Politechnika Poznańska Wydział Elektryczny
Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej
mgr inż. Michał Filipiak
rozprawa doktorska
Indukcyjny przesył energii do systemu dostępu pojazdu samochodowego
Promotor: prof. dr hab. inż. Ryszard Nawrowski Promotor pomocniczy: dr inż. Jarosław Jajczyk
Poznań 2018
2 Streszczenie
Tytuł: Indukcyjny przesył energii do systemu dostępu pojazdu samochodowego W pracy przedstawiono technologię bezprzewodowego przesyłu energii bazującej na indukcji elektromagnetycznej. Opisano dotychczasowe badania oraz zastosowanie w technice. Wykonano modele, symulacje oraz badania układów w topologiach dwucewkowych, trójcewkowych oraz czterocewkowych. Wyniki przedstawionych badań pozwoliły na zastosowanie jednej z topologii w zrealizowanym projekcie zasilania systemu dostępu do pojazdu samochodowego. Podsumowano zrealizowane prace oraz określono możliwości wystąpienia zakłóceń elektromagnetycznych w obrębie pojazdu. Opisano zagrożenia wynikające ze stosowania technologii bezprzewodowych oraz ich wpływ na organizmy żywe.
Abstract
Title: Inductive energy transfer to the car vehicle access system
The paper presents the technology of wireless transmission of energy based on electromagnetic induction. Current research and technological application were described. Models, simulations and systems researches of topologies of two-coil, three- coil and four-coil were made. The results of the presented research allowed for the appliance of one of the topologies in the project to power the car access system.
Summary of all works includes the possibilities of electromagnetic interference within the vehicle as well as potential dangers for living organisms that may come from the usage of wireless technologies.
3 Spis treści
1. Wstęp... 5
1.1. Zarys historyczny i początki przesyłu energii ... 5
1.2. Systemy zabezpieczeń pojazdu samochodowego ... 7
1.3. Źródła zasilania urządzeń elektrycznych ... 11
1.4. Możliwości zastąpienia źródeł chemicznych ... 12
2. Cel, zakres i teza pracy... 15
3. Aktualny stan wiedzy ... 16
3.1. Metody bezprzewodowego przesyłu energii ... 16
3.2. Opis prowadzonych badań ... 17
3.3. Sposoby zasilania ... 20
3.4. Standard „Qi wireless power” ... 22
3.5. Zastosowanie zasilania bezprzewodowego ... 23
4. Zasilanie indukcyjne ... 30
4.1. Budowa układu ... 30
4.2. Sprzężenie magnetyczne ... 31
4.3. Indukcja magnetyczna ... 32
4.4. Indukcyjność cewek ... 33
4.5. Model cewki ... 36
4.6. Model obwodowy indukcyjnego przesyłu energii ... 38
4.7. Rezonans oraz kompensacja mocy biernej w układzie ... 39
5. Badania eksperymentalne różnych konfiguracji układów ... 43
5.1. Założenia do badań ... 43
5.2. Metodyka badań ... 43
5.3. Stanowisko badawcze ... 46
5.4. Układ z dwoma cewkami ... 51
5.4.1. Model matematyczny układu dwucewkowego ... 51
5.4.2. Autorski model numeryczny ... 58
5.4.3. Symulacje układu dwucewkowego ... 62
5.4.4. Pomiary układu rzeczywistego ... 77
5.5. Układ trójcewkowy ... 85
5.5.1. Model matematyczny układu trójcewkowego ... 85
5.5.2. Symulacje układu trójcewkowego ... 88
4
5.5.3. Pomiary układu rzeczywistego ... 95
5.5.4. Porównanie układów trójcewkowych ... 98
5.6. Układ czterocewkowy ... 99
5.6.1. Model matematyczny układu czterocewkowego ... 99
5.6.2. Symulacje układu czterocewkowego ... 101
5.6.3. Badania układu rzeczywistego ... 103
5.7. Podsumowanie badań ... 104
6. Projekt układu zasilania systemu dostępu ... 106
6.2. Schemat działania... 107
6.3. Symulacja układu zasilania ... 109
6.4. Budowa stanowiska do zasilania kluczyka systemu dostępu do pojazdu samochodowego ... 112
6.5. Analiza wyników badań ... 120
7. Określenie zakłóceń i odporności urządzeń będących w zasięgu zasilania indukcyjnego ... 121
8. Wpływ na organizmy żywe ... 122
9. Analiza ekonomiczno-ekologiczna zaprojektowanego układu ... 125
10. Wnioski i uwagi końcowe ... 127
11. Literatura ... 130
12. Załączniki ... 140
5
1. Wstęp
Elektryfikacja rozpoczęta w XIX wieku wykorzystywała system przewodowego dostarczania energii elektrycznej do odbiorców. W ten sposób łatwo i szybko można zasilić różne urządzenia elektryczne. Rozwój technologii pozwolił w niektórych dziedzinach przemysłu oraz życia codziennego wyprzeć systemy przewodowe na rzecz bezprzewodowej transmisji energii elektrycznej. Głównymi aspektami tej zmiany są komfort użytkowania, ochrona środowiska oraz bezpieczeństwo pracy przy urządzeniach elektrycznych. Przemysł samochodowy w systemach zabezpieczeń pojazdów, między innymi w systemach dostępu, stosuje chemiczne źródła energii elektrycznej. Systemy te wymagają do autoryzacji dostępu do pojazdu stałego zasilania.
Zagrożenia wynikające z nieodpowiedniego i nadmiernego stosowania źródeł chemicznych oraz ich nieodpowiedniej utylizacji powodują realne skutki objawiające się zanieczyszczeniem środowiska i zagrożeniem życia ludzkiego. W pracy przedstawiono gotowe rozwiązanie pozwalające zmniejszyć liczbę stosowanych baterii w systemach kluczykowych pojazdów samochodowych.
1.1. Zarys historyczny i początki przesyłu energii
System bezprzewodowego transferu energii (CET ang. Contactles Energy Transfer) mógł zostać zrealizowany dzięki pracom Jamesa C. Maxwella i Heinricha Hertza [37].
W 1864 James C. Maxwell opisał zależności matematyczne między polem elektrycznym i polem magnetycznym. Natomiast Heinrich Hertz, jako pierwszy stworzył oscylator częstotliwościowy, dzięki któremu wytworzył falę elektromagnetyczną. Badania nad bezprzewodowym transferem energii zostały zapoczątkowane w Colorado Springs przez Nikola Tesla między 1899 rokiem, a 1900 rokiem [131]. Prowadził on eksperymenty nad przekazywaniem energii za pomocą indukcji elektromagnetycznej oraz fal elektromagnetycznych. Ostatecznie na podstawie swoich badań i obserwacji Nikola Tesla uzyskał wiele patentów. Jednym z nich jest patent nr 645,576 (system of transmission of electrical energy), który dotyczył transferu energii za pomocą anten [68][131]. Na tym etapie prac dalsze badania zostały porzucone. Przyczyny należy upatrywać głównie w początku elektryfikacji przewodowej stosującej prąd przemienny. Pozwoliła ona na dostęp do energii elektrycznej w dużej odległości od elektrowni (wcześniej stosowano elektrownie na
6 prąd stały). Inną przyczyną zatrzymania badań nad przesyłem bezprzewodowym było zrealizowanie pierwszego transatlantyckiego połączenia radiowego przez Guglielmo Marconi. Bazował on na patentach Nicola Tesli, któremu odcięto fundusze na dalsze badania [98][87].
Przez ponad 60 lat pomysł Nikola Tesli był zapomniany. Dopiero kryzys energetyczny, spowodowany przez gwałtowny wzrost cen ropy naftowej, zwrócił uwagę naukowców na możliwości przesyłania energii z kosmosu. W latach 70-tych NASA (ang. National Aeronautics and Space Administration) prowadziła badania nad możliwością przekazywania energii z orbitalnych paneli fotowoltaicznych na Ziemię za pomocą mikrofal. W 1964 roku pierwszy mikrofalowy system transferu energii został zaprojektowany oraz przetestowany w warunkach laboratoryjnych. Ze względu na dużą niepewność co do wpływu mikrofal na organizmy żywe i protesty społeczne projekt transferu energii z kosmosu został zaniechany w fazie koncepcyjnej [68].
W kolejnych latach prowadzone były badania w różnych ośrodkach naukowych nad bezprzewodowym przesyłem energii elektrycznej, które pozostały w sferze eksperymentalnej [85]. Pierwsze komercyjne zastosowanie bezprzewodowego przekazywania energii miało miejsce około 1990 roku, kiedy to firma Oral-B wydała elektryczną szczoteczkę z ładowarką indukcyjną. Krokiem, który pozwolił na szerokie zastosowanie technologii bezprzewodowego ładowania urządzeń elektrycznych, było wprowadzenie standardu dla urządzeń o małej i średniej mocy. Prace nad utworzeniem standardu rozpoczęły się w Hongkongu w 2008 roku, a w 2009 roku standard „Qi wireless power” został ogłoszony [103].
