Elektrikli Araç Şarj Sistemlerinde Manyetik ve Elektronörlerin Eleştirel Rolü
Elektrikli araçlar (EV) ana akım ulaşıma niş meraktan taşındı, küresel satışlar 2022'de ilk kez 10 milyon üniteyi aştı ()IEA Global EV Outlook) Yolda EV sayısı büyüdükçe, şarj altyapısı elektrik hızını tutmalıdır - sadece çok az miktarda değil, en basit seviyedeki elektriksel enerji transferi veya en gelişmiş 350-kW DC hızlı şarj sistemi kalbinden en gelişmiş 350-kW DC hızlı şarj cihazına ve kablosuz şarja kadar, ped manyetik cihazlara ve elektromanyetik transdüserlere dönüşmelidir.
Bu makale, hem tel hem de kablosuz şarj, hem de şarj teknolojisi içinde manyetik ve elektromanyetik transducers fonksiyonunu inceleyeceğiz. Bir mühendis, bir filo yöneticisi veya EV meraklısı, bu bileşenleri anlamak için temel bir yöntemdir.
Elektron Transdüksiyonlarının Temelleri
Tüm manyetik ve elektromanyetik transdüserler aynı temel prensipte çalışır: Değişen bir manyetik alan, bir iletkende bir elektrik akımına yol açar ve bir manyetik alan üretir.Bu, Faraday'ın devre dışı yasası ve Ampère'nin devre dışı yasası tarafından tarif edilir ve bu birlikte bir transducer'un temelini oluşturur.
EV şarjında, en yaygın transdüksiyon modları şunlardır:
- [FONT:0]Electromanyatik indüksiyon[Dönetici: 1 ) - transformatörlerde ve endüktif çiftlerin enerji kablosuz veya değişken gerilim seviyelerini transfer etmesi için kullanılır.
- [FONT:0)Hall etkisi[[Dönetici: 1) mevcut sensörleri doğrudan temas olmadan elektrik akışını ölçmek için kullanılır.
- [FONT=0)Magnetostriksiyon – daha az yaygın ama bazı yüksek güç resonant dönüştürücülerinde kullanılır.
- [FONT:0)Variable reluctance[[Dönemli)[[[Dönetici:0))))) - kablosuz şarj pedleri için pozisyon ve hizalayıcı sensörleri uygulandı.
Herhangi bir transducer'teki enerji transferinin verimliliği, en iyi koşullarda çalışan manyetik darbeye, temel materyal özelliklerine, işletim frekansına ve anahtar elektronikteki En İyilere İlişkin Geometriye bağlıdır).
EV Şarjinde Manyetik ve Elektromanyetik Transducers Türleri
Şarj sistemleri, belirli bir işlev için her bir mühendisin çeşitli farklı transdüser türlerini entegre eder.Onlarla dört ana kategoriye gruplayabiliriz: enerji transferi transdüsers, gerilim dönüşüm transdüsers, algılama transducers ve transducers. tablonun altındaki tablo, temel rollerini özetlese de, her biri sonraki bölümlerde ayrıntılı olarak tartışılacaktır.
| Category | Example Transducer | Primary Function in EV Charging |
|---|---|---|
| Energy transfer | Inductive coupler (pad) | Wireless power transfer from ground pad to vehicle pad |
| Voltage transformation | Transformer (grid-side) | Step-down high-grid voltage to EV battery voltage |
| Sensing | Hall-effect current sensor | Measure charging current for control and protection |
| Actuation | Electromagnetic contactor | Connect/disconnect high-voltage circuits safely |
İndüktif Coupling Cihazları (Wireless Power Transfer)
Kablosuz şarj, ayrıca indüktif şarj olarak da bilinir, EV şarjında elektromanyetik transdüserlerin en görünür uygulamasıdır.Bir zemin bazlı verici ped, aracın temelleştirilmiş bir bantla yönlendirilen birincil bir bant içerir (tipik olarak 80-90 kHz standart SAE J2954 sistemleri için). Bu AC akımı, o zaman hava boşluğundan geçen bir manyetik alan oluşturur (100-250 mm) ve aracı temel bir bantla bağlantıları.
