Elektromanyetik indüksiyona dayalı kablosuz şarj iletim sisteminin tasarımı ve simülasyonu
Nikola Tesla, elektrik enerjisinin kablosuz iletimini gerçekleştiren, 19. yüzyılda kablosuz güç iletim sistemi için Tesla bobinini icat etti. Geleneksel kablolu güç iletimi daha yüksek verimlilik sağlayabilse de, kablosuz şarjın daha rahat ve düşük maliyetli olması nedeniyle, son yıllarda kablosuz şarj teknolojisi yavaş yavaş olgunlaştıkça, yoğun ilgi ve uygulama alanı bulmuştur. Cep telefonlarını ve diş fırçalarını şarj etmekten elektrikli arabalara ve insansız hava araçlarına kadar, iletim gücü de birkaç watt ile birkaç kilovat arasında değişiyor.
Her zaman herkes tarafından yeni bir enerji seyahat modu olarak görülmüştür ve aynı zamanda yeşil ve çevrenin korunması için olgun bir seyahat sembolüdür. Bu nedenle, Çin'in hafif elektrikli araç endüstrisi son yıllarda% 80'in üzerinde bir büyüme oranını sürdürdü ve Çin'in hafif elektrikli araç üretimi ve satışları dünyanın% 90'ından fazlasını oluşturarak dünyanın en büyük hafif elektrikli araç üreticisi, tüketicisi ve ihracatçısı oldu. Ancak, yakıt bazlı araçların şarj ve dayanıklılık nedenlerinden dolayı görünüşte "yeri doldurulamaz" bir yaklaşıma sahip olduğu ve otomobil satın almak için her zaman ilk tercih olarak görüldüğü yadsınamaz. Kablosuz şarj teknolojisi, elektrikli araç şarjı için ideal bir çözümdür ve şarj sırasında yaşanan rahatsızlık sorununu çözer.
Kablosuz şarjın verimliliğini ve kararlılığını artırmak için birçok araştırmacı, farklı senaryolar için farklı tasarım şemaları önermiştir. Literatürde, Chaneysson ve arkadaşları, yüksek algılama doğruluğu ile kablosuz şarjı temel alan bir epilepsi sinyal dedektörü tasarladı. Literatürde, Liu Xintian ve diğerleri elektrikli araç kablosuz şarj sistemini inceledi, topolojiyi ve kontrol stratejisini tasarladı ve planın uygulanabilirliğini doğruladı. Literatürde Ye Xianwan ve diğerleri, akıllı giyilebilir cihazların ve diğer mikro cihazların şarj verimliliğini ve kontrol edilebilirliğini artırmak için faydalı olan akıllı bir kablosuz şarj sistemi üzerinde çalıştılar.
Şu anda, pil depolama için düşük güç gereksinimleri nedeniyle, kablosuz şarj özellikle elektrikli bisikletler için uygun olacaktır.Elektrikli bisikletler tüketicilerin günlük kısa mesafeli seyahatleri için giderek önemli bir ulaşım aracı haline geldikçe, kablosuz şarj teknolojisi elektrikli bisikletlerin daha da gelişmesini teşvik edecektir. Bu nedenle, bu makale elektrikli bisikletler için 12 V pil şarjı sağlayan bir kablosuz güç iletim sistemi tasarlamaktadır.
1 Elektromanyetik indüksiyon şarj teknolojisi
1.1 Kablosuz şarj teknolojisi sistem yapısı
Kablosuz şarj teknolojisi temel olarak üç şarj yöntemine ayrılmıştır: elektromanyetik indüksiyon, manyetik rezonans ve radyo dalgası Enerji iletimi için fiziksel olmayan temas kullanan yeni bir şarj teknolojisi türüdür.İletim sistemi yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir. Alıcının ve alıcının iki parçası, AD / DC dönüştürme, sürücü, denetleyici, doğrultucu ve diğer bileşenler aracılığıyla yükün kablosuz olarak yüklenmesini gerçekleştirir.
