CC BY
1638 East European Scientific Journal #9(73), 2021 ...av,...,..
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Matkovsky M. V.
Postgraduate student of the State University Odessa Polytechnic
Semenov K.I.
PhD in Physics and Mathematics, Senior Researcher of the Odessa National University named after I.I. Mechnikov
ELECTROMECHANICAL MULTI-POSITION POWER TRANSMISSION SYSTEM, MODEL AND ALGORITHM OF OPERATION
Матковский Максим Владимирович
Аспирант Государственного университета «Одеська политехника».
Семенов Константин Иванович
Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Одесского национального университета имени И.И. Мечникова
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ МНОГОПОЗИЦИОННАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ,
МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМ РАБОТЫ
Abstract. Currently, the development of new wireless power transmission devices (charging systems) continues, one of which is presented in this article. The presented technical idea of the charging system can be applied both to electric vehicles and to mobile devices. The design, model and algorithm of operation of the original multi-position contactless capacitive electromechanical system for transferring energy to the board of an electric vehicle are presented. The calculations have shown that the goal can be achieved with the already achieved level of technology and the element base of electronic components. In the future, it is planned to carry out calculations of the electrical circuit of the already designed device, taking into account the impedance of the circuit and to develop a specific algorithm for the operation of the control electronic device of the proposed charging system. In particular, it is planned to build a model of joint operation of the described electromechanical power transmission device with the storage device and electromechanical transmission developed by the authors, when a synergistic effect can be obtained in increasing the efficiency of the developed storage device in electric transport. It is also planned to work on the implementation of the system model in relation to mobile devices.
Аннотация. В настоящее время продолжается разработка новых беспроводных устройств передачи энергии (зарядной системы), одно из которых представлено в данной статье. Представленная техническая идея зарядной системы можно применить как на электротранспорте, так и для мобильных устройств. Приведены конструкция, модель и алгоритм работы оригинальной многопозиционной бесконтактной емкостной электромеханической системы передачи энергии на борт электромобиля. Проведенные расчеты показали, что поставленной цели можно добиться при уже достигнутом уровне техники и элементной базы электронных компонентов. В дальнейшем планируется провести расчеты электрической цепи уже сконструированного устройства с учетом импеданса цепи и разработать конкретный алгоритм работы управляющего электронного устройства предлагаемой системы зарядки. В частности, планируется построить модель совместной работы описанного электромеханического устройства передачи энергии с разработанными авторами накопителем и электромеханической трансмиссией, когда может быть получен синергетический эффект в повышении эффективности применения разработанного накопителя на электротранспорте. Также планируются работы над реализацией модели системы применительно к мобильным устройствам.
Key words: electromechanical system, power transmission, multi-position charger.
Ключевые слова: электромеханическая система, передача энергии, многопозиционное зарядное устройство.
Постановка проблемы. В настоящее время энергично развиваются электрические транспортные средства, они постоянно улучшаются, их становится все больше. Одной из актуальных проблем, которые препятствуют дальнейшему внедрению электротранспорта является отсутствие достаточно совершенных систем передачи энергии от станций зарядки к транспортному средству. При этом важным преимуществом электромобиля перед автомобилем с ДВС или дизелем является возможность заряжать
бортовые накопители энергии от любого источника электроэнергии, которые имеются практически везде и не только в городе.
Анализ последних исследований и публикаций. В настоящее время такие возможности обеспечиваются проводными зарядными станциями, которые используют как переменный, так и постоянный токи [1]. Но большинство конструкций зарядных устройств основано на проводной передаче энергии [2, 3]. Очевидно, что наличие проводов ухудшает
ив
ялзв
потребительские свойства зарядных устройств за счет ограниченного радиуса действия (длинные провода вызывают большие потери), материалоемкости, а также неудобств, связанных с ограничением подвижности из-за проводов. Всех этих недостатков лишены зарядные устройства беспроводной передачи энергии. Последние уже начинают применяться [4]. Также продолжается разработка новых подобных устройств. Следует отметить, что технические идеи относительно зарядных систем мобильных устройств можно расширить на электротранспорт. Например в [5] предлагается зарядное устройство, которое состоит из зарядной станции, которая является индуктором переменного магнитного поля и приемного устройства, в котором обмотка электрической катушки индуктора зарядной станции намотана из двух изолированных проводников, электрически не связанных между собой, один из проводников подключается к внешнему источнику переменного тока и генерирует переменное магнитное поле, другой проводник, находясь в переменном магнитном поле, генерирует переменный электрический ток, который является внешним источником переменного электрического тока для следующей зарядной станции. Очевидно, недостатками такого устройства является необходимость точного позиционирования устройства, а также возникновение полей рассеяния. Другое устройство, предлагаемое в [6] включает много устройств беспроводный передачи энергии, которые размещаются на поверхности стола, и каждый из которых включает передаточную катушку. Передаточные катушки управляются электронным блоком с процессором, которой подключает эти катушки к источнику переменного тока, когда напротив находятся катушки приемного устройства. Здесь также проявляется паразитное излучение
электромагнитного поля и необходимость точного позиционирования устройств относительно друг друга. Еще одно подобное зарядное устройство [7] включает базовый блок в форме стола или аналогичной поверхности, которая содержит передатчик энергии. Передатчик энергии создает переменное магнитное поле путем представления переменного тока на обмотку. Наличие электронных устройств, которые поддерживают беспроводную зарядку и расположенных близко и по центру относительно одной или нескольких первичных катушек базового блока, оказывается путем контроля тока, который проходит через одну или несколько первичных катушек. Для исключения влияния электромагнитного поля, созданного передатчиком энергии на части приемного устройства, что проводят электрический ток, предлагается обеспечить расстояние между
East European Scientific Journal #9(73), 2021 39 принимающей катушкой и другими частями, которые проводят ток, или использовать ферритовый материал между приемной катушкой и частями приемного устройства. Здесь также присутствует паразитное излучение
электромагнитного поля, и отсутствие возможности произвольной ориентации заряжающихся устройств.
Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. Можно сказать, что контактная передача энергии влечет привязанность к точке доступа энергии, сравнительно ограниченный ресурс контактных групп, необходимость относительно продолжительных манипуляций при подключении, а индуктивная передача энергии большую материалоемкость, потери энергии, что проигрывает по отношению к предлагаемому способу емкостной передачи энергии. Другими аспектами эффективности применения зарядного устройства является его удобство и стоимость (в широком смысле: себестоимость, стоимость установки, стоимость обслуживания, ресурс, ремонтопригодность). В перечисленных аспектах разработанное авторами данной статьи электромеханическая система передачи энергии превосходит предлагаемые другими авторами зарядных устройств для электромобилей по коэффициенту полезного действия и удобству использования за счет возможности произвольной ориентации заряжаемого устройства на площадке размещения множества заряжаемых устройств, дешевле и в построении и в эксплуатации, но возникает проблема разработки конкретных параметров конструкции и алгоритмов работы, на решение которой и направлена данная статья.
Цель статьи. Целью настоящей работы является начало разработки алгоритма работы и модели зарядного устройства, предложенного авторами в [8] и [9].
Изложение основного материала. В предложенной авторами зарядном устройстве передача энергии осуществляется через регулярную структуру элементов, которые передают энергию, а зарядный ток передается на заряжаемое устройство, через две электрических емкости, которые образуются между двумя проводящими пластинами на заряженном устройстве, и прилегающими к ним пластинами заряжающего устройства, и которые образуют при этом наибольшую из возможных при этой ориентации, емкость. Зарядное устройство включает, см. рис. 1, источник тока высокой частоты 1, электронный блок управления 2, площадка 3 (или несколько площадок), на которой регулярно расположены плоские проводящие ток элементы 4. Каждый элемент 4 коммутируется схемой 2 к источнику тока 1.
40 East European Scientific Journal #9(73), 2021
5
6 7
Рис.1. Схема принципа работы системы передачи энергии.
Заряжаемое устройство 5, размещается на площадке 3. То есть, на устройстве, которое заряжается, имеются две металлические пластины 6 и 7, которые при въезде автомобиля на площадку 3 опускаются до соприкосновения с ней. На рис. 2 представлена функциональная схема зарядного устройства. Устройство, которое управляет, 2, см. рис. 2, подсоединяет источник 1 к элементам 4 с
помощью проводников 8. Критерием правильного подсоединения является достаточно большой ток через образующиеся емкости (малая емкость между 4 и 6, 7). При этом, напротив площадок 6 и 7 может оказаться несколько площадок 4. Зарядный ток замыкается через выпрямляющий элемент 9 и аккумулятор, который заряжается, 10.
Рис. 2. Схема цепи прохождения зарядного тока.
Пластины 6 и 7 крепятся на консолях на транспортном средстве, в период его перемещения пластины подняты к днищу автомобиля (или внесены в конструкцию автомобиля и находятся над днищем за специальной крышкой), а в период стоянки на площадке 3 пластины опускаются на ее поверхность. Этот процесс может инициироваться как автоматикой, так и вручную.
Алгоритм работы устройства передачи энергии следующий.
1. Система управления (СУ) определяет, находятся ли пластины 6 и 7 на поверхностью площадки 3.
1. 2. СУ соединяет первую пластину поля пластин 3 к одному контакту источника переменного напряжения (ИПН).
2. 3. СУ присоединяет второй контакт ИПН через сопротивление (ограничивает тестирующий ток) последовательно к каждой пластинам, последовательно, находящимся в радиусе действия зарядных пластин автомобиля.
