شارژ بی سیم در خودرو های الکتریکی

نگاهی بر شارژ بی سیم در خودرو های الکتریکی امیرحسن حاجی محمدی شماره دانشجویی ۹۹۲۳۰۱۸ : خودرو های هیبرید استاد :دکتر میرسلیم فهرست پیش گفتار 3 مقدمه 4 شارژ بیسیم با استفاده از رزونانس مغناطیسی 5 اجزای کلیدی سیستم شارژ بیسیم 6 تعریف و اهمیت سازگاری 7 سازگاری مغناطیسی 9 تطابق امپدانس 10 استانداردسازی و چالشها 11 بررسی سیستم شارژ بیسیم خودروهای الکتریکی 12 روش پیشنهادی سیستم شارژ بیسیم 13 نتایج آزمایشگاهی 14 مزایا و چالشها 15 نتیجهگیری 16 منابع 17 شارژ بیسیم خودروهای الکتریکی ( )EVsطی چند سال گذشته در حال توسعه بوده است تا از رشد پذیرش این خودروها پشتیبانی کند .سیستمهای شارژ بیسیم امروزه روشی کارآمد و انعطافپذیر برای شارژ خودروهای الکتریکی از چندین کالس و در طیف وسیعی از توانها از یک منبع زمینی مشترک ارائه میدهند. فعالیتهای استانداردسازی به خوبی پیش رفته است تا سازگاری بین سیستمها در میان تولیدکنندگان خودرو و مکانها تضمین شود .این مقاله تصویری کلی از فناوری شارژ بیسیم بهکاررفته برای خودروهای الکتریکی ارائه میدهد. کلمات کلیدی :شارژر باتری ،خودروهای الکتریکی ،شارژ القایی ،رزونانس مغناطیسی ،انتقال توان بیسیم.  -1مقدمه حملونقل در چندین جنبه در حال تغییر اساسی است ،چرا که سیستمهای پیشران از سوختهای فسیلی به برقی تغییر مییابند ،سیستمهای کمکی راننده به سوی خودمختاری کامل و خودروهای بدون راننده حرکت میکنند و افراد بیشتری ،بهویژه در مناطق شهری متراکم ،از مالکیت خودرو فاصله گرفته و از خدمات درخواستمحور استفاده میکنند .خودروهای الکتریکی ،که در گذشته عمدتاً کنجکاویبرانگیز بودند و گزینههای محدودی در بازار داشتند ،در حال محبوب شدن هستند و تقریباً هر خودروساز بزرگی بهزودی خودروهای کامالً برقی ) (BEVیا هیبریدی پالگین ) (PHEVارائه خواهد داد .شکل 1رشد پیشبینیشده فروش BEVبه عنوان درصدی از کل فروش خودرو در دهههای آینده را نشان میدهد .این پیشبینیها با اعالمیههای چندین کشور که متعهد به حذف فروش خودروهای احتراق داخلی در همین بازه زمانی شدهاند ،تقویت میشوند. همراه با تغییر به خودروهای باتریمحور ،نیاز به شارژ این خودروها از شبکه برق نیز مطرح است .اکثر شارژهای خودروهای الکتریکی در خانه یا محل کار انجام خواهد شد ،زیرا خودروها امروز تخمین زده میشوند که 95درصد از زمان خود را در حالت بیکار میگذرانند ،عمدتاً در یکی از این مکانها .نیاز به سفرهای دورهای به یک ایستگاه سوختگیری جداگانه از بین خواهد رفت و با قابلیت “سوختگیری” به روشهای دیگر جایگزین خواهد شد .روش غالب شارژ ،اتصال به شبکه ACبا شارژر سطح 120( 1ولت با توان 3.6کیلووات) یا سطح 240( 2ولت با توان 7.7کیلووات) خواهد بود .شارژ سریع DCبا توانهای بسیار باالتر نیز به عنوان یک گزینه برای برخی شرایط ،مانند سفرهای طوالنیمدت ،وجود دارد ،اما هزینه ساخت و بهرهبرداری از این ایستگاهها مانعی است که استفاده از این روش را به بخشی کوچک از فضای کلی شارژ محدود میکند. شارژ بیسیم با استفاده از رزونانس مغناطیسی جایگزینی ایمن ،کارآمد و راحت برای اتصال کابل جهت شارژ فراهم میکند .رانندگان میتوانند به سادگی در یک جایگاه شارژ بیسیم پارک کنند و بدون نیاز به یادآوری برای اتصال یا مواجهه با کابلهای کثیف ،از خودرو فاصله بگیرند .