Desendollant el vehicle elèctric

Resum de l’article “Cutting the Cord” de IEEE Electrification Magazine / Setembre 2013

Càrrega estàtica i dinàmica a distància de vehicles elèctrics (VE)

Cada vegada es demanen més inversions en energies renovables, sobretot al sector del transport, però cal tenir en compte la quantitat d’energia necessària. El petroli, tot i la contaminació atmosfèrica i gasos d’efecte hivernacle, en aquest sector, ja la satisfà.

Els sistemes de transport impulsats per electricitat poden ajudar a reduir el consum de petroli; emprant la electricitat, com energia neta i renovable. Realitzant càrregues en períodes de baixa demanda (de nit).

En aquest article es presenta una nova tecnologia anomenada IPL - transferència d’energia inductiva –es a dir, càrrega sense contacte, sense cables.

Moviment cap a un millor transport elèctric

El model de transport elèctric precisa l’emmagatzematge d’energia “onboard”; els dispositius actuals precisen moltes millores per poder competir amb el petroli.

Considerant les limitacions d’emmagatzematge “onboard” apareix l’ hibridació i el canvi de bateries.

El vehicle híbrid és aquell vehicle elèctric al que s’afegeix un motor de combustió. Això augmenta el pes, el cost i es segueix emprant hidrocarburs.

En el cas de canvi de bateries, a remplaçar en estacions especialitzades, pot portar problemes de propietat, paquets addicionals, més costos en general.

Una alternativa al vehicle híbrid seria permetre una càrrega d’energia amb el vehicle en marxa; anomenada càrrega dinàmica. Això representaria una hibridació del VE amb la xarxa elèctrica. A llarg termini, la càrrega a distància ha de ser possible entre el VE i la xarxa elèctrica amb el VE en moviment.

A la figura 1 es veuen alguns exemple, com aprofitar el pujar i baixar de passatgers a un autobús, aprofitant trams de carretera o en zones amb semàfors i velocitat baixa.

Una historia incompleta de càrrega sense cables de VE

La historia de la transferència de càrrega sense cables va començar l’any 1891 la famosa bobina de  Nicola Tesla. La bobina de Tesla va ser capaç de transferir energia amb una el eficàcia del 85 %. El següent pas va ser a l’any 1894, amb Hutin i Leblanc que van patentar un transformador per impulsar tramvies sense contacte. Van emprar materials ferromagnètics, el sistema no va ser un èxit comercial. Als anys 90, els investigadors a la Universitat de Califòrnia, Berkeley, van construir un autobús elèctric per 35 passatgers. Aquests resultats van demostrar el potencial de la tecnologia, però van ser limitats pel tamany del sistema i el baix numero d’operacions.

Els investigadors de la Universitat d’Auckland als anys 90 van començar un treball preliminar de carregadors i van dissenyar una la “plataforma” per càrrega immòbil de EVS. Un dels dissenys es 766 mm x 578 mm que entrega 7kWs amb una eficàcia de més del 90 % a una distancia de 20 cm. Van proposar dissenys de multibobina per càrrega dinàmica.

L’any 2008, investigadors a van construir varis prototips d’ EVS, anomenats en línia. S’han desenvolupat tres generacions de sistemes IPT, l’eficàcia del sistema arriba aproximadament al 70 %.

Els components del Sistema IPT

Un sistema típic IPT consisteix en dos subsistemes físicament separats amb la transferència d’energia per inducció. Els components del sistema IPT es mostren a la figura 2. El primari i el  secundari estan equipats amb tots els sensors necessaris. Els mòduls de comunicació s’empren per afegir un nivell remot de control del sistema i assegurar la càrrega de forma eficient.

Convertidor primari i circuit de compensació

La major part de tecnologia es basa en la conversió ac-dc-ac de dos etapes. Una etapa de factor de energia unitari o filtres de línia trifàsics, a l’ entrada per reduir el canvio de potencia reactiva i la contaminació harmònica de la xarxa.

