Как магнитные и электромагнитные преобразователи используются в системах зарядки электромобилей

Критическая роль магнитных и электромагнитных преобразователей в системах зарядки электромобилей

Электромобили (EV) перешли от нишевого любопытства к основным перевозкам, причем глобальные продажи впервые превысили 10 миллионов единиц в год в 2022 году (] IEA Global EV Outlook. По мере роста числа электромобилей на дороге инфраструктура зарядки должна идти в ногу — не только по количеству, но и по сложности. В основе каждой современной системы зарядки, от простейшего корда 1 уровня до самого передового зарядного устройства постоянного тока мощностью 350 кВт и беспроводной зарядной площадки, лежат магнитные и электромагнитные преобразователи. Эти устройства преобразуют электрическую энергию в магнитные поля и обратно, позволяя передавать энергию, трансформацию напряжения, точное управление и изоляцию безопасности. Без них зарядка была бы неэффективной, небезопасной или невозможной.

В этой статье представлен глубокий, авторитетный взгляд на то, как работают магнитные и электромагнитные преобразователи в системах зарядки электромобилей. Мы рассмотрим основную физику, конкретные типы используемых преобразователей, их роли как в проводной, так и в беспроводной зарядке, соображения безопасности и эффективности, которые определяют дизайн, а также новые тенденции, которые будут формировать следующее поколение зарядных технологий. Независимо от того, являетесь ли вы инженером, менеджером парка или энтузиастом электромобилей, понимание этих компонентов имеет важное значение для понимания того, как энергия перемещается из сети в батарею.

Основы электромагнитной трансдукции

Все магнитные и электромагнитные преобразователи работают по одному и тому же основному принципу: изменяющееся магнитное поле вызывает электрический ток в проводнике, и наоборот, электрический ток производит магнитное поле. Это описывается законом индукции Фарадея и контурным законом Ампера, которые вместе образуют основу электромагнетизма. В преобразователе преобразование может быть рассчитано на то, чтобы благоприятствовать тому или иному направлению, в зависимости от применения.

В зарядке EV наиболее распространенными режимами трансдукции являются:

• Электромагнитная индукция — используется в трансформаторах и индуктивных соединителях для передачи энергии по беспроводной сети или изменения уровней напряжения.
• Халл-эффект — используется в датчиках тока для измерения потока электричества без прямого контакта.
• Магнитострикция — менее распространена, но используется в некоторых мощных резонансных преобразователях.
• Переменное нежелание — применяется в датчиках положения и выравнивания для беспроводных зарядных устройств.

Эффективность передачи энергии в любом преобразователе зависит от магнитной связи, свойств материала ядра, рабочей частоты и геометрии катушек. Для систем зарядки электромобилей эффективность выше 95% обычно достигается как для проводных трансформаторов, так и для беспроводных индуктивных систем, работающих в оптимальных условиях (]IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics.

Типы магнитных и электромагнитных преобразователей в зарядке EV

Системы зарядки объединяют несколько различных типов преобразователей, каждый из которых спроектирован для конкретной функции. Мы можем сгруппировать их в четыре основные категории: преобразователи передачи энергии, преобразователи преобразования напряжения, датчики восприятия и преобразователи приведения в действие. В таблице ниже кратко излагаются их основные роли, хотя каждая из них будет подробно обсуждаться в последующих разделах.

Индуктивные соединительные устройства (беспроводная передача энергии)

Беспроводная зарядка, также известная как индуктивная зарядка, является наиболее видимым применением электромагнитных преобразователей в зарядке EV. Наземная передаточная панель содержит первичную катушку, приводимую в действие высокочастотным переменным током (обычно 80-90 кГц для стандартных систем SAE J2954). Этот ток переменного тока генерирует изменяющееся во времени магнитное поле, которое проходит через воздушный зазор (часто 100-250 мм) и связывается со вторичной катушкой в установленной на транспортном средстве приемной площадке. Меняющийся поток индуцирует напряжение переменного тока в приемнике, которое затем выпрямляется до постоянного тока (DC) для зарядки батареи.