کابلهای شارژ سیمدار امروزی میتوانند نامرتب باشند و در معرض خرابکاری و آسیب قرار گیرند؛ شارژ بیسیم این کابلهای در معرض دید را حذف میکند و تجربه شارژی یکپارچه و بدون دخالت ایجاد میکند. ناوگان خودروهای خودران دلیل جذاب دیگری برای بهکارگیری شارژ بیسیم فراهم میکند .هنگامی که کسی برای اتصال وجود ندارد اما خودرو میتواند بهصورت خودکار به جایگاه شارژ برود ،شارژ بیسیم نه تنها راحتی بلکه ضرورتی اجتنابناپذیر میشود. این مقاله به بررسی کاربرد انتقال توان بیسیم مبتنی بر رزونانس مغناطیسی برای شارژ خودروهای الکتریکی میپردازد. این بررسی شامل مرور کلی فناوری برای این کاربرد ،برخی دادههای عملکردی از یک سیستم پیشرفته ،مروری بر فعالیتهای استانداردسازی فناوری و بحثی درباره چالشهای باقیمانده برای پذیرش گسترده است. -2شارژ بیسیم با استفاده از رزونانس مغناطیسی سیستمهای شارژ بیسیم برای خودروهای الکتریکی از یک اصل بنیادی الکترومغناطیس استفاده میکنند که در آن یک میدان مغناطیسی متغیر در زمان که توسط یک سیمپیچ روی زمین ایجاد میشود ،ولتاژی در سیمپیچ دوم واقع در خودرو القا میکند .اضافه کردن رزونانس به سیمپیچها ،که اغلب بهعنوان رزونانس مغناطیسی شناخته میشود ،امکان انتقال توان بهصورت کارآمد را بر روی فاصلههای موردنیاز از سطح زمین تا خودرو و تغییرات در محل پارک با استفاده از اندازه سیمپیچهایی که با یکپارچهسازی در خودروهای الکتریکی سازگار هستند ،فراهم میکند. یک نمودار بلوکی از سیستم شارژ بیسیم EVدر شکل 2نشان داده شده است .سیستم شامل چندین مرحله تبدیل توان است که شامل کشیدن توان از شبکه در فرکانس پایین ( 60/50هرتز) ،تبدیل آن به ولتاژ DC متغیر در مرحله اصالح ضریب توان) ، (PFCمعکوسسازی به فرکانس باال ( 85کیلوهرتز) برای انتقال توان و تبدیل مجدد به DCدر مرحله یکسوسازی برای شارژ باتری میشود .حتی با وجود چندین مرحله تبدیل، بازدهی کلی سیستم ،که به عنوان کسر توان کشیدهشده از شبکه که به باتری میرسد تعریف میشود ،عموماً بیش از 90درصد است و میتواند باالی 93درصد باشد. -3اجزای کلیدی سیستم شارژ بیسیم بخش بیسیم سیستم در دو مجموعه اصلی قرار دارد :مجموعه زمینی ) (GAو مجموعه خودرو (VA).این دو مجموعه شامل رزونانسگرهای GAو VAهستند که میدان مغناطیسی را ایجاد و جذب میکنند .شبکههای تطبیق امپدانس ) (IMNدر هر دو طرف برای کوپل کردن مناسب رزونانسگرها به بار معادل باتری و اینورتر به کار میروند .قابلیت تنظیم در این شبکههای تطبیق امپدانس ،که بهعنوان شبکه تطبیق قابل تنظیم )(TMN شناخته میشود ،برای عملکرد موثر در طیف گستردهای از انحرافات مکانی (یعنی تغییرات در محل پارک خودرو) و ولتاژهای باتری حیاتی است .ارتباط بین دو طرف سیستم برای کنترل سیستم از طریق یک لینک WiFiجداگانه انجام میشود. استانداردهای سطح توان انتقال بیسیم ،بر اساس مقدار توان کشیدهشده از شبکه ،مشابه استانداردهای شارژ سیمی خودروهای الکتریکی تقسیمبندی شدهاند .کالسهای توان ) (WPTبرای خودروهای سبک در جدول زیر نشان داده شده است .کالس توان WPT1عمدتاً برای خودروهایی با بستههای باتری کوچک مانند خودروهای هیبریدی پالگین طراحی شده است ،در حالی که کالسهای WPT2و WPT3برای بیشتر خودروهای برقی مناسب هستند. زمان شارژ به اندازه بسته باتری بستگی دارد اما دریافت یک شارژ کامل در حدود 4تا 6ساعت معموالً کافی در نظر گرفته میشود ،زیرا بیشتر شارژ در خانه یا محل کار انجام میشود. تعریف و اهمیت سازگاری سازگاری بین سیستمهای شارژ بیسیم به معنای توانایی خودروها و ایستگاههای شارژ از برندها و تولیدکنندگان مختلف برای کارکرد مشترک است .