Bezprzewodowe ładowanie pojazdów elektrycznych

© cleantechnica.com

Obecnie najbardziej powszechnie stosowana metoda bezprzewodowego transferu mocy (Wireless Power Transfer, WPT) jest realizowana za pomocą zmiennych w czasie pól magnetycznych o niskiej do wysokiej częstotliwości (od 30 kHz do 30 MHz). Technologia ta określana jest również jako ‘indukcyjne WPT’ lub ‘pole magnetyczne WPT’. Ładowarki bezprzewodowe działają znacznie poniżej częstotliwości radiowych, znajdujących się wszędzie wokół nas. W przeciwieństwie do promieniowania wysokoenergetycznego (jonizującego), pola elektryczne i magnetyczne (Electric and Magnetic Fields, EMF) w niejonizującej części widma elektromagnetycznego nie mogą bezpośrednio uszkadzać DNA ani komórek.

Przy częstotliwościach używanych do bezprzewodowego ładowania pojazdów elektrycznych, pola magnetyczne są obojętne na obecność powietrza, wody, lodu, betonu, drewna, tworzyw sztucznych i innych, powszechnie stosowanych materiałów niemetalicznych. Przechodzą przez te obiekty i ludzkie ciało bez żadnej interakcji lub wyrządzania jakiejkolwiek szkody. Pozwala to również na tworzenie hermetycznie zamkniętych konstrukcji ładowarek, które są bezpieczniejsze i bardziej wytrzymałe niż w przypadku ładowania stykowego lub przewodowego. System bezprzewodowy minimalizuje również ryzyko porażenia prądem. Najnowszy raport IDTechEx ‘Wireless Charging Market for Electric Vehicles 2023-2033: Technology, Players and Forecasts’ zawiera szczegółowe omówienie standardów i funkcji bezpieczeństwa związanych z bezprzewodowymi systemami ładowania pojazdów elektrycznych.

Aktywne metody ekranowania

Z punktu widzenia bezpiecznego działania bezprzewodowych ładowarek EV, ważnym zagadnieniem jest ekranowanie. Brak odpowiedniego ekranowania może skutkować następującymi problemami: pole magnetyczne może zakłócać działanie pojazdu elektrycznego lub innych obiektów, powodować nagrzewanie się akumulatora oraz cyrkulację prądu w metalowych częściach. Istnieją dwie podstawowe metody ekranowania źródeł magnetycznych o niskiej i średniej częstotliwości, które obejmują zastosowanie ferrytów zapewniających kierunkowość strumienia magnetycznego oraz płyt aluminiowych w celu zminimalizowania upływu pola. IDTechEx przeprowadziło wywiady z różnymi firmami z branży i wykazało, że ekranowanie jest umieszczane najczęściej pod podkładką nadawczą i nad podkładką odbiorczą. W raporcie stwierdzono, że zamiast swobodnie emitować pole elektromagnetyczne, konstruktorzy przetwarzają pole magnetyczne tak aby było one zatrzymywane na elemencie ekranującym, ponieważ ma ono właściwości rezonansowe, jest silnie sprzężone i odpowiednio ukształtowane.

Systemy bezpieczeństwa: FOD I LOP

Bezpieczeństwo bezprzewodowych ładowarek do pojazdów elektrycznych jest dodatkowo zwiększone dzięki zastosowaniu systemów wykrywania ciał obcych (foreign object detection, FOD) i ochrony obiektów żywych (living object protectioni, LOP). Systemy te identyfikują wszelkie metalowe przedmioty między podkładką nadawczą a odbiorczą i wstrzymują przekazywanie energii. Jest to ważne, ponieważ metalowe przedmioty, nawet tak małe jak spinacze do papieru lub monety, mogą się nagrzewać i stwarzać ryzyko poparzenia. System FOD może być oparty na różnych technologiach. Na przykład czujniki pojemnościowe w podkładce odbiorczej mogą służyć do monitorowania działania cewek. Metalowy przedmiot na podkładce zmienia pojemność, umożliwiając wykrycie jego obecności. Jednak rozwiązanie to nie wykrywa obiektów organicznych, takie jak zwierzęta (np. owady). Do wykrywania zarówno metalowych, jak i organicznych obiektów na podkładce i wyłączania procesu ładowania w przypadku wykrycia przeszkody, mogą być stosowane czujniki optyczne wokół krawędzi płyty, wykorzystujące diody podczerwieni i detektory fotodiod, a nawet systemy Lidar.

Kategorie metod FOD stosowanych w bezprzewodowych systemach ładowania pojazdów elektrycznych. Źródło: © IDTechEx

Standardy bezprzewodowego ładowania pojazdów elektrycznych

Bezprzewodowe ładowanie sprawia ułatwi eksploatację EV, jednak jeśli każda firma tworzy własne standardy dla bezprzewodowych systemów ładowania, które nie będą kompatybilne z innymi, nie będą one miały sensu. Aby bezprzewodowe ładowanie pojazdów elektrycznych było bardziej przyjazne dla użytkownika, kilka międzynarodowych organizacji, takich jak Electro Technical Commission (IEC), Society of Automotive Engineers (SAE), Underwriters Laboratories (UL) Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) pracują nad standardami.

• SAE J2954 definiuje WPT dla lekkich pojazdów elektrycznych typu plug-in. Zgodnie z tą normą, poziom 1 oferuje maksymalną moc wejściową 3,7 kW, poziom 2 oferuje 7,7 kW, poziom 3 11 kW, a poziom 4 22 kW. Minimalna docelowa wydajność musi być większa niż 85% po wyrównaniu. Dopuszczalny prześwit pod pojazdem powinien wynosić do 10 cali, a tolerancja na boki do 4 cali. Najbardziej preferowaną metodą wyrównania jest triangulacja magnetyczna, która pomaga utrzymać się w zasięgu ładowania podczas ręcznego parkowania i pomaga znaleźć miejsca parkingowe dla pojazdów autonomicznych.
• Norma SAE J1772 definiuje przewodzący łącznik ładowania EV/PHEV.
• Norma SAE J2847/6 definiuje komunikację między pojazdami ładowanymi bezprzewodowo a bezprzewodowymi ładowarkami EV.
• Norma SAE J1773 definiuje sprzężone ładowanie indukcyjnie pojazdów elektrycznych.
• Norma SAE J2836/6 definiuje przypadki użycia dla bezprzewodowej komunikacji ładowania dla PEV.
• Dokument UL 2750 definiuje zarys badania dla WEVCS.
• Norma IEC 61980-1 Cor.1 Ed.1.0 określa wymagania ogólne dotyczące systemów EV WPT.
• IEC 62827-2 Ed.1.0 definiuje zarządzanie i kontrolę wielu urządzeń WPT.
• Norma IEC 63028 Ed.1.0 definiuje specyfikację podstawowego systemu rezonansowego WPT-Air Fuel Alliance.

Źródła: IPTechEx, Circuitdigest.com

Zapraszamy na jednodniowe targi elektroniki we Wrocławiu! Zapisz się