CC BY
39
1 2 Садковский Б.П. , Андросов А.Ю.
1доктор технических наук, 2студент, кафедра «Автомобиле- и тракторостроение», Калужский филиал Московского государственного технического
университета имени Н.Э. Баумана
БЕСКОНТАКТНЫЕ СПОСОБЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
Аннотация
В статье раскрыта перспективность, проблематика, а также принцип работы и физические основы технологии использования беспроводных зарядных установок как основного источника электроэнергии взамен стационарным зарядным станциям для восполнения заряда электромобилей. Отображен функционирующий проект использования системы непосредственно на дорогах общего пользования.
Ключевые слова: электромобиль, бесконтактная зарядная станция, альтернативный источник электроэнергии.
Keywords: electric motor car, contactless charging station, an alternative source of electricity.
Результатами проделанной работы в создании альтернативных источников электроэнергии в автомобильной индустрии в приоритетном отношении являются: создание литий-ионных, серебряно-цинковых, алюминиевых батарей, магний-графеновых аккумуляторов, металло-воздушных батарей с вариативной металлической базой накопления заряда, а также системы проточного аккумулирования электроэнергии.
Итоговые разработки на данный момент активно используются автомобильными концернами «Ford», «Audi», «Tesla Motors», «Renault», производя в частности не только концептуальный автотранспорт, но и ежечасные автомобили бюджетного плана. Таким образом актуальным становится вопрос о виде и о способе зарядки электро-аккумулирующих систем. Широко используемым видом возобновления электрической энергии батарей являются зарядные станции для электромобилей. Такие станции безусловно являются лидерами в видении восстановления заряда после его истощения в системе аккумулирования, но далеко не последними. Минус таких энергопунктов -их стационарность и недоступность в критических ситуациях истощения движущей энергии электротранспорта.
Решением данной проблемы может стать внедрение внеконтактной зарядки автотранспорта путем применения беспроводных зарядных станций, работа которых основана на следующем принципе: электрический ток в момент движения его по проволоке катушки-ретранслятора (панели для беспроводной зарядки) возбуждает электромагнитное поле. Полученное таким образом поле является непосредственным транспортировщиком электроэнергии от одной катушки-передатчика, находящегося на земле или же смонтированной под грунтом поверхности, к другой, т.е. катушке-приемнику (индуктивное приемное устройство), размещенному в нижней части автомобиля, без какого-либо физического соединения (рисунок 1):
¡АятамЫжль Г | Акг/чулятар !
Рис. 1 - Принципиальная схема беспроводной зарядной станции
После протекания приведенных процессов электроэнергия, пройдя через выпрямитель тока, запасается непосредственно в батарее благодаря системе управления энергией. В настоящее время технологии беспроводной зарядки электрокара мощностью 50 кВт позволяет в полной мере восполнить заряд аккумулятора в течение 2,5 часов.
Данная инновационная система зарядки может быть совершенно независима от исполнительно-ходовой автоматики автомобиля. Таким образом, проблемы потери тока и короткие замыкания совершенно исключены. Также отсутствует проблема дискомфорта работы с кабелями, к тому же данный блок беспроводной зарядки способен поддерживать заряд аккумулирующих систем в самой экстремальной ситуации, либо попросту в месте парковки. Вдобавок ко всему используемые магнитные поля высокой частоты в качестве транспортировки энергии, передающиеся через воздушный зазор порядка 160 мм, сконцентрированы и экранированы от воздействия на них инородных полей-утечек, которые стремительно затухают на уровнях меньших предельно допустимых значений в общественных зонах.
Основополагающей деталью дистанционных зарядных станций является применение радиосвязующего взаимодействия в канале обратной связи регулятора мощности с дополненными алгоритмами программного управления. Технической задачей разработчиков является унификация автоматических систем с сохранением конструкции принимающей стороны, фиксированных настроек транслирующей катушки, а также восстановление, выборка и организация системы хранения рекуперативной энергии. На данный момент совершенствуется эффективность катушек, силовой электроники преобразователя и систем связи.
Сущность передачи энергии от транслятора к приемнику заключается в использовании резонанса электромагнитного поля индуктивным способом. Последние показатели исследований засвидетельствовали, что передача электроэнергии мощностью 10 кВт через воздушную прослойку на расстоянии 160 мм типа «ёс-1;о-ёс» составляет потери лишь 5% от общего количества. При передаче энергии от катушки к катушке «coil-to-coil», эффективность составляет 90%, а при передаче типа «end-to-end» до 85 %, что свидетельствует о высоких показателях коэффициента полезного действия системы.
На рисунке 2 продемонстрирована блок-схема исходной системы бесконтактной транспортировки электроэнергии.
Рис. 2 - Схема системы бесконтактной транспортировки электроэнергии
Представленная конструкция беспроводной передачи заряда состоит из конденсатора, первичного выпрямителя, выполняющего корректировку коэффициента мощности одновременно преобразователя и трансформатора энергии, а также первичной катушки. Вторичная принимающая катушка, располагающаяся в корпусе электромобиля, включает в себя подстроечный конденсатор, высокочастотный диодный выпрямитель и конденсатор, являющийся фильтром системы.