این ویژگی ،به کاربران امکان میدهد خودروهای الکتریکی خود را در هر ایستگاه شارژ بیسیم موجود شارژ کنند .اهمیت این موضوع شامل موارد زیر است: • سهولت استفاده برای کاربران • توسعه اقتصادی • افزایش پذیرش فناوری چالشهای فنی مرتبط با سازگاری • سازگاری مغناطیسی سیمپیچهای مجموعه زمینی ) (GAباید میدانی با شکل و شدت مناسب تولید کنند که توسط سیمپیچهای مجموعه خودرو ) (VAجذب شود. به دلیل تفاوت در طراحی خودروها و شرایط پارک ،دستیابی به محدوده وسیعی از کوپلینگ مغناطیسی ضروری است. • تطابق امپدانس امپدانس بازتابی مجموعه خودرو ) (VAبه شدت بر کارایی سیستم اثر میگذارد. طراحی تطبیق امپدانس باید قادر به مدیریت تغییرات گسترده ناشی از ولتاژهای مختلف باتری و موقعیتهای پارک خودرو باشد. امپدانسهای مختلف میتوانند از طریق شبکههای تطبیق امپدانس ) (IMN/TMNبهینه شوند. • میدانهای مغناطیسی متفاوت: تغییر در موقعیت خودرو (افقی یا عمودی) میتواند منجر به کاهش کارایی شود .طراحی باید انعطافپذیری الزم را داشته باشد تا میدان کافی در شرایط مختلف ایجاد کند. استانداردسازی و چالشها استانداردسازی سیستمهای شارژ بیسیم تالشها برای ایجاد استانداردهای مرتبط با شارژ بیسیم خودروهای الکتریکی همچنان ادامه دارد .کمیته SAE ™ ،J2954با عنوان "انتقال توان بیسیم برای خودروهای سبک پالگین/برقی و روششناسی همراستایی" ،از سال 2010آغاز به کار کرده و اخیراً یک دستورالعمل پیشنهادی منتشر کرده است .این کمیته کالسهای توان ،دستهبندی ارتفاع از سطح زمین و تحمل همراستایی را که پیشتر ذکر شد ،تعریف کرده است .همچنین الزامات عملکردی برای بازدهی و سازگاری بینسیستمی و روشهای تست برای انطباق با محدودیتهای تابش الکترومغناطیسی و دستورالعملهای ایمنی انسانی را تعیین کرده است. چالشهای پذیرش گسترده علیرغم پیشرفتهای تکنولوژیکی و استانداردسازی ،چندین چالش باقی مانده است که باید برای پذیرش گسترده سیستمهای شارژ بیسیم حل شوند .این چالشها شامل هزینه تولید ،نیاز به زیرساخت مناسب و افزایش بازدهی در شرایط واقعی است .عالوه بر این ،نگرانیهای مرتبط با ایمنی تابش الکترومغناطیسی و اطمینان از همراستایی مناسب بین خودرو و تجهیزات زمینی از جمله مواردی هستند که باید در نظر گرفته شوند. بررسی سیستم شارژ بیسیم خودروهای الکتریکی این سیستم با بهرهگیری از روش کوپلینگ القایی ،توان الکتریکی را بهصورت بیسیم از یک سیمپیچ فرستنده به سیمپیچ گیرنده انتقال میدهد .مدار کنترلکننده شامل مبدل ، ACترانزیستور MOSFETو رگوالتور ولتاژ است که امکان مدیریت جریان و توان را فراهم میکند .آزمایشهای انجامشده نشان میدهد که سیستم پیشنهادی با بازدهی ٪67کار میکند و توانایی مقابله با مشکالتی مانند تابش میدان مغناطیسی و هدررفت انرژی را دارد. -1نیاز به سیستم شارژ بیسیم با افزایش مصرف خودروهای الکتریکی ،نیاز به راهکارهای شارژ سریع ،ایمن و راحت اهمیت بیشتری یافته است. سیستمهای شارژ سیمی معمولی مشکالتی مانند: • اتالف انرژی • پیچیدگی کابلها • ایمنی پایین در شرایط نامساعد را ایجاد میکنند .از سوی دیگر ،روش شارژ بیسیم مزایایی نظیر سازگاری با شرایط محیطی (گرد و غبار ،آب و مواد شیمیایی) ،هزینه نگهداری پایین و افزایش عمر تجهیزات را به همراه دارد.  -2روش پیشنهادی سیستم شارژ بیسیم طراحی سیستم سیستم شامل سه بخش اصلی است: سیمپیچ فرستنده (Transmitter Coil):وظیفه ایجاد میدان مغناطیسی متغیر را بر عهده دارد. سیمپیچ گیرنده (Receiver Coil):انرژی مغناطیسی را جذب کرده و به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. مدار کنترل :با استفاده از ریزپردازنده PIC16F877و ترانزیستور ، MOSFETجریان و ولتاژ را مدیریت کرده و ولتاژ DCتنظیمشده برای باتری فراهم میکند. فرآیند انتقال توان در این سیستم ،جریان ACدر سیمپیچ فرستنده میدان مغناطیسی متغیری ایجاد میکند که طبق قانون فارادی در سیمپیچ گیرنده ولتاژ القا میکند .این ولتاژ توسط مدار یکسوساز به DCتبدیل شده و برای شارژ باتری استفاده میشود.  -3نتایج آزمایشگاهی بازدهی :سیستم پیشنهادی توانست در فاصله 6سانتیمتری بازدهی ٪67ارائه دهد .با افزایش فاصله ،بازدهی کاهش یافت. ولتاژ ورودی و خروجی :ولتاژ ورودی 10ولت ACو ولتاژ دریافتی در سیمپیچ گیرنده 6.72ولت بود. عملکرد در شرایط مختلف :سیستم در شرایط محیطی نامساعد (گرد و غبار و آب) عملکرد پایداری داشت. جدول زیر نتایج آزمایش را نشان میدهد: -4مزایا و چالشها مزایا ایمنی باال :سیستم نیازی به اتصال فیزیکی ندارد و احتمال خطر برقگرفتگی کاهش مییابد. دوام بیشتر :تجهیزات در برابر عوامل محیطی مقاوم هستند. راحتی استفاده :کاربران میتوانند بهراحتی خودرو را در محل پارک کنند و شارژ انجام شود. چالشها کاهش بازدهی با افزایش فاصله :یکی از مشکالت اصلی شارژ بیسیم کاهش بازدهی در فاصلههای زیاد است. هزینه اولیه باال :نصب تجهیزات شارژ بیسیم به هزینه بیشتری نسبت به روشهای سنتی نیاز دارد. مشکالت تابش میدان مغناطیسی :نیاز به مدیریت مناسب برای جلوگیری از تأثیرات مخرب تابش.  -5نتیجهگیری الکتریکیسازی حملونقل در حال انجام است و شارژ بیسیم نقشی مهم در این انتقال ایفا خواهد کرد. سیستمهای شارژ بیسیم روشی راحت و بدون نیاز به دخالت برای شارژ خودروهای الکتریکی با سرعت و بازده مشابه شارژرهای ACاستاندارد فراهم میکنند .استانداردسازی این فناوری در حال پیشرفت است تا سازگاری بین سیستمها تضمین شود و آزادی عمل بیشتری برای رانندگان ایجاد کند. سیستم شارژ بیسیم پیشنهادی یک گام موثر در جهت بهبود تجربه کاربران خودروهای الکتریکی است .این سیستم با بهرهوری مناسب و طراحی کارآمد ،بسیاری از مشکالت شارژ سنتی را حل کرده و به افزایش پذیرش فناوری خودروهای الکتریکی کمک میکند .با این حال ،حل چالشهایی نظیر کاهش بازدهی و هزینههای اولیه باال میتواند به گسترش هرچه بیشتر این فناوری منجر شود. منابع [1] Morgan Stanley Research, “On The Charge”, August 2017 [Online]. Available: “https://www.docdroid.net/A5uNOPX/on-the-charge.pdf” [2] http://money.cnn.com/2017/09/11/autos/countries-banning-dieselgascars/index.html [3] https://www.reinventingparking.org/2013/02/cars-are-parked-95-oftimelets-check.html [4] “Wireless Power Transfer for Light-Duty Plug-In/Electric Vehicles and Alignment Methodology J2954_201711,” available from SAE International, https://www.sae.org/standards/content/j2954_201711/ [5] H. Zhi, G. Covic, J. Boys, "Wireless Fleet Charging System," IEEE, 2015. [6] J. Sallan et al., "Optimal Design of ICPT Systems," IEEE Trans. Ind. Electron., 2009. [7] D. Vilathgamuwa, J. Sampath, "Wireless Power Transfer for EVs," Springer, 2015.