انتقال بی سیم برق در خودروهای الکتریکی
خودروهای الکتریکی از مهمترین بخش‌ها برای کاربرد انتقال بی سیم برق هستند و طرح‌های خوبی هم برای آنها ارائه شده که برخی از آنها را در ادمه معرفی می‌کنیم.
یکی از ایرادهای بزرگ خودروهای الکتریکی، زمان طولانی شارژ آنها است و تکنولوژی شارژ بی سیم می‌تواند تا حدی این مشکل را با استفاده از شارژ از کف جاده، حل کند. این روش به خصوص برای خودروهایی که مسیر مشخص و تکراری دارند (مانند اتوبوس‌ها) به راحتی قابل اجر است.
مهمترین چالش در زمینه انتقال بی سیم برق به وسایل نقلیه، حجم بالای انرژی است که باید به خودرو منتقل شود. وسایل معمول مورد استفاده روزانه، مصرف انرژی الکتریکی کمتر از 100 وات دارند، به همین دلیل اضافه کردن تکنولوژی شارژ (یا انتقال توان) بی سیم برای آنها نسبت به خودروها که مصرف زیادی دارند، به راحتی قابل انجام است.
اولین مسئله مرتبط با انتقال توان به خودرو نیز همین مصرف زیاد (بیشتر از 1 کیلو وات) می‌باشد. با افزایش توان، مسائل بسیاری از قبیل استفاده از نیمه‌رساناهای توان بالا، مواد فرومغناطیس، ایمنی میدان مغناطیسی، بازده انتقال، گرمای تولید شده، وزن، سایز و هزینه نیز مطرح می‌شوند که پیچیدگی طرح را بالا می‌برند.
در سال 1994 یک گروه تحقیقاتی به رهبری دانشگاه UC Berkeley بر روی امکان انتقال بی سیم برق به خودروها مطالعه کردند. آنها ثابت کردند که می‌توان توان 10 کیلووات را به ازای هر ماژول و با بازده 60%، از تجهیزات کار گذاشته شده در زیر جاده، به خودرو، منتقل کرد.
فاصله هوایی بین سطح جاده و زیر خودرو، 7.5 سانتی‌متر و جریان انتقالی برابر با 2000 آمپر بود. خودرو به گونه‌ای طراحی شده بود که توان الکتریکی را به صورت بی سیم در هنگام حرکت و یا در حالت ایستاده دریافت کند. این تحقیق، انگیزه‌ای بود برای تحقیقات آتی، ولی فاصله هوایی برای جاده‌های واقعی مناسب نبود (اکثر خودروها فاصله هوایی بیش از 12 سانتی‌متر دارند). همچنین، جریان 2000 آمپر به اندازه‌ای بزرگ است که می‌تواند میدان مغناطیسی بسیار پرقدرتی تولید کند که آیین‌نامه محدودیت میزان میدان مغناطیسی منتشر شده اکثر کشورها را نقض می‌کند.
گروه‌های تحقیقاتی بسیاری از دانشگاه‌ها، مؤسسات پژوهشی و شرکت‌های خودروسازی در حال کار بر روی استفاده از این تکنولوژی بر روی خودروهای الکتریکی و هیبرید هستند. شکل زیر مجموعه شارژ بی سیم برای خودرو را نشان می‌دهد که در آن، انرژی از فرستنده قرار گرفته بر روی زمین به گیرنده بر روی خودرو منتقل می‌شود. فرستنده را می‌توان در زیر سطح جاده و یا بالای سقف خودرو (به طور مثال برای اتوبوس‌ها و قطارها) نیز، قرار داد.
میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی
انرژی الکتریکی معمولاً با حرکت الکترون‌ها در یک رسانا و یا نیمه‌رسانا، هنگامی که فرستنده و گیرنده به صورت الکتریکی به یکدیگر متصل هستند، منتقل می‌شود. هنگامی که فرستنده و گیرنده به صورت الکتریکی به یکدیگر متصل نیستند، میدان مغناطیسی می‌تواند به عنوان محیطی برای انتقال انرژی مورد استفاده قرار بگیرد. طبق روابط ماکسول (روابط زیر)، میدان الکتریکی متغیر با زمان، میدان مغناطیسی تولید می‌کند:
کوپلینگ القایی
انتقال بی سیم الکتریسیته توسط القا، برای مدت‌های طولانی در مسواک‌های برقی مورد استفاده بوده است. در این حالت، انرژی الکتریکی فقط در فاصله چند میلی‌متری مطابق با شکل‌های پایین، منتقل می‌شود. اگر فاصله کویل‌ها کم باشد، میدان نشتی کم شده و بازده‌های در حدود 60 تا 90 درصد قابل دستیابی هستند.