W ostatnich latach prowadzone są prace nad wprowadzeniem standardu bezprzewodowego ładowania lub zasilania w czasie jazdy dla pojazdów elektrycznych.
Rozwiązanie takie zastosowano dla linii autobusowej zbudowanej w Seulu (Korea Płd).
Systemy te przekazują energię elektryczną w czasie rzeczywistym (OLEV ang. Online Electric Vehicle). Na trasie umieszczone są segmenty infrastruktury systemu pozwalające na „ładowanie” pakietów baterii w pojeździe. W przypadku autobusu elektrycznego OLEV uzyskano zmniejszenie pojemności pakietu baterii o około 66%
w porównaniu do autobusu elektrycznego [1][14].
Obecnie wprowadzono system indukcyjnego „ładowania” baterii w pojazdach marki BMW w modelu 530e iPerformance. Technologia ta została opracowana przez firmę
7 WiTricity [139]. W systemie uwzględniono dwukierunkowe przesyłanie energii elektrycznej z możliwością oddawania energii do sieci elektroenergetycznej.
1.2. Systemy zabezpieczeń pojazdu samochodowego
W początkowej fazie produkcji pojazdów samochodowych nie stosowano żadnych systemów zabezpieczających pojazd. Przełomowym momentem było opracowanie kluczyka pozwalającego na uruchomienie silnika. Został on zastosowany około 1912 roku. Cały czas dostęp do wnętrza kabiny był otwarty [125]. System ten był bardzo kłopotliwy dla użytkowników i mało komfortowy. Objawiało się to niechęcią do noszenia przy sobie kluczka, co powodowało, że raczej pozostawał on w pojeździe.
Pierwsze tego typu zabezpieczenia pojazdu zastosowano w Cadillacu Model 30. Było to opcjonalne wyposażenie samochodu czego dowodem jest fakt, że w większości modeli ręcznie uruchamiano silnik. Przykładem tego typu rozwiązania stosowanego do 1994 roku jest Zaporożec 968M [132]. W latach 20 XX wieku po rozpoczęciu masowej produkcji pojazdów zaczęto się zastanawiać nad zabezpieczeniem pojazdu przed kradzieżą. W 1935 roku zastosowano kluczyk jako zabezpieczenie drzwi pojazdu.
Natomiast otwieranie pojazdu i uruchamianie silnika za pomocą jednego kluczyka wprowadzono w 1949 roku w pojeździe Plymouth Special Delux. W 1956 roku przyjął się centralny zamek choć został opatentowany znacznie wcześniej. W kolejnych latach zmieniono dostęp do pojazdu stosując zamiast zamków kluczykowych zamki kodowe [125].
W 1982 roku powstał pierwszy zdalnie sterowany system centralnego zamka w Renault Fuego [134]. W tym systemie nadajnik wysyłał wiązkę światła podczerwonego do odbiornika znajdującego się w pojeździe. Była to nowość i bardzo dobrze przyjęła się wśród użytkowników. Jedynym utrudnieniem była konieczność skierowania wiązki z nadajnika znajdującego się w kluczyku na odbiornik umieszczony w okolicach przedniej szyby pojazdu (zazwyczaj przy lusterku wewnętrznym lub w klamce drzwi kierowcy). Na początku lat 90 XX wieku systemy podczerwieni zostały wyparte przez systemy radiowe, w których zamiast wiązki światła podczerwonego zastosowano falę radiową (rys. 1.1). W stosowanych układach częstotliwość sygnału w zależności od regionu wynosi 315 MHz oraz 433 MHz w paśmie LPD (ang. Low Power Devices). Jest to pasmo z 69 kanałami (w niektórych krajach nielicencjonowane)
8 [135]. W motoryzacji najczęściej stosuje się częstotliwości 433 MHz, 433,92 MHz, 434 MHz. Zasięg sygnału w paśmie LPD jest ograniczony do 1 km, lecz w większości zastosowań zdalnego dostępu zasięg nie przekracza 200 m. Z dokumentacji wynika również, że moc sygnału w zastosowaniach do zdalnego sterowania kluczykiem w pojazdach nie przekracza 50 mW [136].
Rys. 1.1. System dostępu do pojazdu samochodowego sterowany sygnałem radiowym
Początkowo systemy radiowe wykorzystywały stały kod, który można było skopiować i uzyskać dostęp do pojazdu. W kolejnych latach zastosowano systemy ze zmiennym kodem tzw. system Keeloq [126].
Po wprowadzeniu elektronicznych kluczyków starano się zadbać o ich ciągłe zasilanie i ograniczenie częstej wymiany baterii. Około 2000 roku marka pojazdów BMW wprowadziła kluczyki z wbudowanym źródłem chemicznym. Układ był szczelnie zamknięty co nie pozwalało na wymianę źródła zasilania. Było ono doładowywane za pomocą indukcji elektromagnetycznej podczas jazdy, gdy kluczyk był umieszczony w stacyjce. Wadą tego rozwiązania była niewymienna bateria, która po latach użytkowania nie pozwalała na otwarcie pojazdu i generowała wysokie koszty wymiany całego kluczyka wraz z usługą kodowania transpondera (immobilizer) [144].
Pierwszym systemem bezkluczykowym, w którym interakcja człowieka nie była konieczna był system Keyless Go firmy Mercedes [125]. Patent tego systemu powstał kluczyk Sterownik
centralnego zamka
9 w 1997 roku. Zastosowany po raz pierwszy został w 1998 roku w pojeździe Mercedes klasy S. System Keyless Go jest wyposażony w dodatkowe czujniki umieszczone w klamkach drzwi przednich i tylnych. W drzwiach przednich umieszczone są anteny odbiorcze oraz czujniki zbliżeniowe lub przyciski ryglująco-odryglowujące (rys. 1.2).
W drzwiach tylnych nie umieszcza się anten. Dodatkowe anteny znajdują się w zderzaku tylnym oraz w strefie wewnętrznej pojazdu (np. kabinie, bagażniku) w celu rozpoznania czy kluczyk znajduje się wewnątrz pojazdu czy na zewnątrz. Ta informacja jest konieczna do zamknięcia lub uruchomienia silnika. Sygnał kodowy jest przesyłany na tych samych częstotliwościach co systemy centralnego zamka. Drugą częstotliwością służącą do lokalizacji kluczyka (jego numeru identyfikacyjnego ID) i do odbierania lub przesyłania sygnału jest częstotliwość 125 kHz. W kluczyku jest źródło chemiczne (bateria), której zadaniem jest zasilanie układu pozwalającego na rozsył sygnału ID w celu uruchomienia silnika bez użycia kluczyka. W przypadku rozładowania baterii w kluczyku znajduje się również transponder zasilany ze stacyjki. W czasie dłuższego okresu bezczynności systemu lub w przypadku zaparkowania pojazdu blisko innych przeszkód mogących sygnalizować czujnikom zbliżeniowym pojawienie się kierowcy następuje przejście w tryb oszczędzania energii. System inicjuje tryb wyłączenia rozsyłania sygnału w celu ochrony akumulatora przed rozładowaniem (np. w pojazdach grupy VW po 30 min)[137]. Układ elektroniczny kluczyka jest cały czas w trybie rozsyłania sygnału w związku z tym jego bateria posiada krótszą żywotność.
Rys. 1.2. Rozmieszczenie elementów systemu dostępu Keyless Go w pojeździe samochodowym
antena
kluczyk
Sterownik systemu Keyless Go Klamka drzwi zintegrowana z czujnikiem zbliżeniowym i anteną
10 System bezkluczykowy Keyless Go jest podatny na nieautoryzowane otwarcie pojazdu. Takie postępowanie polega na dwuetapowym przesyłaniu sygnału z pojazdu do kluczyka. W pierwszym etapie wprowadzany jest dodatkowy nadajnik w okolicy anteny pojazdu, który odbiera sygnał wysyłany z pojazdu. Jest on wzmacniany i przesyłany do dodatkowego odbiornika umieszczonego możliwie blisko kluczyka pojazdu. Odebrany sygnał jest rozpoznawalny przez kluczyk i odsyłany z powrotem do pojazdu tą samą drogą. Po autoryzacji możliwe jest uruchomienie silnika i odjechanie pojazdem. Ten sposób kradzieży nie wyrządza żadnych szkód w pojeździe. Silnik będzie uruchomiony dopóki się go nie wyłączy. Jest to również zabezpieczenie w przypadku rozładowania baterii w czasie prowadzenia pojazdu [137].
Prowadzone są również prace nad stosowaniem autoryzacji dostępu do pojazdu na podstawie odcisku linii papilarnych palca. Rozwiązanie służące do uruchamiana silnika wprowadziło Audi w modelu A8, lecz ze względu na częste awarie system został zaniechany [125][127][128].
