Sistema inalámbrico de carga de vehículos eléctricos (wevcs)

Hoy en día, el mundo está cambiando hacia la movilidad electrificada para reducir las emisiones contaminantes causadas por los vehículos de combustibles fósiles no renovables y proporcionar la alternativa al costoso combustible para el transporte. Pero para los vehículos eléctricos, la autonomía de viaje y el proceso de carga son los dos problemas principales que afectan su adopción sobre los vehículos convencionales.

Con la introducción de la tecnología de carga por cable, no más esperas en las estaciones de carga durante horas, ahora cargue su vehículo con solo estacionarlo en el lugar de estacionamiento o en su garaje o incluso mientras conduce puede cargar su vehículo eléctrico. A partir de ahora, estamos muy familiarizados con la transmisión inalámbrica de señales de datos, audio y video, entonces, ¿por qué no podemos transferir energía por aire?

Gracias al gran científico Nikola Tesla por sus increíbles inventos ilimitados en los que la transferencia de energía inalámbrica es uno de ellos. Comenzó su experimento sobre la transmisión de energía inalámbrica en 1891 y desarrolló la bobina Tesla. En 1901, con el objetivo principal de desarrollar un nuevo sistema de transmisión de energía inalámbrica, Tesla comenzó a desarrollar la Torre Wardenclyffe para una gran estación de transmisión de energía inalámbrica de alto voltaje. La parte más triste es que las deudas de satisfacer Tesla, la torre fue dinamitado y demolido por la chatarra el 4 de julio ^º 1917

El principio básico de carga inalámbrica es el mismo que el principio de funcionamiento del transformador. En la carga inalámbrica hay transmisor y receptor, la fuente de CA de 220V 50Hz se convierte en corriente alterna de alta frecuencia y esta CA de alta frecuencia se suministra a la bobina del transmisor, luego crea un campo magnético alterno que corta la bobina del receptor y provoca la producción de salida de energía de CA en bobina receptora. Pero lo importante para una carga inalámbrica eficiente es mantener la frecuencia de resonancia entre el transmisor y el receptor. Para mantener las frecuencias de resonancia, se agregan redes de compensación en ambos lados. Luego, finalmente, esta energía de CA en el lado del receptor se rectificó a CC y se alimentó a la batería a través del Sistema de administración de batería (BMS).

Carga inalámbrica estática y dinámica

Según la aplicación, los sistemas de carga inalámbrica para vehículos eléctricos se pueden distinguir en dos categorías,

Carga inalámbrica estática
Carga inalámbrica dinámica

1. Carga inalámbrica estática

Como su nombre lo indica, el vehículo se carga cuando permanece estático. Entonces, aquí podríamos simplemente estacionar el EV en el lugar de estacionamiento o en el garaje que está incorporado con WCS. El transmisor se coloca debajo del suelo y el receptor se coloca debajo del vehículo. Para cargar el vehículo, alinee el transmisor y el receptor y déjelo cargar. El tiempo de carga depende del nivel de alimentación de CA, la distancia entre el transmisor y el receptor y el tamaño de sus pads.

Este SWCS es mejor para construir en áreas donde se estaciona EV durante un cierto intervalo de tiempo.

2. Sistema de carga inalámbrica dinámica (DWCS):

Como su nombre indica aquí, el vehículo se carga mientras está en movimiento. La energía se transfiere por el aire desde un transmisor estacionario a la bobina receptora en un vehículo en movimiento. Mediante el uso de la autonomía de viaje de DWCS EV se podría mejorar con la carga continua de su batería mientras se conduce por carreteras y autopistas. Reduce la necesidad de un gran almacenamiento de energía que reduce aún más el peso del vehículo.

Tipos de EVWCS

Según las técnicas de funcionamiento, EVWCS se puede clasificar en cuatro tipos

Sistema de carga inalámbrica capacitiva (CWCS)
Sistema de carga inalámbrica de engranajes magnéticos permanentes (PMWC)
Sistema de carga inalámbrica inductiva (IWC)
Sistema de carga inalámbrica inductiva resonante (RIWC)

1. Sistema de carga inalámbrica capacitiva (CWCS)

La transferencia inalámbrica de energía entre el transmisor y el receptor se logra mediante la corriente de desplazamiento provocada por la variación del campo eléctrico. En lugar de imanes o bobinas como transmisor y receptor, aquí se utilizan condensadores de acoplamiento para la transmisión inalámbrica de energía. La tensión de CA se suministra primero al circuito de corrección del factor de potencia para mejorar la eficiencia y mantener los niveles de tensión y reducir las pérdidas mientras se transmite la potencia. Luego se suministra a un puente en H para la generación de voltaje CA de alta frecuencia y esta CA de alta frecuencia se aplica a la placa transmisora, lo que provoca el desarrollo de un campo eléctrico oscilante que provoca la corriente de desplazamiento en la placa receptora por medio de inducción electrostática.

El voltaje CA en el lado del receptor se convierte en CC para alimentar la batería a través del BMS mediante circuitos rectificadores y filtros. La frecuencia, el voltaje, el tamaño de los condensadores de acoplamiento y el espacio de aire entre el transmisor y el receptor afectan la cantidad de energía transferida. Su frecuencia de funcionamiento es de 100 a 600 KHz.