Магнитная схема не является простым расположением воздушного ядра. Обе катушки намотаны вокруг ферритовых ядер, которые формируют и концентрируют магнитный поток, улучшая сцепление и уменьшая электромагнитные помехи. Защитные слои алюминия или дополнительного феррита на задней стороне катушек препятствуют проникновению магнитного поля в шасси транспортного средства или наземную инфраструктуру, где вихревые токи могут вызвать потерю или нагрев. Вся сборка представляет собой сложный электромагнитный преобразователь, который должен эффективно работать при смещении (боковом и угловом), различном дорожном просвете и перепадах температуры.

Ключевые параметры для индуктивной производительности сцепления включают:

• Коэффициент сопряжения (k) — обычно 0,15—0,4 для электрокаров; выше лучше, но большие воздушные зазоры по своей сути ограничивают сцепление.
• Коэффициент качества (Q) — определяет резкость резонанса; высокие Q катушки с низким сопротивлением имеют решающее значение для эффективности.
• Топология резонансной компенсации — серии-серии (SS), серии-параллели (SP) или LCC используются для отмены индуктивности большой утечки и обеспечения эффективной передачи мощности при резонансе.

Современные беспроводные системы зарядки могут выдавать до 11 кВт (уровень 2) с максимальной эффективностью системы выше 92% при идеальном выравнивании.Исследовательские прототипы для транспортных средств большой грузоподъемности достигли 200 кВт или более с использованием трехфазных индуктивных соединителей и более высоких рабочих частот (]IEEE Транзакции на силовой электронике.

Трансформаторы для преобразования и изоляции напряжения

В проводных зарядных станциях трансформаторы являются рабочими лошадками преобразования напряжения. Зарядное устройство переменного тока 2-го уровня (240 В, до 19,2 кВт) включает в себя бортовое зарядное устройство (OBC) внутри транспортного средства, которое выпрямляет переменный ток до постоянного тока, а затем понижает напряжение до или до уровня аккумулятора. Однако многие быстрые зарядные устройства постоянного тока (уровень 3) являются внешними, состоящими из большого шкафа питания, который подключается непосредственно к EV-батарее через разъем CCS, CHAdeMO или NACS. Внутри этого шкафа изоляционный трансформатор обеспечивает гальваническую изоляцию между сеткой и транспортным средством, обеспечивая безопасность даже при возникновении неисправностей.

Изоляционные трансформаторы в быстрых зарядных устройствах постоянного тока обычно используют высокочастотную конструкцию для уменьшения размера и веса. Вместо линейно-частотного трансформатора 50/60 Гц коммутационный режим питания преобразует линию переменного тока в высоковольтную шину постоянного тока, затем переворачивает ее на десятки-сотни килогерц, пропускает через относительно компактный высокочастотный трансформатор и выпрямляет выход на регулируемый постоянный ток для батареи EV. Трансформатор в этой топологии представляет собой магнитный преобразователь, который обеспечивает:

• Трансформация напряжения — переход от напряжения постоянного тока 800 В или более к напряжению батареи EV (200–900 В в зависимости от архитектуры).
• Гальваническая изоляция — критическое требование безопасности, которое предотвращает прямое электрическое соединение между сетью и транспортным средством, защищая пользователей и оборудование.
• Затухание шума в обычном режиме — межвитковая емкость и экранирование трансформатора могут быть разработаны для фильтрации высокочастотного шума, создаваемого преобразователями мощности.

Материал ядра в высокочастотных трансформаторах обычно представляет собой феррит (MnZn или NiZn) с высокой проницаемостью и низкой потерей ядра на рабочей частоте. В обмотке используется провод Litz для минимизации эффектов кожи и близости, которые становятся серьезными на высоких частотах. Современные силовые полупроводники карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) позволяют переключать частоты от 100 кГц до 1 МГц, что позволяет дополнительно миниатюризировать трансформатор и повысить плотность мощности. Быстрое зарядное устройство с напряжением 800 В постоянного тока может достигать плотности мощности, превышающей 30 кВт / л для трансформатора и индуктора сборки (]IEEE APEC 2022].