Aplikowane są również rozwiązania pozwalające na uzyskanie dostępu do pojazdu za pomocą urządzeń mobilnych (smartfonów i rozbudowanych kluczyków).
Rozbudowane kluczyki dostępu pozwalają na wyświetlanie lokalizacji pojazdu i danych takich jak spalanie, zasięg itp. Zostały one zaoferowane przez markę BMW. Istnieją również kluczyki z opcją wykonywania płatności. Dalsze prace prowadzone są w celu osiągnięcia pełnej autoryzacji do pojazdu tylko za pomocą smartfonów. Pierwszym producentem w tej dziedzinie był Mercedes. Takie rozwiązanie pozwala na pełną personalizację ustawień w systemach komfortu, lokalizacji i wielu innych usług (kluczyki posiadają możliwość personalizacji ustawień lusterek i fotela po autoryzacji) [125].
Nowoczesne funkcje dostępu do pojazdu za pomocą smartfonów są atrakcyjne dla użytkowników ze względu na możliwość posiadania tylko jednego urządzenia. Niestety w przypadku awarii, uszkodzenia (np. zalania wodą), zainfekowania wirusem czy rozładowania baterii w smartfonie, dostęp do pojazdu staje się niemożliwy. Wspólną cechą wszystkich urządzeń jest zasilanie w postaci chemicznego źródła energii elektrycznej, które wymaga wymiany ze względu na zużywalność.
11
1.3. Źródła zasilania urządzeń elektrycznych
W ostatniej dekadzie rynek baterii elektrycznych znacznie się rozwinął. Wraz ze wzrostem ich pojemności oraz zmniejszeniem energochłonności urządzeń baterie zyskiwały popularność. Zasilanie bateryjne jest stosowane w większości urządzeń elektrycznych. Począwszy od urządzeń mobilnych (telefonów, smartfonów, odtwarzaczy muzyki), aż po pojazdy samochodowe, w których silniki, systemy komfortu, dostępu czy bezpieczeństwa, również są zasilane z chemicznych źródeł energii.
Źródła chemiczne w czasie eksploatacji tracą swoją początkową zdolność do gromadzenia energii. W pewnym momencie należy je wymienić. W związku z tym, że do ich budowy wykorzystuje się wiele szkodliwych pierwiastków, które są niebezpieczne dla środowiska i ludzi należy je bezwzględnie poddawać procesowi recyklingu [88][57]. Na podstawie statystyk z 2010 roku przyjmuje się, że w 1 tonie baterii znajdują się takie pierwiastki jak [56]:
dwutlenek manganu 270 kg (27%),
żelazo 210 kg (21%),
cynk 160 kg (16%),
grafit 60 kg (6%),
chlorek amonowy 35 kg (3,5%),
miedź 20 kg (2%),
wodorotlenek potasu 10 kg (1%),
rtęć (tlenek rtęci) 3 kg (0,3%),
kilka kilogramów niklu i litu (0,4%),
kadm 0,5 kg (0,05%),
srebro (tlenek srebra) 0,3 kg (0,03%),
niewielkie ilości kobaltu,
pozostała część to obudowa.
W przyszłości ze względu na rozwijający się rynek elektrycznych pojazdów samochodowych liczba baterii, a zarazem wartość procentowa stosowanych pierwiastków się zmieni.
12 Uchwalona 24.04.2009 roku ustawa o bateriach i akumulatorach [129] zobowiązuje do zbierania zużytych źródeł o czym stanowi art. 27 i art. 37 z ust.1. Zgodnie z założeniami poziom zbieranych baterii wynosi:
do 2014 rok – 35%,
do 2015 rok – 40%,
2016 rok i lata następne – 45%.
W 2016 roku i latach poprzednich nie udało się zrealizować tych założeń. W roku 2016 zebrano 39% wszystkich baterii i akumulatorów wprowadzonych na polski rynek (tab. 1.1).
Tab. 1.1. Wprowadzone i zebrane baterie na rynku Polski w 2016 r. [35]
Średni masa wprowadzonych baterii
przenośnych i akumulatorów przenośnych
[kg]
Masa zebranych zużytych baterii przenośnych i akumulatorów przenośnych
[kg]
Osiągnięty poziom zbierania
[%]
12 196 457,76 4 756 258,77 39,00
Uwzględniając rosnący trend stosowania baterii i rozwoju rynku (z uwzględnieniem pojazdów elektrycznych, których popyt będzie się zwiększał) należy poszukiwać rozwiązań pozwalających na ograniczenie stosowania chemicznych źródeł energii w urządzeniach.
1.4. Możliwości zastąpienia źródeł chemicznych
Źródła chemiczne w urządzeniach elektrycznych można zastąpić za pomocą tradycyjnego połączenia przewodowego z siecią energetyczną. Natomiast w celu osiągnięcia mobilności urządzeń poszukiwane są inne rozwiązania. Poza stosowaniem baterii zasilających można wyróżnić systemy bez użycia przewodów. Są nimi układy pozwalające na przesyl energii za pomocą fal świetlnych, fal dźwiękowych, indukcji elektromagnetycznej oraz za pomocą mikrofal. W każdej z wymienionych metod w układzie można wyróżnić część nadawczą wysyłającą energię i część odbiorczą (dowolne urządzenie elektryczne).
13 Przekazywanie energii elektrycznej za pomocą wiązki świetlnej (fotonów) odbywa się poprzez rozsył skupionej wiązki światła lasera, a następnie odbiór przez dowolny fotodetektor (np.: fotodioda, panel fotowoltaiczny). System taki został opracowany przez firmę WI-CHARGE [145]. Jego maksymalna moc została określona na 5 W przy odległości 5 metrów. Maksymalny zasięg to 8 metrów dla 500 mW przesyłanej mocy.
Ładowane urządzenie musi znajdować się w obszarze zasięgu nadajnika i nie może się poruszać. Zasada działania systemu polega na detekcji urządzenia odbiorczego i wypromieniowaniu skupionej wiązki świetlnej do jego fotodetektora.
Innym typem zasilania są układy przesyłające energię za pomocą fali dźwiękowej.
Sygnał wysyłany jest za pomocą fal ultradźwiękowych i odbierany przez odbiornik.
Fale dźwiękowe rozchodzą się we wszystkich kierunkach. Zasięg takiego systemu jest ograniczony między innymi ze względu na przeszkody. Badania ograniczają się do zamkniętych pomieszczeń [130].
Najczęściej stosowanym typem zasilania bezprzewodowego jest zasilanie bazujące na zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Stosowane jest do przekazywania energii przy ładowaniu baterii w urządzeniach mobilnych (dla których utworzono standard „Qi wireless power” [103]). Tego typu zasilanie można również spotkać w urządzeniach używanych w trudnych warunkach środowiskowych np. w środowisku wilgotnym czy zapylonym. Prowadzone są również prace nad standardem zasilania lub „ładowania”
pojazdów elektrycznych (może odbywać się również w trakcie jazdy). Zastosowanie zasilania bezprzewodowego może służyć zarówno zwiększeniu komfortu użytkowania różnych urządzeń jak również zwiększaniu bezpieczeństwa przy zasilaniu urządzeń np.
w miejscach zagrożonych porażeniem lub wybuchem. Układy wykorzystujące zjawisko indukcji elektromagnetycznej w swojej podstawowej budowie zawierają dwie cewki z czego jedna jest w nadajniku, a druga w odbiorniku energii. Cewka nadawcza po przepływie prądu o wysokiej częstotliwości indukuje energię w postaci pola elektromagnetycznego. Jeśli w obrębie tego pola pojawi się cewka odbiorcza i cewki będą sprzężone magnetycznie to na zaciskach cewki odbiorczej indukuje się napięcie (rys. 1.3).
14 Rys. 1.3. Schemat działania indukcyjnego przekazywania energii elektrycznej
System indukcyjnego przesyłu energii elektrycznej działa w zakresie częstotliwości od około 5 kHz do kilku MHz. Moc urządzeń mieście się w przedziale od kilku mW dla urządzeń o małej mocy do kilkuset kW w pojazdach elektrycznych.
Energię można również przesyłać za pomocą mikrofal, stosując anteny. Tego typu przesył energii działa w przedziale częstotliwości sygnału od około 1 GHz do około 300 GHz [102].
φ
V Wyindukowane napięcie
15
2. Cel, zakres i teza pracy
Celem pracy jest zaprojektowanie i wykonanie badań układu w którym realizowany jest bezprzewodowy przesył energii do systemu dostępu w pojeździe samochodowym.
Zakres pracy obejmuje:
• badanie sprawności układów bezprzewodowego zasilania i ładowania urządzeń elektrycznych,
• symulacja pracy układów bezprzewodowego zasilania,
• zaprojektowanie urządzenia pozwalającego na przekazanie energii do wybranego systemu komfortu pojazdu samochodowego,
• wykonanie badań laboratoryjnych.
