БЕСПРОВОДНАЯ  ЗАРЯДКА  АККУМУЛЯТОРОВ  ЭЛЕКТРОАВТОМОБИЛЕЙ

Скотарев  Иван  Николаевич

студент  4  курса,  кафедра  применения  электроэнергии  в  сельском  хозяйстве  СтГАУ, 
РФ,  г.  Ставрополь

Е-mail:  dragon_007.ru@mail.ru

Дорожко  Сергей  Васильевич

научный  руководитель,  канд.  тех.  наук,  доцент  СтГАУ, 
РФ,  г.  Ставрополь

В  последнее  время  для  зарядки  аккумуляторных  батарей  используются  способы  заряда  при  постоянном  токе  и  постоянном  напряжении  [1–3].  Существует  еще  один  очень  перспективный  и  самый  безопасный  способ  быстрой  зарядки  –  беспроводная  зарядка.

Способ  беспроводной  зарядки  основывается  на  явлении  электромагнитной  индукции.

Как  известно,  область  распространения  электромагнитного  поля  разделяется  на  две  основные  зоны  в  зависимости  от  расстояния  от  источника  излучения.  Ближняя  зона  (зона  индукции  или  реактивная)  ограничивается  расстоянием,  равным  λ/2π,  где  λ  –  длина  волны  (рисунок  1)  [4].

Рисунок  1.  Ближняя  и  дальняя  зоны

Зона  индукции  постепенно  переходит  в  зону  излучения  (волновую),  и  ярко  выраженной  границы  между  ними  не  существует.  На  границах  ближней  и  дальней  зон  различают  переходную  промежуточную  зону.  При  частотах  10,  1  и  0,1  МГц  протяженность  ближней  зоны  составляет  примерно  4,7;  47  и  477  м.

Система  передачи  энергии  состоит  из  первичной  катушки  L1  (источника)  и  вторичной  катушки  L2  (приемника).  Катушки  образуют  систему  с  индуктивной  связью  (рисунок  2). 

Рисунок  2.  Принцип  действия  беспроводных  зарядных  устройств

Переменный  ток,  протекая  в  обмотке  первичной  катушки,  создает  магнитное  поле,  индуцирующее  напряжение  в  приемной  катушке,  которое  может  быть  использовано  как  для  зарядки  аккумулятора,  так  и  для  питания  устройства.  По  мере  удаления  вторичной  катушки  от  первичной  все  большая  часть  магнитного  поля  рассеивается  и  не  достигает  вторичной  катушки.  Даже  при  относительно  малых  расстояниях  индуктивная  связь  становится  неэффективной.  Упрощенная  эквивалентная  схема  магнитносвязанных  катушек  приведена  на  рисунке  3. 

Рисунок  3.  Упрощенная  эквивалентная  схема  магнитносвязанных  катушек

Взаимная  индуктивность  М  определяется  из  известного  соотношения:

где  k  –  коэффициент  связи  между  катушками,  зависящий  от  многих  факторов,  в  т.  ч.  –  от  расстояния  между  катушками  (z),  соотношения  диаметров  катушек,  смещения  между  их  центрами,  от  формы  катушек  и  т.  д.  На  рисунках  4  и  5  приведены  значения  коэффициента  связи  (k)  при  расстоянии  между  катушками  0,2;  2,5;  5;  7,5  и  10  мм,  и  графики  зависимости  коэффициента  связи  от  величины  смещения  (для  катушек  диаметром  30  мм).  Резонансные  контуры  с  индуктивной  связью,  применяемые  в  системах  беспроводной  зарядки,  уже  на  протяжении  десятков  лет  успешно  используются  в  разнообразных  радиотехнических  устройствах  [4].

Рисунок  4.  Графики  зависимости  коэффициента  связи  от  смещения  катушек

Рисунок  5.  График  зависимости  эффективности  системы  от  коэффициента  качества

Из  анализа  эквивалентной  схемы  (рисунок  3)  на  частоте  резонанса  эффективность  системы  (η),  определяемая  как  η  =  P_L/P₁  (где  P_L  –  мощность  на  нагрузке  R_L,  P₁  –  на  резисторе  потерь  R1),  будет  наибольшей  при  оптимальном  значении  сопротивления  нагрузки,  которое  равно:

где:  ω₀  –  резонансная  частота, 

М  –  взаимная  индуктивность,  R₁  и  R₂  омические  сопротивления  потерь  катушек  индуктивности.

Соответственно  при  оптимальном  значении  сопротивления  нагрузки  оптимальная  эффективность  системы  на  частоте  резонанса  равна:

где  Q_M  –  коэффициент  качества,  или  иными  словами  эффективная  добротность  системы,  определяемая  из  выражения:

где  Q₁  и  Q₂  –  добротность  резонансных  контуров  источника  и  приемника.