1.2 Elektromanyetik indüksiyon şarjının prensibi
Elektromanyetik indüksiyonlu kablosuz şarj şu anda en yaygın kullanılan kablosuz şarj yöntemidir.Kısa mesafeli kablosuz şarj için uygundur ve yüksek iletim verimine sahiptir. Çalışma prensibi esas olarak Faraday'ın elektromanyetik indüksiyon yasasına dayanmaktadır.İletici uç ve alıcı uçta bobinleri ayarlayarak, verici uç bobin AC güç kaynağına bağlanır.Elektromanyetik indüksiyon yoluyla, alıcı uç bobin, verici uç bobin tarafından üretilen elektromanyetik indüksiyon sinyalini üretmeye neden olabilir. Elektrik akımı yükün şarj olmasını sağlar, temel yapısı Şekil 2'de gösterildiği gibidir.
2 Sistem tasarımı
2.1 Sisteme genel bakış
Bu makale, evde kablosuz şarj veya dışarıdaki halka açık kablosuz şarj istasyonları için kullanılabilecek elektrikli bisikletler için bir kablosuz şarj sistemi tasarlamaktadır.Sistemin şematik diyagramı Şekil 3'te gösterilmiştir. Sistemin park halindeyken elektrikli bisikleti şarj edebilen bir şarj pedi vardır. Verici bobin zemine bir mat üzerine yerleştirilecek ve verici bobin tarafından üretilen manyetik alan, bataryaya DC gücü sağlamak için alıcı bobin aracılığıyla redresöre bağlanan elektrikli bisikletin tabanına takılan alıcı bobinde akımı indükleyecektir.
Seçilen elektrikli bisiklet bataryası 12 V 38AH / 20HR kurşun asit bataryadır ve gerekli iletim mesafesi 100 mm'dir. Kablosuz şarj sisteminin şarj verimliliğini artırmak için, sistemin tasarlanan şarj süresi 6 saattir.12 V 38AH / 20HR kurşun-asit akünün veri sayfasına göre, sistemin şarj gereksinimlerini karşılamak için yaklaşık 14,4 V ~ 15 V gerilime ihtiyacı vardır. Bu nedenle şarj bobininin voltaj ihtiyacına göre tasarlanması gerekmektedir.
2.2 Elektromanyetik tasarım
Rezonans, kapasitif elemanlar ekleyerek devrede endüktans elemanlarının etkisini ortadan kaldırır, böylece sistemin güç faktörünü optimize eder ve reaktansı ortadan kaldırır. Bu teknoloji, yüksek verimlilik ve uzun iletim mesafesi avantajlarına sahiptir ve kablosuz şarj için en uygun teknolojidir. Bu nedenle, sistem, aynı zamanda verici ve alıcı bobinlerinin aynı frekansta rezonansa girmesini gerektiren elektromanyetik indüksiyona dayalı bir kablosuz şarj tasarımı kullanır. Dairesel düzlem bobin, verimlilik ve iletim mesafesi açısından en iyisi olmasa da, sistem nispeten basit simülasyonu, tasarımı ve uygulaması nedeniyle dairesel bir düzlem bobin tasarımı kullanır. Laboratuvarda yapılan simülasyon nedeniyle bobin bükülmüş bakır tel kullanmaktadır ve manyetik çekirdek ihtiyacını ortadan kaldırmak için anahtarlama frekansı aralığı 90 kHz ile 100 kHz arasındadır.Bu yazıda tasarlanan kablosuz şarj sisteminin bobin yapısı Şekil 4'te gösterilmiştir.
2.3 Devre tasarımı
Tam köprü doğrultucu devresi, yarım köprü doğrultucu devresinden daha verimli olduğundan ve merkezden kılavuzlu doğrultucu köprüsünün uygulanması daha kolay olduğundan, tam köprü topolojisi, bir DC şarj sinyali oluşturmak için alıcı bobinin yüksek frekanslı AC sinyalini düzeltmek için tasarlanmıştır. Tam köprü invertörü, DC girişini kablosuz güç iletimi için yüksek frekanslı bir AC sinyaline dönüştürmek için kullanılırken, kompanzasyon ağı bir seri topoloji benimser ve voltajı ayarlamak için sistemde bir doğrusal voltaj regülatörü kullanılır.