Manyetik devre basit bir hava-core düzenlemesi değildir. Her iki bant, aracın şapel veya zemin altyapısına zarar veren, manyetik flux'i konsantre edebilir ve elektromanyetik müdahaleyi azaltır. alüminyum veya ek ferrite tabakaları, farklı zemin onarımını engeller ve sıcaklık hızları artar.
[[Dönetici performansı için Anahtar parametreleri şunlardır:).
- [0]Coupling kat (k))[0)[0)[0)[0) - EV pedler için tipik olarak 0.15-0.4; daha iyi, ancak büyük hava boşlukları doğal olarak sınırlı.
- [0]Kalite faktörü (Q)) - resonance keskinliğini belirler; düşük dirençle yüksek Q bantlar verimlilik için kritiktir.
- [FONT=0]Resonant tazminat topoloji[Dönetici:0][Dönderlik (SS), seri parallel (SP), veya LCC büyük sızıntıyı iptal etmek ve yeniden yük devretmede verimli bir güç transferini sağlamak için kullanılır.
Modern kablosuz şarj sistemleri 11 kW'a kadar (Level 2) ideal uyum altında% 92'nin üzerinde zirve sistemi verimliliği ile teslim edilebilir. ağır araç için araştırma prototipleri 200 kW veya daha fazla üç fazlı indüktif çift ve yüksek işletim frekansları kullanarak elde edilmiştir (IEEE Transactions on Power Electronics).
Gerginlik Dönüşüm ve izolasyon için Transformers
Telsiz şarj istasyonlarında, transformatörler, akü paketini tekrarlayan veya aşağı doğru şarj eden araçtadır. Ancak, birçok DC hızlı şarj cihazı (Level 3) doğrudan bir CCS, CHAdeMO veya NACS bağlantı yoluyla bağlantıya bağlanan büyük bir güç dolabından oluşur.
DC hızlı şarj cihazındaki izolasyon transformatörler genellikle büyüklüğü ve ağırlığı azaltmak için yüksek frekanslı bir tasarım kullanır. bir Hologram Hz line-freze dönüştürücü, AC hattını yüksek gerilim DC otobüse dönüştürür, sonra on yüz kilohertz'a kadar, nispeten kompakt bir yüksek frekanslı dönüştürücüyü geçer ve bu topolojide dönüştürücüyü EV batarya için ayarlamayı tekrarlar.
- [FONT=0)Voltage dönüşümü[[Dönetici: 1 ) - 800 V DC-bus geriliminden veya daha fazla EV batarya gerilimine (200-900 V mimarlıka bağlı olarak).
- [FONT:0]Galvanic izolasyon - şebeke ve araç arasında doğrudan elektrik bağlantısını engelleyen kritik bir güvenlik gereksinimi, kullanıcıları ve ekipmanlarını korumak.
- [FONT:0]Common-mode gürültüyü değerlendirme[Dönetici:0)[Dönetici:0) Kommon-mode gürültüyü, güç dönüştürücüleri tarafından üretilen yüksek frekanslı gürültüyü filtrelemek için tasarlanmıştır.
Yüksek frekanslı transformatörlerdeki temel malzeme genellikle ateşli (MnZn veya NiZn) yüksek permeability ve düşük çekirdek kaybı ile ameliyat frekansında yüksek basınçta Litz telini kullanır ve yüksek frekanslarda ağırlanır.
Manyetik Pozisyon Sensörleri
Kablosuz şarj sistemleri, yüksek verimlilik ve güvenli bir operasyon sağlamak için zemin ped ve araç pedleri arasında doğru bir uyum gerektirir. sadece birkaç santimetrenin manyetik alanı% 20 veya daha fazla azaltılabilir ve aşırı sızıntı alanları tespit edebilir. Manyetik pozisyon sensörleri, genellikle Hall etkisi veya anisotropic magnetoresistance (AMR), bir mıknatıstan veya küçük bir mıknatısdan manyetik alan tespit etmek için bir dizi manyetik sensörlere dayanmaktadır.
