ОГЛЯД ОСНОВНИХ ТЕХНОЛОГІЙ БЕЗДРОТОВОЇ ЗАРЯДКИ НАКОПИЧУВАЧІВ ЕНЕРГІЇ ДЛЯ МАЛОПОТУЖНИХ СИСТЕМ

УДК:621.3.08

DOI:10.25140/2411-5363-2017-4(10)-133-146

Автор:

Шевченко Віктор Олександрович , Чернігівський національний технологічний університет (вул. Шевченка, 95, м. Чернігів, 14027, Україна)

Пахалюк Богдан Петрович , Чернігівський національний технологічний університет (вул. Шевченка, 95, м. Чернігів, 14027, Україна)

Гусев Олександр Олександрович , Чернігівський національний технологічний університет (вул. Шевченка, 95, м. Чернігів, 14027, Україна)

Мова статті: українська

Анотація:

Актуальність теми дослідження. Розробка нових топологій, методів розрахунку та оптимізації напівпровід­никових перетворювачів для систем БПЕ дозволить підвищити передану бездротовим способом електричну енергію, розширити діапазон регулювання частоти, що зменшить витрати часу на підзарядку акумуляторів електротранспорту та підвищить зручність використання систем БПЕ за рахунок зниження чутливості до точного позиціонування приймальних і передавальних елементів, що стане передумовою більш активного впровадження електромобілів та електротранспорту. В умовах різної екологічної, демографічної, економічної ситуації у світі все більшого поширення набуває індивідуальний електротранспорт.

Вирішення поставлених завдань створить передумови для впровадження БПЕ в багатьох сферах суспільства як України, так і світу загалом (приватний транспорт, військова техніка та обладнання, побутова електроніка тощо).

Постановка проблеми. Нині методи бездротової передачі енергії (БПЕ), засновані на явищах електростатичної та електромагнітної індукції, набувають значного поширення в різноманітних застосуваннях. Метод БПЕ сьогодні широко використовується в малопотужних системах – бездротові зарядки мобільних телефонів, бритв, зубних щіток, малопотужних транспортних засобів.

Основні обмеження таких систем полягають у низькій ефективності при великій відстані передачі та відносно великих масогабаритних параметрах елементів, що у свою чергу призводить до високої собівартості систем БПЕ. Останнім часом з’являється все більше споживачів, які потребують передачі безконтактним способом електричної енергії від одиниць кіловат і вище.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Аналіз стану досліджень показує, що тематика досліджень, присвячених вдосконаленню систем бездротової зарядки, постійно розширюється і є надзвичайно актуальною, зокрема, за кордоном. Особливо, враховуючи розвиток електромобілів, зростає інтерес до бездротової зарядки транспортних засобів. Також є рішення індуктивних системи передачі енергії для приладів низької напруги середньої та високої потужності.

Виділення не вирішених раніше частин загальної проблеми. Якщо статичній та динамічній зарядці електрокарів присвячено чимало статей і розробок, то індивідуальним засобам пересування приділено менше уваги, отже, проектуванню низьковольтної бездротової зарядки для електровелосипедів, електроскутерів, веломобілів є перспективним напрямком дослідження. Сучасні дослідження спрямовані саме на досягнення зниження собівартості та підвищення ефективності систем бездротової зарядки подібних транспортних засобів.

Постановка завдання. Основними завданнями є огляд та порівняння існуючих топологій, методів розрахунку та напрямки оптимізації систем БПЕ.

Викладення основного матеріалу. У першій частині статті розглянуто загальні відомості про принципи дії і застосування ємнісного та індуктивного способу бездротової передачі енергії, наведено переваги та недоліки, ефективність. Акцентовано увагу на магнітно-резонансному зв’язку, розглянуто основні компенсаційні топології. Побудовано графіки залежності передавальної функції БПЕ від частоти для послідовно-послідовної схеми резонансу. Окремо представлено ймовірна залежність від відстані між передавачем та приймачем.