La bobina primària és dominantment inductiva, el augment de la freqüència de senyal augmentarà la potència (VA). Hi ha un circuit de compensació entre l’ inversor i la bobina primària. El circuit de compensació consisteix en un o varis elements reactius (inductors i condensadors). Veure la  Figura 3. Tenim la compensació (a) sèrie amb el transformador per eliminar el flux de potència reactiva, i el transformador per aïllament galvànic a més de la corresponent impedància. Limitat per tenir la corrent constant amb variacions de càrrega. La paral·lela (b) que distribueix la potència (VA) i redueix la tensió sobre components individuals. La corrent en la bobina es controlada per la magnitud de la font de tensió d’entrada. I altre variant (c), inclou un condensador en sèrie emprat per controlar la posició de VA del inversor o assegurar " la commutació de corrent cero " a l’ inversor.

 

Bobines Inductivament acoblades

El disseny de les bobines acoblades és molt important en la eficiència del sistema, és un component crític del sistema IPT. Els conductors de la bobina se fan amb cables Litz per la seva petita resistència a altes freqüències. El material ferromagnètic s’ utilitza per millorar el coeficient d’ acoblament i contenir el flux magnètic. Per carregadors sense fils estàtics, una combinació de material ferromagnètic i alumini s’ utilitza per maximitzar el coeficient d’ acoblament i garantir que el flux produït està totalment contingut sota del vehicle.

Circuit de compensació secundari i condicionador de potència.

La potencia transferida a una bobina receptora de un sistema de IPT és directament proporcional al producte de la corrent de circuit obert. Mitjançant l’ús del circuit de compensació i el fenomen de ressonància al secundari, la capacitat de potència i eficiència es poden augmentar en proporció al factor de qualitat del circuit ressonant resultant. La configuració típica del circuit de compensació secundaria es similar a la del circuit de compensació primària, però els criteris que porten a una estructura i disseny òptim són diferents. El regulador de DC controla el factor de qualitat del receptor i proporciona una potència constant.

Las preocupacions de salut y seguretat relacionades amb la pèrdua de flux magnètic

Degut a les preocupacions sobre l’ exposició a llarg termini als camps magnètics, els dissenys sense fils de càrrega han de complir ambles normes establertes d’emissions magnètiques. Aquestes limiten la potència màxima i la distància a la que l’energia pot ser transferida mitjançant inducció. Per freqüències de 3-100-kHz, el nivell màxim d’ exposició professional és der 100µT y per el públic en general de 27µT. Es precisen modificacions menors per contenir el campo magnètic para complir les normes pertinents. Amb escuts de metall d’ alumini es protegeix l’interior del vehicle, i amb els anells d’alumini de les plataformes primària i secundària per limitar el campo de dispersió lateral.

Sistemas de IPT para carga EV

Carregador sense fils estàtics per vehicles elèctrics

Evidentment la eficiència de la càrrega amb fils es més alta però la sense fils té els seus mèrits. Poden ser completament autònoms, amb una mínima acció del conductor i millora la seguretat del procés de càrrega. Cal tenir en compte que el camp magnètic pot constituir un perill si es col·loca un objecte a l’enllaç magnètic. Per tant el sistema ha de tenir un sistema d’ identificació d’ objectes estranys que apagui el sistema quan hi hagi una obstrucció a l’enllaç magnètic.

El concepte és molt adequat per aplicacions del transport públic, com quan la gent puja i baixa del autobús. Aquest concepte s’està utilitzant a dos línies de transport públic a Torí a d’altres ciutats

El disseny de un carregador estàtic consisteix de una plataforma principal soterrada i un altre a la part inferior del vehicle. Veure figures 4 i 5. Un sistema de guia automàtica instal·lat al vehicle pot ajudar al conductor a alinear el vehicle.

La càrrega dinàmica de vehicles elèctrics (VE)

Cal tenir present els requeriments d’ infraestructura per la càrrega sense fils dinàmica. Es van considerar tres vehicles (cotxe compacte Honda Insight; cotxe gran: Chevrolet Impala i un SUV: Ford Explorer), amb bateries petites ( de 8, 11 y 15 kWh, respectivament) i en tres tipus de conducció: urbana (UDDS), en carretera (HWFET) i en carretera en una regió muntanyosa (HW-MTN). L’autonomia és molt curta, mai  superior a 50 milles (veure la Taula 1).

 

A la Taula 2 es veu quina cobertura precisen els vehicles per cada 300 milles.

La figura 6 mostra la velocitat en funció del temps de la UDDS. Es mostra el mateix tipus de conducció, pels tres vehicles.

 

La potència al vehicle es considera que es de 30 kW. El resultat operatiu donen resultats prometedors.