Na podstawie założonego celu i zakresu pracy sformułowano następującą tezę:
Zaprojektowany układ zasilania umożliwia bezprzewodowy transfer wymaganej energii do systemu dostępu pojazdu samochodowego, przyczyniając się jednocześnie do zmniejszenia zanieczyszczenia środowiska przy jednakowym komforcie użytkowania pojazdów.
16
3. Aktualny stan wiedzy
3.1. Metody bezprzewodowego przesyłu energii
Bezprzewodowe przekazywanie energii do urządzeń elektrycznych może odbywać się na wiele sposobów. Do dyspozycji są systemy wykorzystujące możliwość wysyłania i odbierania energii za pomocą różnych metod. Można do nich zaliczyć fale świetlne (skupiona wiązka lasera) [145], fale dźwiękowe [130], indukcję elektromagnetyczną, okładziny kondensatora czy mikrofale [49].
W literaturze przedstawiono systemy orbitalnej elektrowni zbudowanej z paneli fotowoltaicznych o powierzchni 4 km2, który przekazywałby moc rzędu 1.37 kW z 1 m2 panelu na Ziemie za pomocą mikrofal. W artykule opracowano wzmacniacz mikrofalowy do przesyłu energii z częstotliwością 5,8 GHz. Całkowita sprawność przesyłanej mocy została oszacowana na około 25% [38]. Podobną koncepcję zaprezentowano w starszym artykule dla układu elektrowni słonecznej o mocy 100 kW [85].
W artykułach [102][30] opisano badania nad możliwościami transmisji energii za pomocą okładzin kondensatora. Kondensatory posiadają bardzo małą pojemność rzędu femtofaradów. Prezentowany układ pracował na odległości 10 cm między nadajnikiem, a odbiornikiem energii. Wyniki prac badawczych przedstawiają maksymalną 50%
sprawność. Prowadzono pomiary dla dwóch częstotliwości 44 i 65 MHz.
Przedstawione systemy są możliwe do zastosowania w określonych warunkach środowiskowych (np. przy załączonym świetle) oraz na określonym obszarze (czasami całkowicie wyłączonym z użytku np. mikrofale). W związku tym poszukiwane są możliwości przesyłania energii elektrycznej wykorzystując dane zjawisko w każdej możliwej sytuacji i możliwie bezpieczne dla człowieka. W ten sposób bezprzewodowy
przesył energii za pomocą indukcji elektromagnetycznej jest najczęściej badany i stosowany. Badania nad bezprzewodowym przesyłaniem energii elektrycznej
prowadzone są w każdej dziedzinie życia codziennego oraz przemysłu. Główne obszary, nad którymi prowadzone są badania naukowe w dziedzinie przesyłania energii bezprzewodowo to między innymi urządzenia codziennego użytku, zastosowania medyczne, transport oraz prace badawczo rozwojowe nad różnymi układami poprawiającymi sprawność urządzeń [34][43].
17
3.2. Opis prowadzonych badań
Z badań układów indukcyjnego przesyłu energii elektrycznej można wyróżnić badania teoretyczne, symulacyjne i eksperymentalne. Często autorzy opisują podstawy teoretyczne działania systemu bezprzewodowego przesyłu energii [2][51][80]. Oprócz modeli obwodowych można spotkać w literaturze opracowania przedstawiające matematyczne rozważania bazujące na równaniach Maxwella i Faradaya [78] oraz na falowym modelu transmisji energii [91] zaprezentowanym przez Nikola Teslę.
W badaniach eksperymentalnych prowadzone są badania przesyłu energii przez płytkę zawierającą wiele cewek o małych rozmiarach do 10 cm ułożonych obok siebie. Badano je dzieląc na macierze (2x2, 4x4 16x16, 20x20) [114] lub stosując różne materiały np.
metamateriały [104].
Układy do indukcyjnego przesyłu energii można podzielić na dwie grupy: układy dwucewkowe i układy wielocewkowe.
W grupie układów dwucewkowych najczęściej wykonywane są badania analityczne oraz symulacyjne nad sprawnością oraz przekazywaną mocą do odbiornika. Ważnym czynnikiem są również badania nad pozycjonowaniem odbiornika i zwiększaniem mocy przesyłanej [44]. Prowadzone są badania [59] wyodrębniające parametry obwodu i ich wpływ na zwiększenie sprawności systemu transmisji energii. Badania w Polsce są prowadzone w celu dopasowania pojemności kondensatorów układu dla uzyskania jak
najwyższej sprawności [62][63]. Bada się inwertery (klasy D) w układach z kompensacją równoległą [60] oraz współpracę z mostkowym falownikiem napięcia
[64]. Natomiast w publikacji [74] uwzględniano do obliczeń model polowy dwóch cewek sprzężonych magnetycznie.
Systemy bezprzewodowego przesyłu energii można podzielić ze względu na częstotliwość układu rezonansowego. Część naukowców prowadzi badania dla częstotliwości do 1 MHz, a część na częstotliwościach wyższych. W zakresie niższych częstotliwości autorzy artykułów projektują własne układy zasilające z cewkami nawiniętymi na rdzeniu ferromagnetycznym [105][41]. W literaturze [105]
zaprojektowany układ składał się z dwóch cewek nadawczej i odbiorczej nawiniętej na rdzeniu w kształcie litery E. Testowany system przesyłał moc około 30 W z maksymalną sprawnością 57,8%.
18 W kolejnym rozwiązaniu energia pobierana była z pętli indukcyjnej kablowej, na którą nałożono odbiornik z rdzeniem w kształcie litery E [41]. Układ posiadał sprawność zależną od obciążenia odbiornika (najwyższa wartość wynosiła niespełna 10%). W artykule zasymulowano również rozkład pola elektromagnetycznego w rdzeniu o różnym kształcie (E, K, S, U, Z). Prowadzone są również prace nad układami z cewkami powietrznymi [32][72][45][75][84][32][100].
W artykule [72] opisano badania układu i wpływu dopasowania częstotliwości w celu śledzenia optymalnej sprawności transferu energii do odbiornika.
Przeprowadzono analizę matematyczną i testowano układ śledzący w odległości do 10 cm [32]. Maksymalna sprawność wynosiła 80%. Zaprojektowano również układ z użyciem mostka typu H i badano cewki z niedokładnym nawinięciem [75].
W pracach [40][84] opisano algorytm działania układu i przeprowadzono symulacje w Simulik’u. Przedstawiono analizę i budowę układu transmisji bezprzewodowej o mocy 100 W zasilanej z napięcia średniego 35 kV [100]. Cewki zostały wykonane na płytce PCB oddalonej od siebie na maksymalnej odległości wynoszącej 50 mm, taki układ posiadał 80% sprawność. Porównywano układy bez rezonansu oraz w rezonansie szeregowym, gdzie osiągnięto 70% sprawność dla 6 cm odległości między cewkami [53]. Prowadzono również badania nad zastosowaniem przetwornicy półokresowej, gdzie osiągnięto 61% sprawność dla dostarczanej mocy do odbiornika o wartości 3,4 W [47]. Wykonano również symulacje napięciowe w zależności od rezystancji obciążenia mostka półokresowego [36].
W pracy [73] przeprowadzono analizę obwodów, w których zastosowano różne warianty kompensacji. Przedstawiono charakterystyki sprawności w funkcji rezystancji obciążenia lub w funkcji impedancji badanego układu. Do jego budowy zastosowano wzmacniacz klasy E (E-class operation) pracujący z częstotliwością 134 kHz.
Maksymalna moc przenoszona do odbiornika wynosiła 295 W przy sprawność 75%.
Badano również układy z cewkami cylindrycznymi przekazującymi energię na odległość 12 cm ze sprawnością nieprzekraczającą 60% [83].
W artykule [5] przeprowadzono analizę matematyczną równania Neumana i przedstawiono budowę układu do jednoczesnego przesyły mocy i informacji na
różnych częstotliwościach. Podobną analizę z zastosowaniem równań Neumanna
19 przeprowadzono dla układów o częstotliwości wyższej niż 1 MHz. Miała ona na celu wyznaczenie współczynnika sprzężenia (k) między cewkami [93].
Natomiast w pracy [66] modelowano układ pracujący z częstotliwością 3,68 MHz w konfiguracji z kompensacją równoległo-równoległą. Przeprowadzono analizę i wizualizację pola magnetycznego wokół cewek cylindrycznych oddalonych o 30 cm.
Sprawność układu wynosiła ponad 90%. Badano również układy z dużą szczeliną powietrzną wynoszącą 80 cm, w których sprawność wynosiła poniżej 10% [4][45], natomiast w połowie tej odległości sprawność była na poziomie 65%. W zakresie wyższych częstotliwości badano również wpływ osiowości cewek na przesyłaną moc do odbiornika.
W zakresie systemów wielocewkowych większość autorów prowadzi badania przy częstotliwościach wyższych niż 7,65 MHz. Prowadzone są badania wpływu rezystancji obciążenia oraz długości fali na sprawność układu bezprzewodowego zasilania [82].