Bu transdüserler, sürücüye veya özerk park sistemine gerçek zamanlı geri bildirim sağlar, aracın en uygun şarj pozisyonuna yol açar. SAE J2954-compliant pedler gibi üretim sistemlerinde, hız ve iyonize edici ölçümler gibi dış kaynaklardan gelen yüksek enerjilerden uzak durmalı.
Elektromanyetik İletişim ve Helikopterler
Yüksek gerilim devrelerinin güvenlik kesintisi, herhangi bir EV şarj sisteminde kullanılamaz bir zorunluluktur. Elektromanyetik kontaktörler, DC kırılması için bir çift taşıyıcıyı kullanan ağır röpücüdürler (şimdiden daha zor bir görev) ve şarj seansı bittiğinde veya bir hata tespit edildiğinde, kontrol elektronikleri kapatma ve bağlantılarını hızla açma izin verir.
DC hızlı şarj şarj cihazında genellikle şarj kablo işleme veya araç içi şarj sistemi (CCS) iletişim protokolü ile kontrol edilir. Anahtarlamanın kendisi küçük bir elektromanyetik transducer; ne zaman güçlü, elektrik dolu bir alan oluşturur ve seramik, yüksek güç taleplerini sürekli güç tüketimi olmadan kapalı tutmak için 350 sürekli bir mıknatıs kullanır.
Transducers, Sistem Mimarilerine Nasıl Bütünleştirilir
Bireysel bileşenleri anlamak sadece resmin yarısıdır. Gerçek mühendislik meydan okuması, bu transdüserlerin tam şarj sistemi içinde nasıl etkileşim kurduğu konusunda yalanlar. İki hakim mimarisi inceleyeceğiz: davranışçı (teld) AC ve DC şarj, ve endüktif (telsiz) şarj.
Davranışlı Teld Şarj Sistemi
Bir iletken AC Level 2 kurulumunda, şarj istasyonu, yüksek frekanslı gürültüyü içeren bir AC cihazı (OBC) içinde, ilk aşama, ortak mod chokes içeren bir elektromanyetik müdahaledir - PFC çıkışının yüksek frekanslı DC kameraları kullanarak tekrar tekrar tekrarlanabilir.
DC hızlı şarj cihazı OBC'yi ortadan kaldırır ve doğrudan bataryaya bağlanır. İç mimarlık, bir ağ bağlantılı retifier, yüksek frekanslı izolasyon aşaması (dönüşümlü bir dönüştürücü kullanarak), ve toplam sistem kayıplarının% 20-30'unu oluşturan DC-DC dönüştürücüyü içerir.
Kablosuz Inductive Şarj Sistemi
EV'ler için kablosuz bir güç transferi (WPT) sistemi, iki fiziksel olarak ayrı yarı yarıya ayrılmıştır.Yer tarafta, AC'nin yüksek verimli şarj cihazı (köpücükler için üç fazlı), arkadan, soldan gelen bir şarj cihazı (parçalı) ile tekrarlanan bir şarj cihazı ile, solun solunda bulunan ve solun solunda bulunan manyetik kablolar ve alttakiler için ayarlanan bir yükleyiciye kadar.
WPT şarj cihazındaki kontrol sistemi, resonant ayarını, güç seviyesini ve düşük güç RF bağlantısını kullanarak (önetici iletişim için özel bantlar kullanarak) manyetik pozisyon sensörleri, pedleri hizalamak için giriş sağlar ve bazen zemin ped otomatik olarak ayarlayabilir bir . Tüm sistem, elektromanyetik transducers iş ortağıdır.