ایرادات کوپلینگ القایی عبارت‌اند از:
- فاصله به شدت روی بازده تأثیر می‌گذارد.
- دو کویل باید به خوبی هم محور باشند.
دو ایراد فاصله و هم محوری تا حدودی با اعمال پدیده تشدید، قابل حل شدن است.
سیستم انتقال بی سیم برق، از منبع توان، کویل فرستنده، کویل گیرنده و بار، تشکیل شده است. طراحی هر بخش در کارکرد کلی مجموعه، دارای اهمیت است.
ابعاد کویل، طراحی مدار، بازده، شکل میدان مغناطیسی و … همگی در این انتقال تأثیرگذار هستند. به همین دلیل نوع منبع، توپولوژی کویل، نوع تغذیه (انتقال) و مصرف کننده باید به درستی انتخاب شوند. در شکل (3-6) انواع تغذیه (انتقال)، برای کویل‌های فرستنده و گیرنده نشان داده شده است.
همان‌طور که در شکل بالا دیده می‌شود، در سمت چپ تغذیه غیر مستقیم نشان داده شده است که در این حالت کویل‌های منبع و فرستنده جدا هستند. در این حالت چون مقاومت منبع و مصرف کننده به حساب آورده نمی‌شوند و فاصله انتقال توان می‌تواند افزایش یابد، کویل‌های فرستنده و گیرنده دارای مقادیر فاکتور Q بالایی هستند. مشابه با سایر سیستم‌ها با فاکتور Q بالا، این سیستم می‌تواند نسبت به پارامترهای طراحی، بسیار حساس باشد. همچنین پایداری دارای اهمیت زیادی است.
در طراحی کویل‌های سیستم انتقال توان بی سیم، فاکتور Q به شکل قابل ملاحظه‌ای بازده انتقال توان را تحت تأثیر قرار می‌دهد. در شکل پایین کویل‌های با فاکتور Q بالاتر، در صورتی که فرکانس توان منتقل شده و فرکانس تشدید سیستم دقیقاً یکسان باشند، می‌توانند به بازدهی بالاتری دست پیدا کنند. با این وجود، در صورتی که تغییراتی در فرکانس تشدید به دلایل مختلف از قبیل تغییرات دما و تغییرات فرآیندی به وجود آید، بازده می‌تواند تغییر کند.
در شکل پایین دو نوع کویل فرستنده و گیرنده با انواع تشدیدهای مختلف نشان داده شده است. در شکل سمت چپ کویل خود تشدید شونده نشان داده شده است که سیم لوله شده به دلیل اندوکتانس و ظرفیت خازنی که بین هر دور از سیم وجود دارد، دارای تشدید مخصوص به خود است. در شکل سمت راست، یک مدار LC نشان داده شده است که در آن کویل و خازن، تشدید به وجود می‌آورند.
طراحی خودروهای الکتریکی آن-لاین
طراحی خودروهای الکتریکی آن لاین (دریافت کننده انرژی در طول حرکت) در سال 2009 به منظور پاسخ‌دهی به دو مسئله آلودگی هوا و از بین رفتن منابع، پیشنهاد شد. مطالعات زیادی بر روی خودروهای تمام الکتریکی انجام گرفته است، ولی مسئله خودروهای الکتریکی دارای باطری که برای سیستم حمل و نقل مورد استفاده قرار می‌گیرند، هنوز به طور کامل حل نشده است.
با توجه به اینکه در طول مسیر، انرژی الکتریکی به خودرو منتقل می‌شود، خودروهای الکتریکی آن-لاین دارای کمترین مقدار باطری هستند. علاوه بر مسئله آلودگی هوا، انرژی الکتریکی معمولاً ارزان‌تر از انرژی حاصل از سوخت‌های فسیلی می‌باشد که هزینه‌های عملیاتی خودرو را کاهش می‌دهد.