У другій частині статті зроблено аналіз існуючих силових напівпровідникових топологій БПЕ на основі індуктивного зв’язку та різних компенсаційних топологій. Спочатку аналізуються індуктивні системи передачі енергії для приладів низької напруги високої потужності. Топології первинних та вторинних dc-dc перетворювачів відбираються та порівнюються з погляду необхідної номінальної потужності та ефективності. Проаналізовано систему БПЕ на основі інвертору струму та компенсаційної резонансної PS-топології для електричних транспортних засобів та пристроїв для заряджання акумулятора. Розглянута цікава стаття, де проаналізовано та порівняно запропонований бортовий зарядний пристрій електричного транспортного засобу на базі імпедансної ланки зі звичайним БЗП. Далі представлено варіант топології та економічно ефективної конструкції антен для передачі бездротової енергії в електричних скутерах. Крім суто схемотехнічних рішень, розглянуто інші рішення у сфері силової електроніки, які поліпшать ефективність бездротової передачі електроенергії. Представлено новий високоефективний планарний підхід до об’єднання всіх магнітних компонентів первинно-паралельного ізольованого підсилюючого перетворювача у структуру форми E-I-E-core (планарний інтегрований магнетик -planar integrated magnetic – PIM).

Висновки. У статті виконаний огляд основних технологій бездротової зарядки накопичувачів енергії для малопотужних систем. Було виявлено, що індуктивний спосіб передачі енергії є найбільш ефективним на цей момент. Водночас слід відзначити, що при збільшенні відстані передачі ефективність значно падає. Покращення геометрії магнітних компонентів є основним напрямком дослідження в цьому напрямку. Основні топологічні рішення схем силової електроніки зводяться до реалізації чотирьох основних способів компенсації для отримання синусоїдальної напруги. Тобто для різних задач обираються різні топології з тими чи іншими модифікаціями, залежно, передусім, від потужності, яку потрібно передати та навантаження. Подальші дослідження можуть бути спрямовані на зменшення кількості напівпровідників та альтернативним способам реалізації компенсації.

Ключові слова:

бездротова передача енергії, магнітно-резонансний зв’язок, компенсаційна топологія, бортовий зарядний пристрій, високочастотний інвертор

Список використаних джерел:

1. R. Bosshard, J.W. Kolar, “Inductive power transfer for electric vehicle charging: Technical challenges and tradeoffs,” IEEE Power Electronics Magazine, vol. 3, no. 3, pp. 22-30, Nov. 2016.

2. J.-Y. Lee and B.-M. Han, “A Bidirectional Wireless Power Transfer EV Charger Using Self-Resonant PWM”, IEEE Trans. on Ind. Electr., VOL. 30, NO. 4, APRIL 2015.

3. Chan T. Rim. Practical Design of Wireless Electric Vehicles: Dynamic & Stationary Charging Technologies. March 2017 .

4. H. Zeng, S. Yang, F. Z. Peng, “Design Consideration and Comparison of Wireless Power Transfer via Harmonic Current for PHEV and EV Wireless Charging”, IEEE Transactions on Power Electronics, Year: 2017, Volume: 32, Issue: 8.

5. A. J. Moradewicz, Marian Kazmierkowski “Contactless Energy Transfer System With FPGA-Controlled Resonant Converter” IEEE Trans. Ind. Electron., vol 57, no 9, pp. 3181-3190, 2010.

6. Chenyang Xia, Yuejin Zhou, Juan Zhang and Chaowei Li “Comparison of Power Transfer Characteristics between CPT and IPT System and Mutual Inductance Optimization for IPT System“. Journal Of ComputerS, Vol. 7, No. 11, November 2012,pp.2734-2741.

7. Приступа А. Л. Експериментальна установка для дослідження теслівських процесів при безконтактній зарядці акумуляторів / А. Л. Приступа, І. В. Пентегов // Вісник Чернігівського державноготехнологічного університету: Серія «Технічні науки». – 2012. – № 1 (55). – C. 233–239.

8. Волков И. В. Тесловские процессы в высоковольтных высокочастотных электрических цепах / И. В. Волков, И. В. Пентегов // Технічна електродинаміка: Тем. випуск «Проблеми сучасної електротехніки». – К. : ІЕД НАНУ, 2000. – Ч. 1. – С. 7–11.

9. Пентегов И. В. О возможности осуществления бесконтактной подзарядки аккумуляторов имплантированных электростимуляторов / И. В. Пентегов, И. В. Волков, А. Л. Приступа // Технічна електродинаміка: Тем. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». – K. : ІЕД НАНУ, 2008. – Ч. 5. – С. 109–113.