Güvenlik ve Verimlilik
Güvenlik herhangi bir elektrik sisteminde önemli ve EV şarj cihazı, IEC 61851, IEC 61980 ( kablosuz) ve bölgesel kodlar (örneğin, ABD'de UL 2202) manyetik ve elektromanyetik transducers her ikisine de izin veren ve koruyucu bir rol oynamalıdır.
[FONT:0)Isolation:[Dönetici: 0 3) Transformers, aracın soğutma sistemi için korozyona neden olabilecekleri, herhangi bir DC akımının bir hata durumundan araçtan akabileceğini garanti eder.Bu, kullanıcıların elektrik şokundan korur ve aracın soğutma sisteminin korozyonuna neden olabilecek yer döngüsü akımlarını engeller.
[FONT:0]Leakage alanı yönetimi: [Dönetici: [Dönetici: 0,6 şarjda, manyetik alan ICNIRP tarafından belirlenen güvenli maruz kalma sınırları içinde olmalıdır (Uluslararası Radyasyon Koruması Hakkında Uluslararası Komisyon). Ferrite şekillendirme, alüminyum kalkanlama ve aktif alan iptalleri (başka bir transducer) stray alanlarının azaltılması için kullanılabilir.
[FONT:0)Arc algılama ve kesinti:[Döneticiler ve röleler DC arkı söndürmek için hızlı ve güvenilir bir şekilde açıklanmalıdır. Bazı gelişmiş kontaktörler arkı bir tilki odaya uçurmak için kalıcı bir mıknatıs içerir.
[FONT:0]Efficiency: [Dönetici: [Dönetici 1] Her manyetik transdüser bazı kayıplar verir: şebeke-frezeler ve eddy akımları), bakır kaybı (I2R), ve yakınlık kaybı (I2R), sistem verimliliğini artırmak için, tasarımcılar, düşük miktardaki sıvıları azaltır (örneğin, amorf ve nano kristalizeküresel ısıtılırlar için ısıtılırlar ve yüksek frekanslı sıvıları azaltırlar için ısıtın.
Trendler ve Gelecek Yolları
EV şarj teknolojisi hızla ilerliyor ve manyetik transdüserler birçok yenilik merkezine gidiyor.
Resonant Inductive Coupling ve Genişletilmiş Range
Yüksek derecede resonant devreleri kullanarak (yüksek Q bant ve senkronizasyonlu ayar ile), araştırmacılar, 90'dan fazla mesafeyi aşan 300 mm'yi aştılar.Bu, yüksek zeminli yüksek bantlı yüksek performanslı kablolarla şarj sağlar ve hatta elektrikli bir yoldaki kilitlenmeler kullanarak hızları şarj eder ([Dönemli proje:2)Enge[Dönemli hava durumu[Dönemli hava durumu)
Biyön Şarj (V2G)
Araç-to-grid (V2G) teknolojisi, EV'nin üst talep sırasında eve veya ağa geri göndermesine izin verir. Bu, şarj cihazı veya DC hızlı şarj cihazının tersine çalışmasını gerektirir: Battery'in DC'si, izolasyon dönüştürücüleri aracılığıyla AC'ye ve beslenir. Manyetik transdüserler, temel magnetizasyon ve rüzgar izolasyonda ek gereksinimleri emsalize etmek zorundadır.
GaN ve SiC Power Cihazları
Geniş bantgap yarı iletkenlerinin benimsenmesi, 100-kHz meslektaşından daha küçük olabilir (örneğin, 1700 V) ve düşük geçirgenlik ve çok düşük kaybı olan temel malzemelerdir. Bu nanokristal ve ince film manyetik malzemelerde 10x daha küçük olabilir. aynı şekilde, yüksek gerilim SiC MOSFET (d.M. 1700 V) daha basit dönüştürücü ve düşük verimsizliğe izin verir.