3. 4. Если ток между присоединенными к ИПН пластинами превысит некий порог
(обусловленный наличием емкости между пластинами площадки 3 и пластинами 6 и 7 заряжаемого устройства), то СУ убирает из цепи ограничительный резистор, и замыкает контакты, к которым он был подключен, накоротко.
4. 5. СУ продолжает присоединение оставшихся пластин через ограничивающий резистор, пока не обнаружит следующие пластины с пороговым током и не выполнит п. 4.
Зарядный ток I определяется законом Ома (считая активное и индуктивное сопротивление много меньшим емкостного)
I = и/Яс , (1)
где и - напряжение источника 1; Яс -сопротивление последовательно соединенных емкостей С, которые возникают между пластинами 4, 6, 7, которое равно
Яс = 1/ юС , (2)
где С = ее$/й, е0 - электрическая постоянная, равная 8.85418782х10-12 м-3кг-1с4А2; е -
ив
ялзв
диэлектрическая проницаемость среды между пластинами 4, 6, 7; S - площадь взаимного перекрытия пластин 4, 6, 7; d - расстояние между пластинами. Расчет по (1) и (2) показывает, что при напряжении источника 1 около 36 В (безопасное для человека напряжение), расстоянии между пластинами 4, 6, 7 около десятков микрон (имеется в виду слой лака), их площади около 1 м2 (что отвечает поперечному размеру автомобиля), частоте тока около сотен килогерц (при такой частоте и величине излучающих элементов электромагнитная энергия практически не излучается в окружающее пространство) зарядные токи могут достигать десятков и сотен ампер. Оценим сопротивление между пластинами на площадке 3 и 6 (или 7). Для этого определим возможную емкость между пластинами, которая для обозначенных параметров пластин порядка 107 Ф, а емкостное сопротивление (2) порядка 10 Ом, что является вполне приемлемой величиной.
Выводы и предложения. Проведенные расчеты показывают, что поставленной цели можно добиться при уже достигнутом уровне техники и элементной базы электронных компонентов. В дальнейшем планируется провести расчеты электрической цепи уже сконструированного устройства с учетом импеданса цепи и разработать конкретный алгоритм работы управляющего электронного устройства предлагаемой системы зарядки. В частности, планируется построить модель совместной работы описанного электромеханического устройства передачи энергии с разработанными авторами накопителем и электромеханической трансмиссией [10, 11], когда может быть получен синергетический эффект в повышении эффективности применения разработанного накопителя на электротранспорте. Также планируются работы над реализацией модели системы применительно к мобильным устройствам.
East European Scientific Journal #9(73), 2021 41 Список литературы:
1. Способ зарядки электромобилей - как это всё работает [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ecotechnica.com.ua/stati/786-sposoby- zaryadki-elektromobilej -kak-eto-vse-rabo aet.html.
2. Что нужно знать о типах зарядок для электромобилей [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://autogeek.com.ua/chto-nuzhno-znat-o-tipah-zaryadok-dlya-elektromobiley/ 5.
3. Типы зарядок электромобилей: какой выбрать, чтобы заряжаться в Украине [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://auto geek.com.ua/tipyi-zaryadok-elektromobiley-kakoy-vyibrat-chtobyi-zaryazhatsya-v-ukraine/DOI: 10.5772/45641.
4. Беспроводная зарядка электромобилей [Элек-тронный ресурс]. - Режим доступа: https://hevcars.com.ua/tag/besprovodnaya-zaryadka-elektromobiley/.
5. Пучкин Е.К. Беспроводное зарядное устройство. Патент (RU)2599148. 2016.10.10,
6. Chun-Kil Jung. Wireless multi-charger system and controlling method thereof. US8102147 Jun. 4, 2009,
7. Afshln Partovl, Sunnyvale, Michael Sears, Ben Lomond, US7952322 Jan. 30, 2007.
8. Матковский М.В. Беспроводное многопозиционное зарядное устройство // Матерiали мiжнародноl студентсько! науково! конференций «Розвиток сустльства та науки в умовах цифрово! трансформации 8травня 2020. м. Одеса, Укра!на. С. 55-58.
9. Матковский М.В., Семенов К.И., Копейка А.К. "Безпроввдний багатопозицшний зарядний пристрш" - Заявка на изобретение а202103107 от 07.06.2021.
10. Матковський М.В., Семенов К.1., Копшка О.К. Споаб врiвноваження проскотчних сил маховичного накопичувача Заявка на винахвд № a202103105 от 07.06.2021.
11. Матковський М.В., Семенов К.1., Копшка О.К. Шестеренчаста трансмгая Заявка на винахвд № a202103106 вад 07.06.2021.