2.3.1 İnvertör tasarımı
Tam köprü invertörü, kablosuz güç iletimi için DC girişini yüksek frekanslı AC sinyallerine dönüştürmek için tasarlanmıştır.Aynı zamanda, kompanzasyon ağı, yüksek frekanslı, düşük güçlü, kısa mesafeli uygulamalar için uygun olduğu için bir seri topoloji kullanır. Tam köprülü invertör IRFP260N transistörlerini kullanır Transistörlerin nominal değerleri 200 V, 50 A ve transistör besleme voltajı 15 V, dolayısıyla bir transistör geçit sürücüsü gereklidir. Seçilen transistör geçit sürücüsünün giriş voltajı 12 V ve çıkış voltajı 15 V'tur. Tasarım invertör devre şeması Şekil 5'te gösterilmektedir.
Evirici, 2 geçit sürücüsü ve 4 MOSFET alan etkili transistör içerir. Kapı sürücüsü yüksek ve düşük sinyaller üretebilir. Kısa devrelerden kaçınmak için sol ve sağ sürücüler bir seferde yalnızca bir MOSFET'i açabilir.Sol sürücü MOSFET 1'e yüksek seviyeli bir sinyal ve MOSFET 2'ye düşük seviyeli bir sinyal gönderdiğinde, sağ sürücü MOSFET 4'e yüksek seviye sinyali ve MOSFET 3'e düşük seviye sinyali gönderin. MOSFET 1 ve MOSFET 4 açıldığında, akım soldan sağa yük boyunca akacaktır. Kapı sürücüsü değiştirildiğinde sinyal tersine çevrilir, akım yük boyunca sağdan sola akar ve MOSFET 2 ve MOSFET 3 açılır. Hızlı anahtarlama ile çıkışta bir AC sinyali üretilir.
2.3.2 Doğrultucu tasarımı
Doğrultucu, vericinin yüksek frekanslı alternatif akımını şarj için doğru akıma dönüştürür.Doğrultucuda kullanılan diyotun maksimum akım kapasitesi 3 A olmalıdır. Bu nedenle, 1N5401 diyot kullanmayı seçin, kapasite 3 A, 70 V, doğrultucunun maksimum verimliliği% 81,2, 4 diyot ve 0,48 dalgalanma faktörü gereklidir. Dalgalanmanın filtrelendiğinden emin olmak için, çıkış ucuna büyük bir kapasitörün bağlanması gerekir.Seçilen kapasitans 100 F'dir.Tasarlanan tam köprü doğrultucu Şekil 6'da gösterilmiştir.
3 ANSYS Maxwell simülasyonu
ANSYS Maxwell, motorlar, aktüatörler, sensörler ve transformatörler gibi elektromanyetik ve elektromekanik ekipmanları tasarlamak ve analiz etmek için kullanılan bir elektromanyetik alan simülasyon yazılımıdır. Bobinler arasındaki öz endüktans katsayısını, karşılıklı endüktans katsayısını ve kuplaj katsayısını belirlemek için bobinin tasarımını simüle etmek için ANSYS Maxwell'i kullanın.
Verici ve alıcı bobinlerin dizaynı aynı, bobin 10 dönüşlü, tel çapı 1.41 mm, yarıçap değişiklikleri 5 mm, bobinin dış çapı 200 mm ve bobin iç çapı 100 mm'dir. Bobinler arası mesafe 10 mm ile 200 mm arasında değişmektedir. Verici ve alıcı bobinlerinin tasarımını modellemek ve simüle etmek için ANSYS Maxwell yazılımını kullanın.Simülasyon modeli ve hesaplama sonuçları Şekil 7 ve Şekil 8'de gösterilmektedir.
Simülasyon sonuçlarından, 50 mm iletim mesafesinde, verici öz endüktans katsayısı 19,54 H, alıcı öz endüktans katsayısı 19,55 H, verici ve alıcı karşılıklı endüktans katsayısı 5,68 ve katlar arası kuplaj katsayısı 0,2912'dir. Karşılıklı endüktans ve kuplaj katsayısının iletim mesafesi 10 mm ile 200 mm arasında değişir. Simülasyon sonuçları, tasarlanan bobinin gereksinimleri karşıladığını göstermektedir.
