بهبود کیفیت توان الکتریکی با فناوری شارژ القایی

مقدمه

مقاله حاضر به بررسی مفهوم انتقال انرژی القایی به‌صورت جهانی و کاربردها و پیامدهای احتمالی آن می‌پردازد.

شرکت Finepower GmbH، با هدف ایجاد یک سیستم شارژ القایی جهانی، در نزدیکی مونیخ، موقعیت برتر خود را در زمینه الکترونیک قدرت و شارژ باتری تثبیت کرده است. پس از انجام تعدادی از توسعه‌ها در حوزه شارژرهای ثانویه و داخلی در صنایع و تحرک الکتریکی، این شرکت اکنون تمرکز خود را بر بهبود فناوری شارژ آینده قرار داده است.

همکاری در پروژه

شرکت EPCOS AG، به‌عنوان تولیدکننده کویل‌های فرستنده و گیرنده برای سیستم‌های شارژ القایی، در این پروژه همکاری دارد. تاکید ویژه‌ای بر سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) سیستم‌های جهانی شده است. همچنین، دانشگاه فنی مونیخ (TUM) و دانشگاه علوم کاربردی کِمپتن به همراه شبکه فناوری آلگاو (TNA) به ارائه پشتیبانی‌های تحقیقاتی بنیادین پرداخته‌اند.

اهداف تحقیق برای سیستم‌های شارژ القایی جهانی

تحقیقات و توسعه سیستم‌های شارژ القایی برای وسایل نقلیه الکتریکی در حال حاضر با شدت بالایی در حال انجام است. یکی از موارد رایج این فناوری، امکان شارژ بدون تماس برای کامیون‌های صنعتی و وسایل نقلیه الکتریکی خودران است. ویژگی‌های متنوع سیستم‌های وسایل نقلیه مانند فاصله زمین، ولتاژ باتری، هندسه کویل‌ها و ظرفیت حمل جریان سازندگان را به تلاش برای توسعه واحد بارگذاری القایی خاص برای ناوگان مخصوص وسایل نقلیه تشویق می‌کند.

یکی از اهداف اصلی توسعه یک سیستم شارژ القایی جهانی، فراهم آوردن بالاترین سطح تحمل در موقعیت وسایل نقلیه است. اگر بخواهیم انواع مختلف وسایل نقلیه به‌صورت بی‌سیم شارژ شوند، نمی‌توان از موقعیت‌های متفاوت کویل‌ها در سمت ایستگاه و همچنین سمت وسیله نقلیه غافل شد؛ این موضوع به ابعاد وسیله نقلیه و همچنین هندسه و پیکربندی‌های مختلف کویل دریافت‌کننده بستگی دارد.

دلیل دیگر برای وجود بالاترین تحمل ممکن در موقعیت، واقعیت این است که غالباً، به‌ویژه به دلیل محدودیت‌های پارک و انتظار در نقاط شارژ عمومی، امکان قرار دادن وسیله نقلیه در موقعیت بهینه برای انتقال انرژی وجود ندارد. این امر ممکن است منجر به نیاز به سیستم‌های موقعیت‌یابی شود که هزینه‌های اضافی را به دنبال خواهد داشت.

شارژهای موقت کوتاه‌مدت ممکن است

با پیاده‌سازی اهداف فوق، تصور می‌شود که از چنین ایستگاه شارژی در محوطه‌های سوخت‌گیری معمولی، مکان‌های عمومی مانند پارکینگ‌های چند طبقه در مراکز خرید، فرودگاه‌ها و ایستگاه‌های راه‌آهن استفاده شود. این ایستگاه‌ها همچنین می‌توانند برای شارژ موقت و کوتاه‌مدت، به‌عنوان مثال در هنگام قرمز شدن چراغ‌های راهنمایی یا در ایستگاه‌های خدمات بزرگراه، به کار روند. در چنین موقعیت‌هایی، با توجه به زمان کوتاه انتقال انرژی، شارژ کامل باتری ممکن نخواهد بود؛ اما این امر به افزایش دامنه وسایل نقلیه بدون صرف زمان اضافی برای رانندگان کمک خواهد کرد.