2. Sistema de carga inalámbrica de engranajes de imán permanente (PMWC)

Aquí, el transmisor y el receptor constan de un devanado de inducido e imanes permanentes sincronizados dentro del devanado. En el lado del transmisor, el funcionamiento es similar al funcionamiento del motor. Cuando aplicamos la corriente CA al devanado del transmisor, induce un par mecánico en el imán del transmisor y hace que gire. Debido al cambio de interacción magnética en el transmisor, el campo de PM provoca un par en el receptor de PM que da como resultado su rotación en sincronía con el imán del transmisor. Ahora el cambio en el campo magnético permanente del receptor provoca la producción de corriente alterna en el devanado, es decir, el receptor actúa como generador como entrada de energía mecánica al receptor PM convertida en salida eléctrica en el devanado del receptor. El acoplamiento de imanes permanentes giratorios se denomina engranaje magnético.. La energía de CA generada en el lado del receptor se alimenta a la batería después de rectificar y filtrar a través de convertidores de energía.

3. Sistema de carga inalámbrica inductiva (IWC)

El principio básico de IWC es la ley de inducción de Faraday. Aquí, la transmisión inalámbrica de potencia se logra mediante la inducción mutua de campo magnético entre el transmisor y la bobina receptora. Cuando el suministro de CA principal se aplica a la bobina del transmisor, crea un campo magnético de CA que pasa a través de la bobina del receptor y este campo magnético mueve los electrones en la bobina del receptor y genera una salida de energía de CA. Esta salida de CA se rectifica y filtra para cargar el sistema de almacenamiento de energía del EV. La cantidad de energía transferida depende de la frecuencia, la inductancia mutua y la distancia entre el transmisor y la bobina receptora. La frecuencia de funcionamiento de IWC es de 19 a 50 KHz.

4. Sistema de carga inalámbrica inductiva resonante (RIWC)

Básicamente, los resonadores que tienen un factor de calidad alto transmiten energía a una velocidad mucho más alta, por lo que al operar en resonancia, incluso con campos magnéticos más débiles, podemos transmitir la misma cantidad de potencia que en IWC. La energía se puede transferir a largas distancias sin cables. La transferencia máxima de potencia por el aire ocurre cuando las bobinas del transmisor y del receptor están sintonizadas, es decir, las frecuencias resonantes de ambas bobinas deben coincidir. Entonces, para obtener buenas frecuencias de resonancia, se agregan redes de compensación adicionales en las combinaciones en serie y en paralelo a las bobinas del transmisor y del receptor. Esta red de compensación adicional junto con la mejora en la frecuencia de resonancia también reduce las pérdidas adicionales. La frecuencia de funcionamiento de RIWC está entre 10 y 150 KHz.

Carga inalámbrica de vehículos eléctricos

La carga inalámbrica hace que los vehículos eléctricos se carguen sin necesidad de enchufarlos. Si cada empresa establece sus propios estándares para los sistemas de carga inalámbrica que no son compatibles con otros sistemas, no será algo bueno. Para que la carga inalámbrica de vehículos eléctricos sea más fácil de usar Muchas organizaciones internacionales como la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), la Sociedad de Ingenieros Automotrices

(SAE), Underwriters Laboratories (UL) Instituto de ingenieros eléctricos y electrónicos (IEEE) están trabajando en estándares.

SAE J2954 define WPT para vehículos eléctricos ligeros enchufables y metodología de alineación. Según este estándar, el nivel 1 ofrece una potencia de entrada máxima de 3,7 Kw, el nivel 2 ofrece 7,7 Kw, el nivel 3 ofrece 11 Kw y el nivel 4 ofrece 22 Kw. Y la eficiencia objetivo mínima debe ser superior al 85% cuando se alinea. La distancia al suelo permitida debe ser de hasta 10 pulgadas y la tolerancia de lado a lado es de hasta 4 pulgadas. El método de alineación más preferible es la triangulación magnética que ayuda a mantenerse dentro del rango de carga en el estacionamiento manual y ayuda a encontrar lugares de estacionamiento para vehículos autónomos.

El estándar SAE J1772 define el acoplador de carga conductivo EV / PHEV.
El estándar SAE J2847 / 6 define la comunicación entre vehículos cargados inalámbricos y cargadores EV inalámbricos.
El estándar SAE J1773 define la carga acoplada inductivamente EV.
El estándar SAE J2836 / 6 define los casos de uso para la comunicación de carga inalámbrica para PEV.
El tema 2750 de UL define el esquema de investigación para WEVCS.
IEC 61980-1 Cor.1 Ed.1.0 define los requisitos generales de los sistemas EV WPT.
IEC 62827-2 Ed.1.0 define WPT-Management: Gestión de control de múltiples dispositivos.
IEC 63028 Ed.1.0 define la Especificación del sistema de línea base resonante WPT-Air Fuel Alliance.

Empresas actualmente desarrolladas y trabajando en WCS

El grupo Evatran está fabricando carga sin enchufe para vehículos eléctricos de pasajeros como Tesla Model S, BMW i3, Nissan Leaf, Gen 1 Chevrolet Volt.
WiTricy Corporation está fabricando WCS para automóviles de pasajeros y SUV hasta ahora está trabajando con Honda Motor Co. Ltd, Nissan, GM, Hyundai, Furukawa Electric.
Qualcomm Halo está fabricando WCS para pasajeros, deportivos y de carreras y es adquirido por Witricity Corporation.
Hevo Power está fabricando WCS para turismos
Bombardier Primove está fabricando WCS para vehículos de pasajeros y SUV.
Siemens y BMW están fabricando WCS para turismos.
Momentum Dynamic está haciendo que WCS Corporation sea una flota comercial y un autobús.
Conductix-Wampfler está fabricando WCS para flotas y autobuses industriales.

Desafíos que enfrenta WEVCS

Para instalar estaciones de carga inalámbricas estáticas y dinámicas en las carreteras, se requiere un nuevo desarrollo de infraestructura ya que la disposición actual no es adecuada para las instalaciones.
Necesidad de mantener la EMC, EMI y las frecuencias de acuerdo con los estándares para la salud humana y la seguridad.