W wielu rozwiązaniach badane są układy czterocewkowe z cewką nadajnika i blisko ułożoną cewką rezonatora. Natomiast w obwodzie odbiorczym również znajduje się obwód rezonatora i cewka odbiorcza [11][110][97][96][90]. Tego typu rozwiązania
posiadają znacznie większy zasięg przesyłu energii niż układy dwucewkowe.
W rozwiązaniu [11] osiągnięto maksymalną odległość 1 m z 30% sprawnością.
Natomiast w bliskiej odległości od nadajnika (15 cm) sprawność wynosiła 92% dla cewek o średnicy 50 cm. W kolejnym artykule opisany układ posiadał ponad 70%
sprawność na odległości 1,5 m dla cewek o promieniu 30 cm [90]. W innych rozwiązaniach można spotkać dodatkowe rezonatory prefabrykowane w kształcie cylindra miedzianego [115] lub w postaci pętli antenowej w kształcie kwadratu o boku 50 cm [55].
Wykonywane są próby przesyłu energii za pomocą modulacji sygnału na częstotliwości mikrofalowej [46]. W celu zwiększenia dystansu między odbiornikiem, a nadajnikiem zwiększana jest liczba cewek w obwodzie rezonansowym, które są umieszczone w jednej osi z odbiornikiem. Zbadane zostały obwody w układzie dwucewkowym z jedną dodatkową cewką rezonatora na drodze przesyłanej energii [54]
(wykonane na płytce PCB), oraz w układzie czterocewkowym z dodatkową cewką między odbiornikiem a nadajnikiem [54][116][7]. W artykule [7] przeprowadzono badania z kilkoma cewkami w różnych odstępach między sobą. W mniejszym stopniu
20 badane były obwody w konfiguracji trójcewkowej, gdzie uwzględniono głównie układ z dwoma cewkami w nadajniku i jedną w odbiorniku. Badania przeprowadzono dla cewek w kształcie prostokątów. Układ dostosowano do rezonansu przy częstotliwości 13.56 MHz [79] oraz dla cewek spiralnych nawiniętych na rdzeniu ferromagnetycznym w układzie rzeczywistym z częstotliwością 115 kHz [117].
W pracy [112] przebadano układ z ośmioma cewkami umieszczonymi jak kostki domina (jedna za drugą) w celu przesłania do odbiornika mocy rzędu 10 W.
Teoretyczna sprawność dla częstotliwości 540 kHz wynosiła 80%. W kolejnej pracy [118] zweryfikowano wyniki badań na rzeczywistym układzie, gdzie sprawność malała od 70% (w odległości 0,9 m) do 45% (w odległości 2,1 m). Wykonano układ czterocewkowy, w którym tylko cewki dodatkowe na drodze przesyłowej były w rezonansie i osiągnięto najwyższą sprawność 95% dla 5 cm odległości [70].
Porównanie układów dwu i czterocewkowych dla częstotliwości wyższych niż 20 MHz przedstawiono w pracy [50].
3.3. Sposoby zasilania
Prawidłowe działanie układu bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej jest możliwe z zastosowaniem odpowiednich układów zasilających. Porównując je można wyróżnić trzy różne typy układów. Są to układy działające impulsowo o zadanej częstotliwości z jednym lub kilkoma tranzystorami przełączającymi. Zadaniem układu jest załączanie zasilania na zaciskach cewki nadawczej. Przykładem układu jedno tranzystorowego może być układ TSM7401 [122], którego schemat przedstawiono na rysunku 3.1.
Rys.3.1. Schemat układu TSM7401 (tranzystor mosfet typu N) [122]
21
Układ ten posiada bardzo duże straty energii i jest stosowany w urządzeniach o bardzo małej mocy. Kolejnymi układami są tzw. mostki typu H, w których można
wyróżnić mostek pełen i półmostek. W zależności od zapotrzebowania na moc układ półmostka typy H przenosi o połowę mniej energii, ale za to zawiera mniej skomplikowany układ sterowania [3]. Schemat układu półmostka typu H przedstawiono na rysunku 3.2.
Rys. 3.2. Półmostek typu H [3]
Dla urządzeń o dużej mocy i wymaganym sterowaniu napięciem zbliżonym do sinusoidalnego stosowany jest pełen mostek typu H. Układ w jednym cyklu przełącza napięcie zasilania równe Vin (rysunek 3.3).
Rys. 3.3. Pełen mostek typu H [3]
Tego typu układy zasilają układ rezonansowy służący do zasilanie części nadawczej systemu zasilania bezprzewodowego za pomocą indukcji elektromagnetycznej. Ich prawidłowe zaprojektowanie decyduje o bezawaryjnej pracy układu bezprzewodowego przesyłu energii.
22
3.4. Standard „Qi wireless power”
Do tej pory jedyny standard bezprzewodowego transferu energii wprowadzono w 2008 roku (głównie za sprawą urządzeń mobilnych). Powstanie Wireless Power Consortium i utworzenie standardu Qi (Qi Wireless Power Standard) spowodowało zwrócenie uwagi na zastosowanie tej technologii w praktyce.
W standardzie Qi określono maksymalne moce przesyłowe dla ładowania urządzeń mobilnych i komputerów przenośnych [138]. Uwzględniono w nim dwie grupy urządzeń w zależności od przesłanej mocy:
do 5 W pracujące w zakresie częstotliwości od 110 do 205 kHz,
do 120 W pracujące w zakresie częstotliwości od 80 do 300 kHz.
W artykułach [33][103][42] przedstawiono działanie bezprzewodowego systemu transferu energii zbudowanego zgodnie ze standardem Qi. Omówiono budowę
elektronicznej części układu oraz sposób komunikacji między urządzeniem a ładowarką. W pracach określono zasady komunikacji (kontroli systemu,
podejmowania decyzji) oraz przedstawiono ramki danych. Standard Qi uwzględnia dwa rodzaje podkładek ładujących: zawierających pozycjonowanie urządzeń i bez pozycjonowania (rys. 3.4) Przedstawiono również wpływ stosunku wielkości promienia cewek nadajnika i odbiornika na sprawność układu oraz wpływ osiowości i odległości na sprzężenie między cewkami [103].
Rys. 3.4. Podstawka ładująca a) bez pozycjonowania dla jednego urządzenia, b) z pozycjonowaniem możliwość umieszczenia wielu urządzeń
a) b)
23 Najbardziej znaną grupą urządzeń stosujących przedstawiony standard „Qi wireless
power” są ładowarki indukcyjne do urządzeń mobilnych. Układy te pracowały z częstotliwością od 120 kHz do 140 kHz w zależności od producenta ładowarki. Wraz
z oddalaniem urządzenia od podstawki ładującej częstotliwość ulegała zmniejszeniu w celu dopasowania układu do stanu rezonansu. Taki proces zwiększa sprawność urządzenia w przypadku, umieszczenia urządzenia w dodatkowym etui. Możemy
wyróżnić układy, które zawierają cewki spiralne powietrzne w podstawce i w urządzeniu odbiorczym oraz takie, które zawierają w podstawce cewkę spiralną
z rdzeniem ferromagnetycznym. Pozycjonowanie urządzeń odbywa się w zależności od podstawki ładujące. Wyróżnia się podstawki ze specjalną ramką stabilizującą, jak również są podstawki bez pozycjonowania. W tych drugich pozycjonowanie ułatwiają narysowane linie na podstawce (pozycja orientacyjna) lub układ elektroniczny, który załącza wybrane cewki w celu maksymalnego sprzężenia układu ładującego.
3.5. Zastosowanie zasilania bezprzewodowego
Dostępne na rynku urządzenia zbudowane są z układów dwucewkowych. Układy trój i czterocewkowe są ciągle w fazie badań i prototypowania. W zależności od przenoszonej mocy i odległości między urządzeniem nadawczym, a odbiorczym można wyróżnić układy zawierające cewki powietrzne lub z rdzeniem ferromagnetycznym.
W kategorii urządzeń codziennego użytku prowadzone są badania nad ładowaniem i zasilaniem urządzeń znajdujących się w bliskiej odległości od układu przekazywania energii.
Pierwszym urządzeniem powszechnie dostępnym na rynku stosującym indukcyjny przesył energii do ładowania baterii była elektryczna szczoteczka do zębów. Układ
działał z częstotliwością 75 kHz w przypadku szczoteczki firmy Philips, i np.
z częstotliwości 21,6 kHz dla firmy Braun [68]. Moc urządzenia jest w zakresie od 0,55 W do 0,75 W. Istnieje kilka rozwiązań związanych z umiejscowieniem cewek nadawczych i odbiorczych w których stosowane są cewki powietrzne walcowe i z rdzeniem. Najczęściej stosowane pokazano na rys. 3.5.