Датчики магнитного положения для выравнивания

Беспроводные системы зарядки требуют точного выравнивания между наземной и автомобильной подушкой для поддержания высокой эффективности и безопасной работы. Перемещение всего на несколько сантиметров может уменьшить сцепление на 20% и более и может вызвать чрезмерные поля утечки. Датчики магнитного положения, часто основанные на эффекте Холла или анизотропном магнитосопротивлении (AMR), встроены в накладку транспортного средства или шасси для обнаружения магнитного поля из маломощной маяковой катушки в наземной подушке. Альтернативно, наземная панель может обнаруживать положение транспортного средства с помощью массива магнитных датчиков, которые триангулируют поле от небольшого магнита или катушки на транспортном средстве.

Эти преобразователи обеспечивают обратную связь в режиме реального времени с водителем или автономной системой парковки, направляя транспортное средство в оптимальное положение зарядки. В производственных системах, таких как совместимые с SAE J2954 продольные и ±100 мм боковые, допуск выравнивания находится в пределах ±75 мм, а автоматические системы наведения снижают его до ±10 мм для максимальной эффективности. Сами датчики должны быть невосприимчивы к отклоняющимся полям от мощного зарядного тока и от внешних источников, таких как тяговые двигатели. Для достижения требуемой точности и надежности используются избыточные архитектуры датчиков и дифференциальные измерения.

Электромагнитные контакторы и реле

Безопасность отключения высоковольтных цепей является не подлежащим обсуждению требованием в любой системе зарядки EV. Электромагнитные контакторы являются сверхмощными реле, которые используют соленоидный привод для перемещения набора контактов с высоким током. Когда сеанс зарядки заканчивается или обнаруживается неисправность, управляющая электроника деэнергизирует катушку, позволяя пружине быстро открывать контакты, прерывая поток тока. Эти контакторы рассчитаны на разрыв постоянного тока (более трудная задача, чем переменный ток, потому что нет естественного тока нулевого скрещивания) и должны обрабатывать дугообразование и контактную эрозию.

В быстрых зарядных устройствах постоянного тока контакторы часто размещаются в ручке зарядного кабеля или внутри впуска транспортного средства, и они управляются протоколом связи комбинированной системы зарядки (CCS). Сама катушка представляет собой небольшой электромагнитный преобразователь; при питании она генерирует магнитное поле, которое притягивает якорь к силе пружины, закрывая контакты большой мощности. Быстрые контакторы используют постоянный магнит для удержания контактов закрытыми без непрерывного потребления энергии, снижения использования энергии в режиме ожидания. Передовые конструкции включают камеры гашения, газонаполненные корпуса и керамическая инкапсуляция для обработки экстремальных требований постоянного тока 350 А и 1000 В постоянного тока.

Как преобразователи интегрируются в архитектуры систем зарядки

Понять отдельные компоненты — это только половина картины. Истинная инженерная задача заключается в том, как эти преобразователи взаимодействуют в рамках полной системы зарядки. Мы рассмотрим две доминирующие архитектуры: проводящую (проводную) зарядку переменного и постоянного тока и индуктивную (беспроводную) зарядку.

Проводная проводная система зарядки

В проводящей установке переменного тока 2 уровня зарядная станция обеспечивает питание переменного тока бортового зарядного устройства транспортного средства (OBC). Внутри OBC первая ступень представляет собой фильтр электромагнитных помех (EMI), который включает в себя удушающие устройства общего режима — это магнитные преобразователи, которые подавляют высокочастотный шум. Затем фильтрованный переменный ток выпрямляется до постоянного тока и проходит через стадию коррекции коэффициента мощности (PFC), которая содержит индуктивный усилитель — другой магнитный компонент, который формирует входной ток. Выходной сигнал PFC представляет собой высоковольтную шину постоянного тока (обычно 400 В). Затем выходной сигнал PFC переворачивается в высокочастотный переменный ток с использованием SiC MOSFETs. Высокочастотный переменный ток подает изоляционный трансформатор (обсуждался ранее), который понижает напряжение и обеспечивает изоляцию. Вторичный выход трансформатора снова выпрямляется синхронными выпрямителями (другой набор коммутационных транзисторов) для получения регулируемого напряжения постоянного то