10. Mohammad Hassan Ameri, Ali Yazdian Varjani, and Mustafa Mohamadian “A New Maximum Inductive Power Transmission Capacity Tracking Method” Journal of Power Electronics, November 2016, Volume 16 Number 6. pp.2202-2211.

11. Как устроена и работает беспроводная зарядка для телефона [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://electrik.info/device/1196-kak-ustroena-i-rabotaet-besprovodnaya-zaryadka-dlya-telefona.html.

12. Технология беспроводной зарядки: принцип действия, стандарты, производители. [Электронный ресурс] – Режим доступа : http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/doc/70732.

13. Benjamin L. Cannon, James F. Hoburg, Daniel D.Stancil “Magnetic Resonant Coupling As a Potential Means for Wireless Power Transfer to Multiple Small Receivers”. IEEE Transactions on Power Electronics(Volume: 24, Issue: 7, July 2009 ), pp. 1819–1825.

14. Qi.Wireless power consortium [Electronic resource]. – Access mode : https://www.wirelesspowerconsortium.com.

15. Suvendu Samanta, Akshay Kumar Rathore ” Wireless power transfer technology using full-bridge current-fed topology for medium power applications”. IET Power Electronics (Volume: 9, Issue: 9, 7 27 2016 ), pp. 19031913 .

16. Ni B, Chung CY and Chan HL. “Design and comparison of parallel and series resonant topolo­gy in wireless power transfer’’. In: Proceedings of 2013 IEEE 8th conference on industrial electronics and applications, Melbourne, VIC, Australia, 19–21 June 2013, pp.1832–1837.

17. Petersen, Marinus; Fuchs, Friedrich W., "Design of a Highly Efficient Inductive Power Transfer (IPT) System for Low Voltage Applications", PCIM Europe 2015; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management; Proceedings of, 19-21 May 2015.

18. Petersen, Marinus; Fuchs, Friedrich W., "Investigation of Power Electronics Topologies for Inductive Power Transfer (IPT) Systems in High Power Low Voltage Applications". Power Electronics and Applications (EPE'15 ECCE-Europe), 2015 17th European Conference; Proceedings of, 810 Sept 2015.

19. Nomar S. González-Santini, Hulong Zeng, Yaodong Yu, Fang Zheng Peng ''Z-Source Resonant Converter With Power Factor Correction for Wireless Power Transfer Applications''. IEEE Transactions on Power Electronics (Volume: 31, Issue: 11, Nov. 2016 ), pp. 7691 – 7700.

20. Гусев О. О. Порівняння імпедансних ланок для перетворювачів з джерелом напруги / О. О. Гусев, А. І. Чуб, Д. В. Вінніков // Технічна електродинаміка. – 2015. – № 3 С. 25–32.

21. Husev, O., Blaabjerg, F., Clemente, C.R., Cadaval, E.R., Vinnikov, D., Siwakoti, Y., Strzelecki, R.: ‘Comparison of the Impedance-Source Networks for Two and Multilevel Buck-Boost Inverter Applications’, IEEETrans. Power Electron., 2016, 31 (11), pp. 75647579.

22. Dmitry Panfilov, Oleksandr Husev, Frede Blaabjerg, Janis Zakis, Kamal Khandakji, “Comparison of three-phase three-level voltage source inverter with intermediate dc–dc boost converter and quasi-Z-source inverter”,IET Power Electronics, 6, pp. 1238–1248, 2016.

23. S. Yang, D. Xiang, A. Bryant, P. Mawby, L. Ran, and P. Tavner, “Condition monitoring for device reliability in power electronic converters: A review”, IEEE Trans. Power Electron., vol. 25, no. 11, pp. 2734–2752, Nov. 2010.

24. Jia-Shiun Tsai, Jia-Sheng Hu, Sin-Li Chen and Xiaoliang Huang. “Directional antenna design for wireless power transfer system in electric scooters”. Advances in Mechanical Engineering 2016, Vol. 8 (2), 1–13.

25. Ouyang Z., Sen G.,Thomsen O., and Andersen M. “Analysis and Design of Fully Integrated Planar Magnetics for Primary-Parallel Isolated Boost Converter’’. IEEE Transactions on Industrial Electronics (Volume: 60, Issue: 2, Feb. 2013), pp. 494508.

Завантажити