24 Rys. 3.5. Rozmieszczenie cewek indukcyjnych w szczoteczce do zębów, a) cewka odbiorcza umieszczona wewnątrz cewki nadawczej, b) cewka nadawcza z rdzeniem na który nałożono cewkę odbiorczą
Natomiast w kategorii ciągłego zasilania prowadzone są prace badawcze nad peryferyjnymi urządzeniami komputerowymi np. urządzenia wskazujące, które działają tylko na specjalnej podkładce. Energia potrzebna do ich działania jest przekazywana z cewki nadawczej będącej w podkładce do cewki odbiorczej, znajdującej się w urządzeniu. Zaletą tego układu jest to, że urządzenie wskazujące nie posiada
dodatkowego źródła zasilania. Informacje o przemieszczeniu wskaźnika i rozpoznaniu wciśnięcia odpowiedniego przycisku przekazywane są również drogą indukcyjną bez dodatkowej anteny. Zaprojektowany układ do bezprzewodowego zasalania urządzenia wskazującego przez autorów pracy [8] pozwalał na dostarczenie mocy 0,2 W ze sprawnością około 2%.
Innym przykładem badań nad komercyjnym układem urządzenia wskazującego (położenie kursora) jest praca [20]. Budowę układu zasilania urządzenia wskazującego przedstawiono na rys 3.6. Jest ono zasilane napięciem stałym o wartości 5 V z portu
USB. Zawiera cewkę nadawczą spiralną w kształcie prostokąta umieszczoną w podkładce. Cewka zawierała kilka zwojów a jej indukcyjności wynosiła 62 µH.
Cewka odbiorcza była wielowarstwowa, również w kształcie prostokąta o indukcyjności 76,6µH. Badany układ działał z częstotliwością 122 kHz. Nad całym
obszarem podkładki napięcie skuteczne na cewce odbiorczej wynosiło powyżej 5 V (w centralnej części dochodziło do 6 V). Natomiast maksymalna wysokość nad podkładką do której urządzenie był zasilane wynosiła 4,6 cm. Podczas badań moc pobierana nie przekraczała 5 W, a sprawność wynosiła około 30%.
Cewka odbiorcza
Cewka nadawcza Cewka odbiorcza
Cewka nadawcza
Rdzeń
ferromagnetyczny
a) b)
25 Rys. 3.6. Rozmieszczenie cewek indukcyjnych w urządzeniu wskazującym
Prowadzi się również badania w celu zasilania i ładowania baterii komputerów przenośnych. Zasada działania jest podobna jak w przypadku urządzeń o ciągłym zasilaniu. Badania nad bezprzewodową stacją przesyłową dla laptopów opisano między innymi w pracy [48], gdzie wykonano układ ukryty w blacie biurka, który działa ze sprawnością 60%. Natomiast w krajowym obszarze badań nad technika bezprzewodową dla zasilania komputerów przenośnych osiągnięto sprawność 80% [81]. Tego typu układy przekazują moc do około 100 W.
W celu ułatwienia ładowania urządzeń mobilnych z dodatkowych źródeł energii (np.
Power Bank) prowadzone są badania nad możliwością bezstykowego transferu energii z wydzielonego obszaru biurka, stołu czy torby [10]. Inicjacja ładowania rozpoczyna się automatycznie. Tego typu źródła zasilania przedłużają działanie innych urządzeń mobilnych i posiadają baterie pozwalające na kilkukrotne ich ładowanie, więc szczególnie w tych zastosowaniach zależy na wysokiej sprawności przesyłanej energii.
Układy te uzyskują sprawność na poziome 81% [10].
Bezprzewodowy transfer energii ma również zastosowanie w medycynie. Badania z zastosowaniem bezprzewodowego zasilania prowadzone są zarówno w polskich jak i zagranicznych jednostkach naukowych. W Polsce były prowadzone badania nad bezprzewodowym zasilaniem protez serca [92]. Za opracowanie tego systemu dr inż. Tomasz Cieśla w 2013 roku otrzymał „Nagrodę ABB” [108].
Zagraniczne badania dotyczą między innymi ciągłego zasilania kapsułki endoskopu.
Analizowane są dwie koncepcje. Jedna przewiduje zastosowanie układu cewek umieszczonych w podłodze o średnicy około 48 cm. Energia jest przesyłana za pomocą
Cewka odbiorcza
Cewka nadawcza
26 pola elektromagnetycznego o częstotliwości 24,05 MHz do cewki odbiorczej o średnicy około 30 cm umieszczonej w ubraniu pacjenta. Dopiero cewka odbiorcza przesyła energię do kapsułki endoskopowej [101]. Sprawność tego układu nie przekraczała 3%.
Drugim rozwiązaniem jest umieszczenie pacjenta w cewce Helmholtza. Dzięki takiemu rozwiązaniu sprawność przesyłanej energii wynosi około 90% przy niższej częstotliwości zasilania (181 kHz) [109].
Prowadzone są badania nad poprawą sprawności przesyłanej energii dla systemów działających z częstotliwością 900 MHz, przekazujących energię za pomocą anten.
Rozpatrywano wpływ zmiany współczynnika wypełnienia sygnału anteny nadawczej na energię przesłaną do urządzeń umieszczonych w tkankach żywych [111]. Badania te rozszerza praca [71], gdzie badano możliwości przesylu sygnału do implantów lub czujników umieszczonych pod skórą człowieka w celach terapeutycznych lub diagnostycznych. Tego typu propozycja została wykonana dla przesyłu indukcyjnego o częstotliwości około 7 MHz i sprawności 40%.
Indukcyjne zasilanie bezprzewodowe znajduje również zastosowanie w układach mikroprocesorowych do zasilania wewnętrznego układu scalonego [89] jak również do zasilania układów na płytce PCB (ang. Printed Circuit Board) [76].
W technice motoryzacyjnej pierwszym urządzeniem zasilanym indukcyjnie w pojazdach samochodowych jest transponder w systemie zabezpieczeń przed
kradzieżą (immobilizer). System korzysta z technologii RFID (ang. Radio Frequency Identification) i działa z częstotliwością 125 kHz lub 134,2 kHz w zależności od producenta [133][124][123]. W tym systemie cewka nadawcza umieszczona jest w stacyjce pojazdu, a odbiorcza zintegrowana z transponderem, który jest umieszczony współosiowo w kluczyku.
Innym rozwiązaniem jest wprowadzenie tylko w marce BMW możliwości
„ładowania” baterii (akumulatorka) zasilającej kluczyk pojazdu. System działa identycznie jak w przypadku immobilizera rys. 3.7.
27 Rys. 3.7. Stacyjka pojazdu samochodowego z immobilizerem oraz ładowaniem
indukcyjnym akumulatorka kluczyka
Bardzo duże zainteresowanie w dzisiejszych czasach skupia się wokół samochodów elektrycznych. Ze względu na niski zasięg i małą pojemność baterii zasilających silniki elektryczne, powstają systemy bezprzewodowego ładowania i ciągłego zasilania pojazdów. Tego typu systemy zwiększają zasięg i komfort podczas codziennego użytkowania pojazdu elektrycznego [113][39]. Prowadzone są również badania nad indukcyjnym zasilaniem pojazdów (IPT ang. Inductive power transfer system).
Analizowane są różne topologie systemów bezprzewodowego przesyłu energii.
Najpopularniejsze to układy z kompensacją szeregową i równoległą. W pracy [86]
badany układ osiągnął sprawność 96% przy dostarczanej mocy 1620 W. Badania symulacyjne uwzględniały ładowanie akumulatora 12 V o pojemności 90 Ah. Układ zasilono z sieci jednofazowej (230 V 50 Hz), a następnie za pomocą układów przekształtnikowych zwiększono częstotliwość napięcia do 5 kHz. Cewka nadawcza pracowała w stanie rezonansu szeregowego.
W innych pracach prowadzone są badania nad zasilaniem pojazdów za pomocą układu indukcyjnego wraz z pozycjonowaniem i ładowaniem pojazdu [58] [77]. Wielu autorów prowadzi badania nad liniowym zasilaniem pojazdów. Tego typu układy posiadają pętlę zasilającą (kablową) umieszczoną w jezdni (czasami z zastosowanym rdzeniem magnetycznym) oraz odbiornik w pojeździe w postaci cewki nawiniętej na rdzeniu w kształcie litery E. Pętla indukcyjna w jezdni może być zasilana z sieci
trójfazowej [9] lub z sieci jednofazowej [95][29,30]. Układy te pracują z częstotliwościami w zakresie od 20 – 40 kHz. Natomiast w artykule [77]
Cewka nadawcza
stacyjka
Cewka odbiorcza
Układ
elektroniczny
transponder
z cewką Bateria (akumulator)
28 przedstawiono przeprowadzone badania dla częstotliwości 100 i 200 kHz w celu zwiększenia odległości między pętlą indukcyjną, a odbiornikiem energii. W tym zastosowaniu osiągane są prądy o wartość nawet 200 A. Przekazywana moc osiąga wartość ponad 60 kW. W przedstawionym układzie trójfazowym sprawność wynosiła 80 – 85%, a dla układu jednofazowego w granicach 85 – 90% [77].