Быстрые зарядные устройства постоянного тока устраняют OBC и подключаются непосредственно к батарее. Внутренняя архитектура включает в себя выпрямитель, подключенный к сети, стадию высокочастотной изоляции (опять же с использованием трансформатора) и преобразователь постоянного тока и напряжения. Шкаф питания зарядного устройства мощностью 350 кВт может содержать десятки индукторов и несколько трансформаторов, все спроектированы для экстремальной плотности мощности и управления температурой. Жидкое охлаждение часто используется для удаления тепла от магнитных компонентов, что может составлять 20-30% от общих потерь системы.

Беспроводная индуктивная система зарядки

Система беспроводной передачи мощности (WPT) для электромобилей состоит из двух физически разделенных половин. На стороне земли переменный ток от сетки (однофазный для уровня 2, трехфазный для более высокой мощности) выпрямляется до шины постоянного тока, затем инвертируется на резонансной частоте (обычно 85 кГц на SAE J2954) высокопроизводительным инвертором. Инвертор управляет первичной катушкой (встроенной в грунтовую площадку) через резонансную компенсационную сеть (конденсаторы и индукторы), которая отменяет индуктивность утечки катушки. Магнитное поле соединяется со вторичной катушкой транспортного средства. На стороне транспортного средства выход вторичной катушки подается в свою собственную компенсационную сеть, затем выпрямляется до постоянного тока и, наконец, регулируется преобразователем постоянного тока для зарядки батареи. И первичные и вторичные панели содержат ферритовые ядра, экранирование и часто интегрированные датчики температуры, которые контролируют магнитные компоненты для перегрева.

Система управления в зарядном устройстве WPT должна управлять резонансной настройкой, уровнем мощности и связью между землей и транспортным средством с использованием радиочастотного канала малой мощности (часто с использованием выделенных катушек для связи ближнего поля). Датчики магнитного положения обеспечивают вход для выравнивания подушек, а иногда наземная подушка устанавливается на подвижной платформе, которая может автоматически регулировать свое положение. Вся система представляет собой симфонию электромагнитных преобразователей, работающих согласованно.

Вопросы безопасности и эффективности

Безопасность имеет первостепенное значение в любой электрической системе, и зарядные устройства EV должны соответствовать строгим международным стандартам, таким как IEC 61851, IEC 61980 (для беспроводной связи) и региональным кодам (например, UL 2202 в США).

Изоляция: Трансформаторы обеспечивают гальваническую изоляцию, которая гарантирует, что ток постоянного тока не может течь из сетки в транспортное средство в случае неисправности. Это защищает пользователей от электрического шока и предотвращает токи заземления, которые могут вызвать коррозию системы охлаждения транспортного средства.

Управление полем утечки: В беспроводной зарядке магнитное поле должно содержаться в безопасных пределах воздействия, установленных ICNIRP (Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения). Для уменьшения бродячих полей используются ферритовая форма, алюминиевая экранировка и активные катушки отмены поля (другой преобразователь). Электроника питания также может быть модулирована для снижения выбросов в режиме ожидания.

Обнаружение и прерывание дуги: Контакторы и реле должны быстро и надежно открываться для тушения дуги постоянного тока. Некоторые усовершенствованные контакторы включают постоянный магнит для продувания дуги в камеру тушения. Ток катушки часто постепенно накачивается, чтобы уменьшить электромагнитные помехи при открытии.