Implementació del Sistema de càrrega dinàmica

Como s’ha dit anteriorment, un sistema de càrrega dinàmica consta d’ una bobina de origen instal·lada en el camí, i un sistema receptor connectat al xassís del vehicle.

Amb el disseny d’una sola bobina és redueix la complexitat del sistema, el control es simplifica, és redueix el número de convertidors y l’acoblament font-receptor és constant. Però el coeficient d’acoblament font-receptor és relativament baix degut al flux desacoblat de la bobina de font; les emissions de camp en las secciones desacoblades de la bobina s’han de contenir per seguretat  i la gran inductància de la bobina fa que els condensadors distribuïts han de compensar per limitar la tensió als terminals de la bobina. Un exemple de la pista allargada es veu a la figura 7. Per exemple, la segona generació d’ autobusos per el IPT de Kaits porta deu plataformes de 6kW. A la font, la bobina agrupada emprada pels carregadors sense fils fixes es substitueix per un cable conductor allargat soterrat a la carretera. Tot i que els nous dissenys tenen un rendiment al voltant del 70%, encara es pot millorar. En teoria, la eficiència dels carregadors dinàmics pot arribar als dels estàtics utilitzant bobines d’origen segmentades optimitzades dissenyades per la càrrega estàtica.

Tenint en compte el disseny de la bobina segmentada, els problemes de contenció de campo, la gran inductància pròpia de la bobina, i les dificultats de compensació d’ impedància de la bobina són fàcils de tractar. Però, desenvolupar una estratègia per l’ alimentació dels segments units és un repte, es necessària una retroalimentació i un mètode per energitzar i des energitzar bobines segons sigui necessari.

La figura 8 mostra una implementació del banc de proves d’ un sistema de carga dinàmic, construïda a Carolina del Norte. El sistema consta de tres bobines d’origen, idèntics a la bobina receptora, amb petits receptors d’ indicadors col·locats en cada segment de la bobina de font que s’ utilitzen com a indicadors qualitatius de la força del camp magnètic present a la bobina. Els segments de la bobina son impulsats ​​per un inversor comú. El objectiu de la manifestació del banc de proves era mostrar la capacitat d’un nou mètode d’ enfocar el camp produït per la bobina per sota de la del receptor. La potencia es limita mitjançant la compensació dels segments de bobina, així la ressonància de la bobina es produeix en un desplaçament de la freqüència de funcionament del sistema de freqüència. Degut a la gran impedància reactiva, la corrent als segments de bobina dada es limitada quan la bobina està desacoblada, lo que resulta en un campo relativament dèbil en los segments acoblats de la bobina seccionada. Mitjançant el disseny del receptor para reflectir una gran reactància de nou en la secció de bobina, el camp magnètic de la bobina s’ incrementa automàticament quan la bobina receptora s’ alineà amb el segment particular de la bobina, així, el camp produït per la bobina pot ser controlat per la posició del receptor.

 

Conclusions

En aquest article, s’ha revisat l’ estat dels sistemes IPT i s’ha explorat la idoneïtat de la tecnologia per carregar sense fils els vehicles que funcionen amb bateria. La revisió mostra que la tecnologia IPT és correcte per la càrrega fixa (quan el vehicle està aturat), oportunitat de càrrega (quan el vehicle està aturat per un període curt de temps, per exemple, en una parada d’ autobús), y la càrrega dinàmica (quan el vehicle es mou al llarg d’ un carril exclusiu equipat amb un sistema IPT). En el cas dels carregadors estàtics, els productes estan assolint la seva maduresa. La càrrega dinàmica es un concepte que encarà esta a la seva infantesa, hi ha molta feina a fer per assolir el seu màxim potencial. Els principals obstacles són els costos de seguretat i d’ infraestructura.

La càrrega sense fils dinàmica és una promesa para eliminar parcial o totalment la càrrega durant la nit mitjançant una xarxa compacta de carregadors dinàmics instal·lats en carreteres que mantindrien las bateries dels vehicles carregades i augmentaria la fiabilitats dels VE’s. La càrrega dinàmica pot reduir el preu dels VE ja que permet la reducció de tamany de la bateria De fet, si la energia de recàrrega es fàcilment disponible, les bateries no tenen que suportar tota la gama de conducció, només subministrar energia quan el sistema IPT no estigui disponible.