График  зависимости  эффективности  системы  (η)  от  коэффициента  качества  (QM)  приведен  на  рисунке  5.  Как  следует  из  приведенного  графика,  эффективность  системы  на  частоте  резонанса  представляет  собой  монотонно  возрастающую  функцию,  асимптотически  приближающуюся  к  единице.  Эффективность  передачи  энергии  зависит  от  коэффициента  связи  между  катушками  и  их  добротности,  а  для  увеличения  эффективности  беспроводных  систем  зарядки  следует  использовать  явление  резонанса,  что  позволяет  увеличить  КПД  и  дальность  передачи  энергии.  Повысить  эффективность  индуктивно  связанных  систем  можно  за  счет  увеличения  добротности  катушек  и/или  коэффициента  связи  [4].

Согласно  классификации  Ассоциации  потребителей  электроники  CEA  (Consumer  Electronics  Association)  технологию  беспроводной  зарядки  предлагается  различать  в  зависимости  от  величины  коэффициента  связи.  Если  значение  k  близко  к  единице  –  это  так  называемая  сильносвязанная  система  (tightlycoupled),если  k  <  0,1  –  слабо  связанная  (looselycoupled).

В  настоящее  время  разработаны  две  технологии  беспроводной  зарядки,  использующие  явление  электромагнитной  индукции.  Одна  из  них,  в  которой  используются  сильносвязанные  катушки,  получила  название  MI  (Magnetic  Induction  –  магнитноиндуктивная),  другая  со  слабосвязанными  –  MR  (Magnetic  Resonant  –  магнитнорезонансная). 

В  каждой  из  них  для  беспроводной  передачи  энергии  используется  магнитное  поле  и  применяются  резонансные  контуры  (рисунок  6).  Магнитный  поток,  создаваемый  источником  и  пронизывающий  вторичную  катушку,  зависит  от  конфигурации  магнитного  поля,  которую  можно  трансформировать  как  благодаря  изменению  геометрических  размеров  катушек  и  их  взаимному  расположению,  так  и  за  счет  применения  соответствующего  магнитного  экранирования.  Плотность  потока  зависит  от  магнитной  проницаемости  экранов.  Стоимость  и  толщина  экранов  являются  ключевыми  факторами  при  их  выборе.  От  взаимной  ориентации  передающей  и  принимающей  катушек,  а  также  от  расстояния  между  ними  зависит  эффективность  системы  передачи  энергии.  Чем  больше  расстояние  между  катушками,  тем  менее  эффективна  система.  Кроме  того,  эффективность  зависит  от  резонансной  частоты,  относительных  размеров  передающей  и  принимающей  катушек,  коэффициента  связи,  сопротивления  обмоток,  наличия  скин-эффекта,  паразитных  связей  и  ряда  других  факторов.  Смещение  по  координатам  X,Y,  Z,  а  также  наличие  угла  наклона  между  катушками  приводит  к  существенному  росту  потерь  и  соответственно  –  к  снижению  эффективности  передачи  энергии  [4].

Рисунок  6.  Особенности  MI  и  MR  технологий

Рисунок  7.  Беспроводная  зарядная  станция  для  электромобилей

Данную  технологию  планируется  использоваться  для:

·     Специальных  станций,  где  в  пол  встроены  катушки  и  для  зарядки  аккумулятора,  автомобиль  необходимо  разместить  прямо  над  ними  (рисунок  7).

·     Специально  оборудованных  парковочных  мест.  Которые  позволят  заряжать  автомобиль,  например,  во  время  его  простоя  в  течения  рабочего  дня. 

·     Особых  участков  автомобильных  трасс.

Список  литературы: 

1. Дорожко  С.В.  Электроника  и  электрооборудование  транспортных  и  траспорно-технологических  машин.  –  Ставрополь:  АРГУС,  2007.  –  150  с.
2. Дорожко  С.В.  Электрооборудование  автомобилей,  тракторов  и  сельскохозяйственных  машин.  –  Ставрополь:  АРГУС,  2005.  –  200  с.
3. Дорожко  С.В.,  Курбатов  Д.И.  Устройство  для  проверки  регулятора  холостого  хода  системы  управления  двигателем  автомобиля  //  Методы  и  технические  средства  повышения  эффективности  использования  электрооборудования  в  промышленности  и  сельском  хозяйстве.  –  Ставрополь:  АРГУС,  2011.  –  С.  81–90.
4. Технология  беспроводной  зарядки:  принцип,  действия,  стандарты,  производители.  [Электронный  ресурс]  –  Режим  доступа.  –  URL:  http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/doc/70732/  (дата  обращения  14.11.2015).