Эффективность: Каждый магнитный преобразователь вносит некоторую потерю: потерю ядра (гистерезис и вихревые токи), потерю меди (I2R) и потери близости. Для максимизации эффективности системы дизайнеры выбирают материалы ядра с низкой потерей на рабочей частоте (например, аморфные и нанокристаллические ядра для трансформаторов сетки-частоты, феррит для высокочастотных), используют провод Литца для обмоток и оптимизируют геометрию, чтобы минимизировать поток утечки. Активное охлаждение - либо вынужденный воздух, либо жидкость - часто необходимо для поддержания магнитных компонентов в пределах их номинального температурного диапазона, поскольку шкалы потерь с температурой и могут привести к тепловому бегству, если не управлять.

Новые тенденции и будущие направления

Технология зарядки электромобилей быстро развивается, и магнитные преобразователи находятся в центре многих инноваций.

Резонансная индуктивная связь и расширенный диапазон

Используя высокорезонансные схемы (с высокими Q-катушками и синхронной настройкой), исследователи добились беспроводной передачи мощности на расстояния, превышающие 300 мм, с эффективностью выше 90%. Это позволяет заряжать транспортные средства большой мощности с высоким дорожным просветом и даже динамической зарядкой, в то время как транспортное средство находится в движении на электрифицированной дороге. Проект, финансируемый ЕС Равновесие , продемонстрировал 200-кВт динамическую зарядку на скоростях до 120 км / ч с использованием сегментированных катушек, встроенных в проезжую часть Энергия, MDPI . Обмотки на обочине дороги являются электромагнитными преобразователями, которые должны быть прочными, непогодными и терпимыми к большим изменениям выравнивания по мере прохождения транспортных средств над ними.

Двунаправленная зарядка (V2G)

Технология Vehicle-to-grid (V2G) позволяет EV отправлять энергию обратно в дом или сеть во время пикового спроса. Для этого требуется, чтобы бортовое зарядное устройство или быстрое зарядное устройство постоянного тока работали в обратном направлении: постоянный ток батареи инвертируется в переменный ток и подается через изоляционный трансформатор в сеть. Магнитные преобразователи должны быть разработаны для двунаправленной работы, что накладывает дополнительные требования на намагниченность ядра и изоляцию обмотки. Исследуются симметричные обмотки и двунаправленные геометрии ядра.

Устройства GaN и SiC Power

Принятие полупроводников с широким диапазоном пропускания позволяет использовать более высокие частоты переключения (до нескольких мегагерц) и более высокие напряжения, что, в свою очередь, позволяет резко уменьшать размер магнитных компонентов. Трансформатор 1 МГц может быть в 10 раз меньше, чем его аналог с частотой 100 кГц. Однако основные материалы, которые хорошо работают на таких высоких частотах (например, феррит с низкой проницаемостью и очень низкими потерями), становятся необходимыми. Это стимулирует инновации в нанокристаллических и тонкопленочных магнитных материалах. Аналогично, высоковольтные SiC MOSFET (1200 В, 1700 В) позволяют более простые конструкции трансформаторов с меньшим количеством оборотов, уменьшая потерю меди.

Интегрированные магнитные компоненты

Для экономии пространства и уменьшения количества деталей конструкторы интегрируют в один компонент множество магнитных функций — например, комбинируют резонансный индуктивный и изоляционный трансформатор в одну структуру магнитного ядра. Эти интегрированные магниты требуют тщательного моделирования взаимных связей и путей потока, но они могут достичь более высокой плотности мощности и более низкой стоимости. Несколько производителей теперь предлагают интегрированные преобразователи для 11-киловаттных OBC, которые вписываются в объем менее 0,5 л.

Твердотельные трансформаторы

В будущем тяжелый линейно-частотный трансформатор в быстрых зарядных устройствах постоянного тока может быть заменен твердотельным трансформатором (SST), который использует силовую электронику и высокочастотную стадию магнитной изоляции для достижения преобразования напряжения и изоляции в доле от размера. SST уже развернуты в некоторых зарядных устройствах, подключенных к сети среднего напряжения, где они могут непосредственно переходить от напряжения батареи 4,16 кВ или 13,8 кВ к напряжению батареи EV без громоздкого трансформатора 60 Гц. Магнитный преобразователь в SST является высокочастотным трансформатором, рассчитанным на киловольты изоляции, и его конструкция имеет решающее значение для надежности.