Urządzenia o większej mocy przesyłowej są stosowane do „ładowania” baterii zasilających pojazdy elektryczne. Pierwszą trasą zawierającą system umożliwiający przekazywanie energii była trasa autobusowa w Seulu. Została ona podzielona na kilka segmentów zasilających, aby zwiększyć zasięg autobusu. System ten zawiera pętlę indukcyjną umieszczoną pod asfaltem, która jest emiterem energii. Natomiast odbiornikiem jest cewka z rdzeniem ferromagnetycznym umieszczona w podwoziu
autobusu rysunek 3.8. System ten nosi nazwę OLEV (ang. Online Electric Vehicle) i pozwala na przesłanie mocy do 100 kW przy szczelinie powietrznej wynoszącej 26 cm
ze sprawnością 80%. System działa z częstotliwością 20 kHz [1][13][29].
Rys. 3.8. System zasilania i ładowania baterii w autobusach OLEV
W 2018 roku została wprowadzona ładowarka indukcyjna do pojazdów osobowych pracująca na specyfikacji firmy WItricity (rys. 3.9). System „Drive 11” pozwala na przenoszenie energii z całkowitą mocą 3,6 kW, 7,7 kW i 11 kW i jest zgodny ze specyfikacją SAE TIR J2954™ ładowania pojazdów elektrycznych i hybrydowych.
29 Sprawność systemu według producenta osiąga wartość do 94%. W celu uzyskania najlepszej wydajności ustalono pozycjonowanie z dopuszczalną granicą umiejscowienia pojazdu. Różnica współosiowości może wynosić na prawo i lewo do 10 cm natomiast różnica na przód i tył do 7,5 cm [120].
Rys. 3.9. System „ładowania” baterii pojazdów elektrycznych bezprzewodowo Podobnej konstrukcji układy testowane są w zastosowaniach transportu kolejowego.
W artykułach [69][67] przedstawiono możliwości zastosowania bezprzewodowego transferu energii do zasilania pociągu.
30
4. Zasilanie indukcyjne 4.1. Budowa układu
Układy bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej bazują na zjawisku indukcji elektromagnetycznej. W podstawowej konfiguracji zbudowane są z dwóch cewek powietrznych (lub z rdzeniem) nadawczej i odbiorczej, sprzężonych magnetycznie.
Cewka nadawcza, czyli strona zasilająca, generuje pole elektromagnetyczne, natomiast na zaciskach cewki odbiorczej zostaje wyindukowane napięcie. Układ ten różni się od typowego transformatora energetycznego tym, iż działa na wyższych częstotliwościach (od kilku kHz do kilku MHz). Cewka pierwotna i wtórna znajdują się w znacznie większej odległości niż w tradycyjnych transformatorach. W związku z tym straty energii podczas przesyłu są wyższe. W celu zmniejszenia strat energii wprowadza się stronę nadawczą w stan rezonansu, a po stronie odbiornika stosuje się kompensację mocy biernej. Ogólną budowę układu do przesyłu energii za pomocą indukcji elektromagnetycznej przedstawiono na rysunku 4.1.
Rys. 4.1. Budowa układu indukcyjnego przesyłu energii elektrycznej [18]
Podczas analizy i projektowania układów bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej [17] należy uwzględnić sprzężenie między cewkami. Jest ono zależne od indukcyjności cewek oraz od ich wzajemnego położenia. W celu wykonania symulacji oraz obliczeń analitycznych korzysta się z modelu obwodowego układu cewek sprzężonych magnetycznie. Układy działają z częstotliwością kHz, co wymusza uwzględnienie efektu naskórkowości. Przy tych częstotliwościach układ wprowadza się w stan rezonansu oraz obniża się rezystancję cewki stosując licę, aby uzyskać jak największą dobroć układu rezonansowego w celu zwiększenia sprawności. Po stronie odbiornika ważna jest kompensacja mocy biernej. Powyższe aspekty przedstawiono w kolejnych podrozdziałach.
31
4.2. Sprzężenie magnetyczne
Przesył energii elektrycznej rozpoczyna się od przepływu prądu przez cewkę nadawczą, w której powstaje strumień magnetyczny φ1. Jeśli strumień magnetyczny swoim zasięgiem obejmuje cewkę drugą to są one sprzężone magnetycznie. W wyniku sprzężenia dwóch cewek następuje wyindukowane się siły elektromotorycznej w cewce odbiorczej. Część strumienia przechodzi przez cewkę odbiorczą i oznaczamy ją φg1
czyli strumień główny, pozostała część jest wypromieniowana w przestrzeń i oznaczamy ją jako φs1 czyli strumień rozproszenia co przedstawiono na rysunku 4.2.
Rys. 4.2. Sprzężenie cewek
Strumień wytworzony przez prąd cewki pierwszej oznaczamy jako φ11. Jest on zgodny ze wzorem (4.1):
(4.1)
Do wyznaczenia sprzężenia k należy określić strumień skojarzony z cewką. Strumień skojarzony oznaczono jako Ψxy i zależy on od liczby zwojów n (4.2). Jeżeli indeksy liczbowe x i y są takie same to oznacza skojarzenie z cewką natomiast, gdy są różne to x oznacza strumień od cewki, z której został wytworzony, a y z którą jest skojarzony.
Indeks x może oznaczać również strumień rozproszenia jako s lub główny jako g.
Ψ n (4.2)
i
32 Następnie wyznacza się indukcyjności własne cewek nadawczej i odbiorczej określone jako stosunek strumienia do prądu płynącego w danej cewce i wyraża się w henrach. Indukcyjność wzajemna między cewkami skojarzonymi oznaczana jest literą M. Wyznaczamy ją ze strumienia wytworzonego w cewce pierwszej skojarzonej z cewką drugą Ψ12 lub odwrotnie. Współczynnik sprzężenia cewek oznacza się literą k i określa jako stosunek strumienia głównego do całkowitego strumienia. Po przekształceniach uzyskujemy indukcyjność wzajemną zależną od współczynnika sprzężenia i indukcyjności cewek sprzężonych (4.3, 4.4).
k (4.3)
1
(4.4)
4.3. Indukcja magnetyczna
Strumień magnetyczny powstały w wyniku przepływu prądu posiada dwa parametry indukcję B wyrażoną w Teslach [T] oraz natężenie pola magnetycznego H wyrażone w amperach na metr [A/m]. Indukcja elektromagnetyczna zależna jest od środowiska przez jakie przepływa strumień magnetyczny oraz od natężenia pola magnetycznego (4.5).
µ µ µ [ ] (4.5)
Gdzie µ jest przenikalnością magnetyczną, zależną od µo – przenikalności magnetycznej próżni, która jest stałą wartością oraz od µr – przenikalności magnetycznej względnej zależnej od materiału, w którym się znajduje.
Wartość indukcji magnetycznej w danym punkcie wyznaczamy korzystając z prawa Biota-Savarta. W zależności od umiejscowienia punktu, w którym chcemy obliczyć wartość indukcji magnetycznej dB i elementu wytwarzającego to pole dl korzystamy z zależności (4.6) [31]:
33 µ
4" ∙ $ × &
&' (4.6)
Wypadkowa indukcja jest zgodna ze wzorem:
µ
4" ( $ × &
&' (4.7)
Następnie można wyznaczyć wartość strumienia magnetycznego , który zależny jest od indukcji magnetycznej przepływającej przez daną powierzchnię (4.8).
( [)*] (4.8)
Zmiana przepływu prądu elektrycznego w cewce pierwszej powoduje indukowanie się napięcia w cewce skojarzonej w polu magnetycznym cewki pierwszej na skutek zjawiska indukcji elektromagnetycznej. W ten sposób wyznaczamy spadki napięć na elementach obwodu niezbędne do sformułowania równań obwodowych
4.4. Indukcyjność cewek
Indukcyjność własną cewek w ogólnym przypadku wyznaczana się z zależności 4.9.
Indukcyjność cewki jest zależna od jej kształtu i jest to zależność geometryczna.
Zależność ta została opisana wzorami od (4.10) do (4.14).
L nΨ
, [ ] (4.9)
Do obliczania indukcyjności stosowano wzory z literatury. Poniżej przedstawiono wybrane z nich: cewka z pojedynczym zwojem (4.10), cewka cylindryczna wielozwojowa (4.11) oraz cewka cylindryczna wielowarstwowa i wielozwojowa (4.12), które pokazano odpowiednio na rysunkach od 4.3 do 4.5.