4. Sonuç
Bu kağıt, bir kablosuz güç iletim sistemi tasarlar, elektromanyetik ve devre parçalarının tasarımını tamamlayarak dairesel bobin modelini elde eder ve bobini başarıyla üretir. Bobinin tasarımını simüle etmek ve doğrulamak için ANSYS Maxwell simülasyon yazılımını kullanın Vericinin hesaplanan kendi kendine endüktansı 19,54 H, alıcının kendi kendine endüktansı 19,55 H ve verici ile alıcının karşılıklı endüktansı 5,68. Simülasyon sonuçları bobinin tasarımının makul olduğunu göstermektedir. mümkün.
Referanslar
MOU X, SUN H. Kablosuz güç aktarımı: anket ve yol haritası. 2015 IEEE 81. Araç Teknolojisi Konferansı (VTC Baharı). IEEE, 2015: 1-5.
PELLITTERI F, BOSCAINO V, DI TOMMASO A O, et al. 100W pil şarjı için endüktif güç aktarımı. IECON 2013-39. IEEE Endüstriyel Elektronik Topluluğu Yıllık Konferansı. IEEE, 2013: 894-899.
Qiu Yanan, Chen Bo, Gu Chunqing Elektrikli bisikletler için şarj cihazlarının geliştirme durumunun analizi Elektrikli bisikletler, 2016 (9): 37-38.
Chaney letter, Zhu Yunfan, Shi Huan ve diğerleri.Kablosuz şarj ve kablosuz iletişim için implante edilebilir bir epilepsi sinyal dedektörü.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (7): 76-80.
Liu Xintian, Qin Wenwen, Zheng Xinxin.Elektrikli Araçlar için Kablosuz Şarj Sisteminin Topolojisi ve Kontrol Stratejisi Üzerine Araştırma. Elektronik Teknolojinin Uygulanması, 2017, 43 (5): 155-158.
Ye Xianwan, Jiang Bibo, Li Yuewei. Akıllı Kablosuz Şarj Sisteminin Tasarımı. Bilgisayar Ölçümü ve Kontrolü, 2018, 26 (6): 239-243.
Cheng Guangming. Elektrikli araçlar için hızlı şarj cihazları araştırması. Nanjing: Nanjing Havacılık ve Uzay Üniversitesi, 2016.
Ji Lele, Gao Wengen, Chen Zongyu. Elektrikli araç kablosuz şarj sisteminin tasarımı ve simülasyonu. Journal of Jiamusi University (Natural Science Edition), 2019, 37 (2): 206-210.
Bai Guanglei, Jiang Hao, Shi Jiawen ve diğerleri.Genişletilmiş kablosuz şarj Qi protokolüne dayalı veri toplama yöntemi.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (11): 76-80, 85.
Wu Yingkai, Wang Xudong, Wang Jike, vb. Verimlilik öz kalibrasyonuna dayalı manyetik rezonans kablosuz şarj sistemi tasarımı Elektronik teknoloji ve yazılım mühendisliği, 2016 (13): 130-132.
YAN W, CHEN J. Manyetik kuplaj rezonanslı kablosuz güç aktarım devresinin genel tasarımı.IOP Konferans Serisi: Dünya ve Çevre Bilimi. IOP Yayıncılık, 2017, 69: 012197.
Wang Zhenyu, Zhu Yuchuan. GMM aktüatörünün elektromanyetik simülasyonu ve yer değiştirme çıkışı üzerine deneysel araştırma. Piezoelectric and Acousto-Optic, 2019, 41 (2): 210-212, 216.
yazar bilgileri:
Tian Xiaosong1, Yang Hua2, Cai Xianyun1, Gu Miao3
(1. Guizhou Power Grid Co., Ltd. Zunyi Bozhou Güç Kaynağı Bürosu, Zunyi 563000, Guizhou;
2. Guizhou Power Grid Co., Ltd. Zunyi Güç Kaynağı Bürosu, Zunyi, Guizhou 563000; 3. Zhuhai Heishi Electric Automation Technology Co., Ltd., Zhuhai, Guangdong 519000)