از آنجایی که شارژ کامل به‌دلیل محدودیت زمان میسر نیست، سرعت و سادگی در آغاز فرآیند شارژ اهمیت بسیاری دارد، حتی اگر این موضوع به کاهش کارایی انتقال القایی منجر شود.

ایستگاه‌های خدمات بزرگراه در آینده برای تحرکات اهمیت خواهند یافت

محاسبه‌ای که در ادامه آمده به بررسی مقدار انرژی‌ای که در مدت زمان‌های کوتاه و موقعیت‌های ناکارآمد می‌توان انتظار داشت، می‌پردازد: فرض کنید یک وسیله نقلیه در یک ایستگاه خدمات بزرگراه پارک می‌کند. زمان پارک به ۱۰ دقیقه می‌رسد. اگر ایستگاه شارژ با ظرفیت نامی ۲۲ کیلووات فراهم شود و وسیله نقلیه به‌گونه‌ای متوقف شود که از کویل فرستنده فاصله داشته باشد، فرض می‌شود که امکان دستیابی به ظرفیت شارژ ۱۰ کیلووات وجود دارد. این موضوع منجر به ورودی انرژی حدود ۱.۷ کیلووات ساعت به وسیله نقلیه برای این مدت زمان می‌شود. با در نظر گرفتن ظرفیت کل یک باتری معمولی وسیله نقلیه برابر با ۳۰ کیلووات ساعت، این میزان شارژ حدود ۵.۷ درصد معادل ۸.۵ کیلومتر در مسیر ۱۵۰ کیلومتری خواهد بود. با این حال، اگر وسیله نقلیه در موقعیت بهینه قرار گیرد، شارژ معادل ۱۱.۴ درصد یا ۱۷ کیلومتر ممکن است به‌دست آید.

شکل ۱. شرایط کاری و چالش‌های شارژ القایی و همچنین رویکردها و اهداف پروژه مشترک.

از منظر فنی، هیچ دلیلی برای عدم نصب ظرفیت‌های شارژ بالاتر وجود ندارد. مدت زمان توقف در موارد دیگر، مانند هنگام خرید یا فعالیت‌های مشابه، حتی می‌تواند بسیار طولانی‌تر و از ۳۰ دقیقه تا چند ساعت متغیر باشد. بنابراین طبق مثال فوق، مقادیر شارژ از ۱۷.۱ درصد (۳۰ دقیقه) تا ۶۸.۴ درصد (۲ ساعت) به ترتیب ۲۵ کیلومتر (۳۰ دقیقه) تا ۱۰۰ کیلومتر در این شرایط ناکارآمد پارکینگ قابل دستیابی خواهد بود. ایده اصلی این است که راننده هیچ وظیفه اضافی جز پیدا کردن یک فضای پارک مناسب انجام ندهد و اینکه یک ایستگاه شارژ واحد و یکسان برای انواع مختلف وسیله نقلیه قابل استفاده باشد.

برای جبران یا جلوگیری از تغییرات موقعیت، روش‌های پیچیده‌ای تا کنون به‌کار گرفته شده‌اند تا همواره موقعیت کویل‌ها نسبت به یکدیگر بهینه و ثابت باقی بماند. به عنوان نمونه می‌توان به کلیدواژه‌های «بارگذاری بالای پلاک» یا «سیستم موقعیت‌یابی» اشاره کرد. حتی اگر در چنین مواردی، تحمل‌های خاص موقعیتی پذیرفته شود، در نهایت به معنای کاهش قابل ملاحظه‌ای در کارایی خواهد بود.

هدف‌ها، رویکردها و ویژگی‌های این پروژه تحقیقاتی

این اهداف نماد تفاوت و پیشرفت قابل توجهی نسبت به رویکردهای قبلی هستند.

• بدون نیاز به موقعیت‌یابی زمان‌بر و پرهزینه
• جبران‌سازی هوشمند و تطبیقی
• شارژ القایی طیف وسیعی از خودروها
• کاهش نیاز به ارتباطات
• افزایش دامنه جابجایی مجاز

به طور خلاصه، با استفاده از جبران‌سازی تطبیقی (adaptive compensation) می‌توان سطح انتشار تداخل الکترومغناطیسی را کاهش داد. این امر انتقال توان را بدون نیاز به موقعیت‌یابی دقیق امکان‌پذیر می‌کند و یا در عین رعایت محدودیت‌های سازگاری الکترومغناطیسی (EMC)، میزان توان انتقالی را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد، حتی اگر خودرو به طور کامل در محل مناسب پارک نشده باشد.