Indukcyjność pojedynczego zwoju cewki opisuje następujący wzór [65]:
0.01257& 22.303$45 616&
− 29 : [µ ] (4.10)
34 Rys. 4.3.Pojedyńczy zwój cewki, r – promień cewki, d – średnica drutu nawojowego Cewka cylindryczna została opisana równaniem (4.11) [65]:
;<=>
22,9< 25,4$ [µ ] (4.11)
Rys. 4.4. Cewka cylindryczna wielozwojowa, d – średnica drutu nawojowego, l – długość cewki
Wzór na cewkę cylindryczną wielozwojową i wielowarstwową wyrażono równaniem [65]:
0,31;&=>
6& 9ℎ 10* [µ ] (4.12)
l d
35 Rys. 4.5. Cewka cylindryczna wielowarstwowa i wielozwojowa: gdzie n – liczba zwojów w pierwszej warstwie, r- promień cewki, h- wysokość cewki, b – szerokość cewki
Dla cewek spiralnych (4.13) rys. 4.6 i prostokątnych (4.14) rys. 4.7 można zapisać następujące zależności [65][106], gdzie n – liczba zwojów cewki, c=x+y+2h.
0,3937;<=>
8< 11* [µ ] (4.13)
0,0276;C=>
1,908C 9* 10ℎ [µ ] (4.14)
Rys. 4.6. Cewka spiralna, gdzie a – odległość od środka cewki do połowy szerokości uzwojenia, b – szerokość uzwojenia cewki
h
b
r
a
b
36 Rys. 4.7.Cewka prostokątna, gdzie x – szerokość cewki, y – długość cewki
Przedstawione na rysunkach cewki powietrzne są najczęściej stosowanymi rozwiązaniami dla układów o małej mocy.
4.5. Model cewki
Elementem decydującym o sprawności układu bezprzewodowego przesyłu energii
elektrycznej jest cewka, która jest wykorzystywana zarówno do rozsyłania jak i odbierania energii. W układzie bezprzewodowego przesyłu energii bardzo ważne jest
jej prawidłowe zamodelowanie. Idealna cewka posiada tylko jeden parametr jakim jest indukcyjność mierzona w henrach. W większości aplikacji jest ona wykonywana z miedzianego drutu nawojowego, wytrawionej płytki PCB lub licy. W każdym z tych przypadków powstaną jednak pewne straty energii. Wydzielane są one w postaci ciepła na elemencie rezystancyjnym jakim jest drut nawojowy. W związku z tym należy tak dobrać model cewki rzeczywistej, aby uwzględniał również te straty.
Układ bezprzewodowego przesyłu energii posiada nie tylko straty na cewce indukcyjnej, lecz również na składowych układu sterującego sygnałem zasilającym.
Część związana jest ze stratami na elementach elektronicznych układu takimi jak tranzystory sterujące lub przewody łączące. Natomiast pozostała część jest związana ze strumieniem rozproszenia tym większym im większy jest współczynniki k. Dla
y x
h-wysokość zwojów b - szerokość zwojów
37 wysokich częstotliwości uwzględnia się w modelu cewki jej rezystancję (RL) oraz dodatkowo pojemność między zwojami. Natomiast w układach działających w zakresie częstotliwości kilohercowych tę pojemność można pominąć. Przyjmuje się wtedy schemat zastępczy jak na rysunku 4.8.
Rys. 4.8. Schemat zastępczy cewki rzeczywistej
Energię traconą na rezystancji przewodnika, z którego wykonano cewkę indukcyjną można obliczyć ze wzoru:
)D EF( , G ;G>H
IJ
(4.15)
Natomiast energię pobraną przez cewkę wyznaczamy ze wzoru:
)F ( ,;G>
G
H
IJ ,;G> G (4.16)
Napięcie na cewce rzeczywistej (u(t)) opisano wzorem:
K;L> EF,;L> ,;L>
L (4.17)
Impedancje cewki można zapisać jako szeregowo połączoną rezystancję drutu nawojowego wraz z reaktancją cewki. Rezystancja drutu dla układów zasilanych prądem stałym jest zależna od rezystywności ;M> drutu, jego długości oraz od powierzchni pola przekroju. W przypadku układów zasilanych prądem przemiennym należy uwzględnić występowanie efektu naskórkowości. Zjawisko to polega na wypieraniu prądu ku powierzchni przewodnika. Efekt ten nasila się wraz ze wzrostem częstotliwości. Zgodnie ze wzorem (4.18) wyznacza się głębokość wnikania prądu N [65]:
N 1
OPQM [R] (4.18)
38 Gdzie f – częstotliwość, µ - przenikalność (µ=µ0µr), M – konduktywność materiału, Znając wartość N można wyznaczyć rezystancję przy zadanej częstotliwości (4.19) [65].
EST $ UPQ
ON [V] (4.19)
Gdzie l – długość drutu nawojowego, d – średnica drutu nawojowego, W przypadku reaktancji wylicza się ją ze znanych wzorów z literatury [6].
4.6. Model obwodowy indukcyjnego przesyłu energii
Układy bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej można rozpatrywać jako układ dwóch cewek powietrznych sprzężonych ze sobą, działających przy dużej szczelinie powietrznej. Układ przedstawiono na rysunku 4.9.
Rys. 4.9. Schemat modelu układu bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej z cewkami powietrznymi
Układ równań opisujących model bezprzewodowego przesyłu energii można zapisać następująco (4.20):
W EF , XYXH XYXHZ
0 EF , ,
L ,
L
(4.20)
Z modelu obwodowego metodą eliminacji sprzężeń można wyznaczyć impedancję układu (rys. 4.10)
M
39 Rys. 4.10. Schemat modelu układu bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej
z cewkami powietrznymi
Impedancja zastępcza układu widziana z punktu zacisków źródła zasilanie E jest zgodna ze wzorem (4.21).
[\]^ E _`F `a
E E Xb _`F (4.21)
Przedstawiony układ posiada impedancję całkowitą zależną od indukcyjności cewki nadawczej. Nie jest on skompensowany, więc pojawiają się straty w postaci mocy biernej. Kompensację układu można wykonać poprzez wprowadzenie części nadawczej w stan rezonansu i podłączenie kondensatora kompensującego do części odbiornika.
4.7. Rezonans oraz kompensacja mocy biernej w układzie
Układy indukcyjnego przesyłu energii elektrycznej, posiadające w budowie tylko cewki nadawcze i odbiorcze, posiadają niską sprawność [26]. Jednym ze sposobów na zwiększenie sprawności układu jest skompensowanie reaktancji indukcyjnej po stronie nadawczej poprzez wprowadzenie układu w stan rezonansu napięć lub prądów. Układ nadawczy w stanie rezonansu napięć został przedstawiono na rysunku 4.11. Układ ten oznaczono symbolem LCs [15].
Rezonans napięć po stronie nadawczej układu (LCs)
Rys. 4.11. Schemat układu z rezonansem szeregowym po stronie nadajnika
40 Równanie oczka w postaci czasowej wyznacza się ze wzoru:
W EF , ,
L 1
c ( , L (4.22)
Natomiast impedancji układu nadawczego bez uwzględnienia sprzężenia wyznacza się ze wzoru (4.23)
[\]^ EF _ 6d 1
dc 9 (4.23)
Stąd też wynika ze układ w stanie rezonansu będzie miał najniższa impedancję równą RL1. Warunek rezonansu jest zgodny z równaniem (4.24)
d 1
c (4.24)
Wartość pojemności kondensatora w celu osiągnięcia rezonansu dobieramy ze wzoru (4.25):
c 1
d (4.25)
Drugim rodzajem kompensacji jest wprowadzenie części nadawczej układu w stan rezonansu prądów, które oznaczono symbolem LCr. Schemat przedstawiono na rysunku 4.12
Rezonans prądów po stronie nadawczej układu (LCr)
Rys. 4.12. Schemat układu z rezonansem prądów po stronie nadajnika Równania układu w postaci czasowej przestawiono we wzorze (4.26)
W e f , L
EF , ,
L − 1
c ( , L 0 (4.26)
.
.
41 Impedancja wejściowa jest opisana zależnością (4.27)
[\]^ ;EF _d > g_ 1dc h
;EF _d > _ 1dc
g_ Edc − c hF
EF _d _ 1dc E c (4.27) Natomiast pulsacja rezonansowa jest zgodna z zależnością (4.28) :
d U 1
c − 6E 9 (4.28)
Kompensację układu odbiorczego wykonuje się włączając kondensator szeregowo lub równolegle do obwodu. Wymienione połączenia przedstawiono na rysunku 4.13 i 4.14.
Rys. 4.13. Schemat układu odbiorczego z kompensacją szeregową
Rys. 4.14. Schemat układu odbiorczego z kompensacją równoległą
W zależności od rodzaju konfiguracji obwodu dwucewkowego dobiera się wartość kondensatora kompensującego. Możliwe jest dobranie kondensatora o stałej wartości, wtedy sprzężenie układu występuje tylko w jednej odległości i dla jednej częstotliwości.
Innym przykładem kompensacji jest przełączanie wartości pojemności kondensatora po stronie odbiorczej lub po stronie nadawczej, jeżeli układ sterujący posiada taka
42 możliwość. Ostatnią opcją jest dopasowanie częstotliwości układu tak, aby osiągnąć pełną kompensację [28].
