Огляд основних технологій бездротової зарядки накопичувачів енергії для малопотужних систем

Abstract

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.