Практические проблемы и соображения дизайна

Несмотря на свою зрелость, магнитные преобразователи в зарядке электромобилей сталкиваются с постоянными проблемами, которые требуют внимания инженеров.

• Тепловое управление:] Магнитные компоненты часто являются самыми горячими частями системы зарядки. Потери увеличиваются с частотой и нагрузкой, а магнитные свойства (проницаемость, плотность потока насыщения) ухудшаются с температурой. Конструкторы должны выбирать основные материалы с высокими температурами Кюри (выше 200°C для феррита) и обеспечивать адекватное охлаждение. В беспроводных прокладках погребенные катушки не могут легко рассеивать тепло, поэтому тепловое моделирование необходимо.
• Допуск выравнивания в WPT: Большое боковое смещение является постоянной проблемой для пользовательского опыта. Активные системы выравнивания с использованием магнитных датчиков и автоматических приводов добавляются к высокопроизводительным зарядным устройствам, но они добавляют стоимость и сложность. Новые геометрии катушки (например, двойные D, биполярные прокладки) предназначены для того, чтобы быть более прощающими несоответствия.
• Электромагнитная совместимость (EMC): Высокочастотные магнитные поля, генерируемые преобразователями мощности и беспроводными зарядными устройствами, могут мешать системам связи (радио АМ, бесключевой вход, мониторинг давления в шинах). Фильтры EMC, содержащие удушья в обычном режиме (магнитные преобразователи), необходимы, и часто требуется экранирование всего корпуса зарядного устройства.
• Стоимость и предложение материалов: Редкоземельные и специализированные металлы, используемые в постоянных магнитах (для приводов) и нанокристаллических ядрах (для высокочастотных трансформаторов), подвержены волатильности цепочки поставок. Альтернативные основные материалы, такие как порошкообразное железо и шлюст, разрабатываются для экономически чувствительных применений.
• Стандарты совместимости: Различные глобальные стандарты — SAE J2954, IEC 61980, GB/T 38775 в Китае — определяют различные полосы частот, уровни мощности и протоколы связи. Магнитные преобразователи должны быть разработаны для работы по этим стандартам или быть достаточно модульными, чтобы заменить сборку катушки на региональные вариации.

Заключение

Магнитные и электромагнитные преобразователи являются невоспетыми героями зарядки электромобилей. От высокочастотных трансформаторов в компактных бортовых зарядных устройствах до больших индуктивных подушек, которые обеспечивают истинную беспроводную зарядку, эти устройства преобразуют электрическую энергию в магнитные поля и обратно с замечательной эффективностью. Они обеспечивают преобразование напряжения, гальваническую изоляцию, отключение безопасности, датчик выравнивания и электромагнитную совместимость, которые делают современные системы зарядки надежными и безопасными. По мере того, как индустрия движется к более высоким уровням мощности, двунаправленному потоку энергии и динамической беспроводной зарядке, требования к этим преобразователям будут только возрастать. Инженеры должны продолжать раздвигать границы основных материалов, методов обмотки и управления тепловой энергией, чтобы позволить следующее поколение зарядной инфраструктуры. Освоение этих компонентов - это не просто академическое упражнение - это практическая необходимость для любого, кто строит экосистему электрической мобильности.

Для операторов автопарка, рассматривающих возможность использования беспроводной зарядки для автономных депо транспортных средств или для инженеров-конструкторов, выбирающих изоляционные трансформаторы для системы зарядки мощностью 1 МВт (MCS) для тяжелых грузовиков, принципы остаются прежними: понять магнитную цепь, оптимизировать для рабочей частоты и никогда не идти на компромисс по безопасности. Преобразователь - это мост между сетью и транспортным средством, и его производительность определяет опыт зарядки.