بسیاری از شرکت‌های خودروسازی، خودروهای الکتریکی توسعه داده‌اند، ولی مسائل مرتبط با هزینه، وزن و حجم باطری‌های مورد نیاز، همچنان حل نشده باقی مانده است. حتی در صورتی که مسئله ظرفیت باطری‌ها حل شود، مسائل دیگری از قبیل زمان شارژ طولانی، موارد ایمنی، محدودیت دسترسی به نقاط شارژ و هزینه ساخت نیز باید در نظر گرفته شوند.
به منظور حل کردن مسئله باطری‌ها، انستیتو علوم و تکنولوژی‌های پیشرفته کره، تکنولوژی شارژ آن-لاین در حین حرکت را ابداع کرده است که در این طرح، خودرو انرژی مورد نیاز خود را از تجهیزات کار گذاشته شده در داخل جاده دریافت می‌کند.
این روش موجب کاهش 20 درصدی در میزان باطری‌های مورد نیاز نسبت به خودروهای الکتریکی معمولی که انرژی خود را فقط از باطری‌ها دریافت می‌کنند، می‌شود. این روش همچنین، موجب کاهش قیمت و وزن خودرو و ایستگاه‌های شارژ می‌شود.
مفهوم ساخت خودروی الکتریکی که به صورت بی سیم در حین حرکت شارژ شود از حدود 20 سال پیش مطرح بوده است، ولی چالش‌های زیادی در مقابل توسعه کامل این ایده وجود دارد. تصویر شماتیک تکنولوژی خودروهای آن-لاین در دو شکل پایین نشان داده شده است.
در طرح خودروی الکتریک آن-لاین، خطوط انتقال دهنده توان در برخی نقاط (در حدود 20% مسیر) قرار داده می‌شوند.
چالش‌های انتقال بی سیم برق به خودروی الکتریکی
یکی از مهمترین چالش‌های خودروهای الکتریکی آن-لاین، مسائل اقتصادی طراحی و ساخت (خودرو و مسیر) می‌باشد. تجهیزات بسیاری از قبیل اینورتر با فرکانس 20kHZ، کابل برای خطوط توان (کویل فرستنده) و کویل گیرنده، مواد فرومغناطیس برای شکل‌دهی به میدان مغناطیسی، رکتیفایر و رگلاتور باید در مجموعه به کار روند، علاوه بر این‌ها، هزینه‌های ساخت خودرو و مسیر حرکت نیز وجود دارد که باید تا حد امکان، کمینه شوند.
در یک اتوبوس معمولی، توان انتقالی باید در حدود 100 کیلو وات باشد و کویل‌های فرستنده و گیرنده به اندازه کافی برای انتقال این توان، بزرگ باشند. هنگامی که جریان در خطوط توان به حدود 200 آمپر می‌رسد، ولتاژ می‌تواند در حدود 500 ولت باشد.
برای کاربردهای تجاری، بازده انتقال توان باید بیش از 80 درصد و فاصله هوایی برای رانندگی معمولی باید حداقل 20 سانتی‌متر باشد. یکی دیگر از مسائل موجود، قوانین مربوط به میزان مجاز انتشار امواج الکترومغناطیس، برای حفظ سلامتی انسان، می‌باشد که محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌ای بر حداکثر میدان نشتی اعمال می‌کند. در نتیجه، برای انتقال توان پر قدرتی که مورد نیاز خودروها می‌باشد، باید از طرح‌های مناسبی به منظور کاهش میزان میدان نشتی استفاده کرد.
طراحی کویل برای خودروهای الکتریکی با قابلیت انتقال بی سیم برق
در شکل‌های پایین، خطوط انتقال توان، از نوع فلوی مغناطیس عمودی به همراه کویل‌های جاذب توان، نشان داده شده است. دو خط توان با جهت جریان معکوس هم در زیر سطح جاده قرار می‌گیرد و یک حلقه جریان را تشکیل می‌دهد. به دلیل جریان موجود در خطوط توان، میدان مغناطیسی در اطراف خطوط توان شکل می‌گیرد.
کویل جاذب که بر روی خودرو نصب شده است، فلوی مغناطیس عمودی را از طریق حلقه‌های کویل مسی که به دور یک هسته فریتی پیچیده شده است، جذب می‌کند. هسته این کویل نقش بسیار مهمی در شکل‌دهی به میدان مغناطیسی در تکنولوژی تشدید دارد و یکی از مهمترین پارامترها در افزایش بازدهی سیستم می‌باشد.
