generalny WiTricity, wskazuje na swojej stronie internetowej, że autonomiczne pojazdy elektryczne to przyszłość mobilności osobistej „Jednak bez kierowcy, kto podłączy pojazd, aby go naładować? Odpowiedź jest jasna: bez wtyczek, bez przewodów” — podsumowuje.

Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/wireless-charging-technology-for-evs/