از یک سو، این ویژگی‌ها استفاده‌پذیری بالا و در نتیجه توجیه اقتصادی سیستم طراحی‌شده را فراهم می‌کنند. از سوی دیگر، هزینه‌های مربوط به اقدامات ارتباطی، موقعیت‌یابی و محافظ‌سازی را می‌توان با به‌کارگیری استراتژی‌های جبران‌سازی و کنترل الکترونیکی کاهش داد.

نتایج اندازه‌گیری نمونه اولیه سیستم شارژ القایی

شرکت Finepower تاکنون نمونه اولیه یک سیستم شارژ القایی را ساخته و نخستین اندازه‌گیری‌های مقایسه‌ای را با و بدون جبران‌سازی تطبیقی انجام داده است. همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده، راندمان اندازه‌گیری‌شده برای توان‌های خروجی مختلف بر حسب میزان جابجایی رسم شده است. این اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند که کارایی در حالت شارژ کامل حدود ۱٪ و در حالت شارژ کاهشی به مراتب بیشتر افزایش می‌یابد. در موارد جابجایی شدید نیز همین اندازه‌گیری‌ها به تنهایی امکان عملکرد قابل قبولی را فراهم می‌کنند.

شکل ۲. افزایش توان اکتیو قابل انتقال

شکل ۳. افزایش کارایی در محدوده جابجایی

Finepower اکنون با استفاده از نخستین نتایج اندازه‌گیری، عملکرد پایه و اهداف بهبود فنی را تأیید کرده است. در ادامه پروژه، جبران‌سازی تطبیقی و طراحی سیم‌پیچ اولیه به‌گونه‌ای بازبینی می‌شوند که از یک سو حتی در صورت جابجایی زیاد موقعیت، انرژی قابل انتقال باشد و از سوی دیگر، افزایش بیشتری در کارایی در حالت عملکرد نامی حاصل شود.

قابلیت گسترش کاربرد انتقال انرژی القایی جهانی به صنایع دیگر

مفهوم انتقال انرژی القایی جهانی تنها به حوزه خودرو یا تحرک الکتریکی محدود نمی‌شود، بلکه در کاربردهای صنعتی نیز قابل استفاده است؛ به ویژه در فرآیندهای تولید، برای مثال شارژ بی‌سیم خودروهای تجاری مانند لیفتراک‌ها یا واحدهای حمل‌ونقل کوچک.

در محیط‌های صنعتی، دستیابی به کارآمدترین، سریع‌ترین و ساده‌ترین روش شارژ برای دستگاه‌های ذخیره‌ساز انرژی از اهمیت بالایی برخوردار است. دلیل این امر آن است که مصرف برق تا حد زیادی هزینه‌های عملیاتی را تعیین کرده و می‌تواند به‌طور بالقوه به افزایش قیمت تمام‌شده تولید و فروش محصولات شرکت منجر شود.

نویسنده: پیتر لوتر، مهندس فارغ‌التحصیل در رشته فیزیک و الکترونیک نیمه‌هادی از دانشگاه فناوری کمنیتس، از ژانویه ۲۰۰۲ به عنوان مدیرعامل شرکت Finepower GmbH فعالیت می‌کند.

منبع: https://eepower.com/technical-articles/improving-the-charging-technology-for-electric-vehicles/

منتشر شده توسط وبلاگ PQ

مهندس برق

مشاهده پست‌های بیشتر

پرسش‌های متداول

فناوری شارژ القایی چیست؟

فناوری شارژ القایی روشی برای شارژ وسایل نقلیه الکتریکی بدون تماس است.

چگونه کیفیت توان بهبود می‌یابد؟

با استفاده از سیستم‌های شارژ بهینه و فیلترهای هارمونیک.

مزایای شارژ القایی چیست؟

بدون نیاز به تماس، راحتی در استفاده و کاهش زمان شارژ.

چگونه می‌توان پروژه‌های کیفیت توان را انجام داد؟

با همکاری شرکت‌های متخصص و استفاده از تجهیزات پیشرفته.

منبع: powerquality.blog