Entegre Manyetik Bileşenleri
Uzayı kurtarmak ve parça saymak için, tasarımcılar tek bir bileşene birden fazla manyetik fonksiyonu entegre ediyorlar - örneğin, resonant inductor ve izolasyonu bir manyetik temel yapıya daha uygun hale getiriyorlar.Bu entegre manyetikler karşılıklı darbe ve flux yollarının dikkatli bir modeline ihtiyaç duyuyorlar, ancak daha yüksek güç yoğunluğu ve daha düşük maliyet elde edebiliyorlar.
Solid-State Transformers
Gelecekte, DC hızlı şarj cihazındaki ağır line-freze dönüştürücü, sağlam bir dönüştürücü (SST) tarafından değiştirilebilir ve güç elektroniklerini ve yüksek frekanslı manyetik izolasyonu boyutu elde etmek için yüksek frekanslı dönüştürücüyü kullanır. SST'ler zaten bazı orta gerilimli şarj cihazında dağıtılır ve tasarımının 4.16 kV veya 13.8 kV'den 60-Hz dönüştürücü olmadan doğrudan doğru bir şekilde doğru bir şekilde doğrulanabilir.
Pratik Zorluklar ve Tasarım
Olgunluğa rağmen, EV şarjında manyetik transdüserler mühendislik dikkat gerektiren devam eden zorluklarla karşı karşıyadır.
- [FONT:0] ⁇ yönetimi: [DDDÜDÜT:1] Manyetik bileşenler genellikle şarj sistemi ile en sıcak parçalardır. Frekans ve yük ile kaybı ve manyetik özellikleri (permeability, doygunluk flux yoğunluk) sıcaklık ile dereceleri gerekir.
- [FONT=0) WPT'de İLGİLİ: [DÜDÜ: 1) Büyük daha sonra, kullanıcı deneyimi için kalıcı bir konudur. Manyetik sensörler ve otomatik aktüatörler kullanarak daha yüksek şarj şarj cihazına eklenir, ancak maliyet ve karmaşık geometriler ekler (örneğin, çift-D, bipolar pedler)
- [FONT:0)Electromantik uyumluluk (EMC): ), güç dönüştürücüleri ve kablosuz şarj cihazı tarafından üretilen yüksek frekanslı manyetik alanlar iletişim sistemleri (AM radyo, anahtarsız giriş, lastik basıncı izleme) ile müdahale edebilir.
- [FONT=0]Cost ve malzeme tedariki: [Dönetici: [Dönetici:0]Tezli ve nanokristal çekirdekler (yüksek frekanslı dönüştürücüler için) tedarik zinciri volümeleri için.Potoksit demir ve senatörler için kullanılan nadir metaller.
- [FONT:0)Standarts uyumluluk:[Dönetici:[Dönetici: 0,2) Farklı küresel standartlarda çalışmak için tasarlanmıştır. –SAE J2954, IEC 61980, GB/T 38775 Çin'de - farklı frekans grupları, güç seviyeleri ve iletişim protokolleri. Manyetik transdüserler bu standartlarda çalışmak için yeterince modüler olmalıdır.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Manyetik ve elektromanyetik transdüserler, elektriksel enerjiyi manyetik alanlara dönüştürmek ve tekrar tekrar dönüşüm, galvanic izolasyon, güvenlik kesicilerinden, modern şarj sistemleri güvenilir ve güvenli hale getiren geniş kanallardan hareket eder. Endüstri daha yüksek enerji seviyesine doğru hareket eder, biyoyönerli enerji akışına ve dinamik kablosuz şarj sağlar, bu transdüserlerdeki talepler sadece temel mühendisliklerin sınırlarını zorlamak için devam etmelidir.
Filo operatörleri, otonom araç depoları için kablosuz şarj almayı veya tasarım mühendisleri için izolasyon dönüştürücüleri 1MW megawatt şarj sistemi (MCS) ağır kamyonlar için kullanmayı düşünüyor, prensipler aynı kalır: manyetik devreyi anlamak ve asla güvenlik konusunda uzlaşmaz. Transducer, ve performansı şarj deneyimini tanımlar.