В роли активного выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности (рисунок 3) задействована лишь левая его часть, правая же используется в качестве диода. Данная конструкция форсирует пиковые значения напряжения до 8-10 раз.
Ходовая часть
Рис. 3 - Блок-схема активного выпрямителя тока
Принцип действия электромагнитных катушек базируется на векторной интерпретации магнитного потенциала в определенной точке поля, возбужденного протеканием первичного тока в первичной катушке (рисунок 4).
Рис. 4 - Векторная иллюстрация возбужденного электромагнитного поля
Для принимающей и транслирующей катушек с радиусами а, являющихся сечением проводника и имеющих расстояние между катушками 2, радиус вектор от первичной катушки до точки поля будет равен:
W
2 , 2 a + z
В точке поля P вектор магнитного потенциала Вф зависит от исходного радиуса первичной катушки, полного тока, угла поднятия витка 0 и обратной квадрату расстояние величине между катушками.
Несмотря на эти зависимости, плотность потока B = f (r; 0) и полный поток
энергии Ф воспринимающей катушки имеют непосредственное отношение к производительности зарядной установки и могут быть определены по формуле:
B(r; 0) = rm0 NlIlal (cos 0 + sin 0),
где: mo — коэффициент мощности;
N — первичное возбуждение в транслирующей катушке;
Ij — сила тока в транслирующей катушке.
Нагрузочные параметры, а именно качественная и количественная характеристика заряда батареи электромобиля и постоянства потокосцепления между транслятором и приемником определяется частотным откликом системы беспроводной зарядной установки. Итоговое значение мощности полученной от приемника электроэнергии устанавливается частотой переключения усилителя заряда и рабочим циклом входного напряжения. Данная зависимость выражается следующим образом:
U (t) = sin(—) cos( wt), p 2
где: Uj - напряжение в транслирующей катушке;
Udo - напряжение постоянного тока на усилителе заряда;
d - коэффициент заполнения импульсов;
W - угловая частота.
Чаще всего напряжение усилителя заряда регулируется через цепь постоянного тока с помощью активного выпрямителя. Конечной целью является достижение наилучших эксплуатационных показателей с точки зрения мощности и эффективности при изменении частоты данного усилителя.
Таковы основополагающие конструктивные и электромеханические зависимости беспроводных зарядных устройств в передаче электроэнергии от сетевого обеспечения к конечной цели - системе аккумулирования электроэнергии электромобиля, предполагающие наилучшую на данный момент эффективность. Последними наработками инженеров автомобилестроения стали несколько вариантов таких конструкций: бесконтактная зарядная станция «WiTricity» создана для восстановления заряда путем транспортировки электроэнергии, задействуя переменное магнитное влияние с помощью резонатора, возбуждающего магнитное поле в диапазоне 300 кГц до 20 МГц. Доставка электроэнергии производится передатчиком, монтируемым в напольном сооружении; за восприятие отвечает приемник, установленный непосредственно в электротранспорте. Похожий вариант зарядной установки «Wireless Electric Vehicle Charging» («WEVC») аналогично базируется на применении варианта возбудителя электроэнергии переменного магнитного поля. Отличием от конкурирующих систем стало размещение сетевого адаптера не только в плоскости поверхности, но и непосредственно в грунте опорной площадки. Приемная же катушка, как и свойственно, располагается на борту транспортного средства.
В настоящее время в Великобритании под активным влиянием компании «Highways England» запущен проект по строительству дорожного покрытия со встроенными беспроводными зарядными устройствами, которые дадут возможность зарядки электротранспорта, оснащенного всем необходимым техническим оборудованием, в момент его движения от придорожного энергоснабжения. Данный проект, учитывая успех беспроводной зарядной станции в стационарной эксплуатации, является началом масштабного практического применения технологии беспроводного аккумулирования электроэнергии. Активные действия по внедрению данной системы стали результатом экономического анализа выгодности реализации идеи с учетом проблем, связанных со стандартизацией разработанного оборудования. Приведенные разработки являются лишь началом инновационной деятельности, и в случае успеха кампании планируется расширить сеть подобных дорог, базирующихся на максимальном расстоянии 25 километров друг от друга. Тестирование дорог завершится сразу после их строительства, что покажет целесообразность данной идеи, либо выявит ее локальные недостатки, требующие непосредственного решения.
В итоге, данная инновационная технология, решающая проблему длительности эксплуатации электротранспорта, преодолела основные препятствующие барьеры -экономический, технический и стандартизационный, что позволяет задуматься о приоритете использования электротехнического транспорта в качестве альтернативного.
Литература:
1. Андросов А.Ю., Садковский Б.П. Двигатель будущего// Материалы всероссийской научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо-и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе». Т.3. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. - с. 93 - 97.
2. Андросов А.Ю., Садковский Б.П. Современный способ увеличения ёмкости источников электроэнергии// Материалы региональной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе». Т.2. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014.
- С. 47 - 51.
3. Андросов А.Ю., Садковский Б.П. Конструктивные методы модернизации источников электроэнергии// Материалы региональной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе». Т.2. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016.
- с. 65 - 69.