در شکل‌های پایین، خطوط انتقال توان، از نوع فلوی مغناطیس افقی به همراه کویل‌های جاذب توان، نشان داده شده است.
در شکل پایین توزیع چگالی فلوی مغناطیسی، برای یک خودروی الکتریکی آن-لاین نشان داده شده است. قوانین مربوط به میزان مجاز میدان الکترومغناطیس در کشور کره برای فرکانس‌های 3 تا 150 کیلوهرتز، حداکثر میدان مجاز را 6.25 میکروتسلا اعلام کرده است.
هنگامی که خودرو در حال شارژ است، برای انتقال توان 100 کیلو وات، میدان مغناطیسی بزرگی به وجود می‌آید، در صورتی که فقط 0.1 درصد از میدان به خارج از خودروی الکتریکی نشت کند، می‌تواند به راحتی از میزان مجاز 6.25 میکرو تسلا تجاوز کند.
در نسخه اولیه خودروی الکتریکی آن-لاین، از حفاظ‌های فلزی برای کاهش میزان میدان الکترومغناطیس، استفاده شده و همچنین، صفحات فلزی در زیر خودرو برای حفاظت مسافران نصب شده است. از آنجایی که خطوط توان، منبع میدان مغناطیسی هستند، حفاظ‌های میدان مغناطیسی مطابق با شکل پایین را می‌توان در کف خیابان نصب کرد.
برای افزایش حفاظت در مقابل میدان مغناطیسی، از فرچه‌های فلزی در زیر خودرو نیز استفاده شده است که بین خودرو و سطح زمین قرار می‌گیرند. فرچه‌های فلزی مجموعه‌ای از سیم‌های نازک فلزی هستند که در زیر خودرو نصب شده و مسیر جریان را بین بدنه خودرو و ورق‌های فلزی قرار گرفته در زیر سطح جاده، برقرار می‌کنند.
تعداد اتصالات جریان که توسط این فرچه‌ها ایجاد می‌شود، فاکتور مهمی در میزان تأثیر حفاظت ایجاد شده، می‌باشد. به طوری که با افزایش تعداد فرچه‌های فلزی استفاده شده از 2 به 8 عدد، میزان میدان نشتی از 14.4 میکروتسلا به 3.5 میکروتسلا کاهش پیدا کرد. مشکل استفاده از فرچه‌های سیمی این است که فقط در کاربری‌های خاصی قابل اعمال هستند و به سرعت دچار فرسودگی می‌شوند، علاوه بر این، ممکن است سطح جاده با مواد عایق پوشانده شده و باعث از بین رفتن اتصال بین خودرو و زمین شود.
میدان مغناطیس نشتی را می‌توان با استفاده از حفاظت فعال به حداقل رساند. طرح شماتیک حفاظت فعال در شکل پایین نشان داده شده است. مشابه با خط جریان، حفاظت فعال یک سیم فلزی است که جریان را با فاز مخالف جریان موجود در کویل گیرنده، حرکت می‌دهد.
در طراحی حفاظت فعال، جهت میدان‌های مغناطیسی باید به شکل دقیقی در نظر گرفته شوند. در شکل پایین جهت میدان مغناطیسی نشان داده شده است. میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط حفاظت فعال باید تقریباً برابر با میدان ایجاد شده توسط کویل گیرنده باشد تا بتواند به شکل مناسبی میدان نشتی را به زیر مقدار تعیین شده توسط قوانین، برساند.
جایگیری و همچنین میزان جریان عبوری از حفاظت فعال دارای اهمیت است و در شرایط بهینه می‌توان در حدود 90% از میدان مغناطیسی را با این روش کاهش داد.
در شکل پایین، میزان میدان مغناطیسی اندازه‌گیری شده در برخی نقاط خودرو، قبل و بعد از اضافه شدن حفاظت فعال نشان داده شده است. با استفاده از حفاظت فعال، میدان نشتی از مقدار 10.3 میکرو تسلا به 5.3 میکروتسلا کاهش یافته است.
منابع: sciencedirect.com, wiley.com, intechopen.com
پیشنهاد مطالعه:
