Исследователи из Chalmers разработали индукционную технологию, позволяющую заряжать аккумуляторы без помощи человека или робота-манипулятора. Технология также настолько совершенна, что вскоре ее можно будет представить промышленности.

Новый тип полупроводника на основе карбида кремния. И недавно разработанная медная проволока толщиной с человеческий волос. Это пара факторов, которые внезапно сделали более реалистичной передачу большой мощности по воздуху.

Индукционная зарядка — это новинка

Электрические зубные щетки делают это десятилетиями. В последние годы эту технологию подхватили сотовые телефоны и другая портативная электроника. Но для высокой мощности, необходимой для зарядки аккумуляторов в электромобиле, беспроводной вариант до сих пор казался слишком сложным и неэффективным.

Тем не менее, зарядка с помощью индукции теперь, кажется, стоит на пороге прорыва даже в случае аккумуляторных транспортных средств — прежде всего, когда зарядка должна происходить часто и там, где требовательны условия окружающей среды. Например, для электрического городского парома.

Зарядка без человека или роботизированной руки

Это будет означать, что электрические паромы, регулярно курсирующие по водным путям в городах, которые можно найти в Гётеборге и Стокгольме, не нуждаются в помощи человека или робота-манипулятора для зарядки аккумуляторов. То же самое относится к городским автобусам или беспилотным электромобилям, используемым в промышленности, горнодобывающей промышленности и сельском хозяйстве.

Юцзин Лю, профессор электроэнергетики на факультете электротехники в Чалмерсе, уделяет особое внимание преобразованию возобновляемой энергии и электрификации транспортной системы.

«Вы можете иметь встроенную в пристань систему, которая заряжает паром на некоторых остановках, одновременно с посадкой и высадкой пассажиров. Автоматическая и полностью независимая от погоды и ветра зарядка может происходить 30–40 раз в день. пожалуй, самое очевидное приложение», — говорит Юцзин Лю.

«Даже для электрических грузовиков будущего, возможно, есть потенциальное применение. Тогда причина скорее в том, что их придется заряжать такой высокой мощностью, что зарядный кабель становится очень толстым и тяжелым, и поэтому с ним трудно обращаться».

Новые возможности благодаря разработке материалов

По словам Юцзин Лю, быстрое развитие нескольких компонентов и материалов в последние годы открыло новые возможности.

«Ключевым фактором является то, что теперь у нас есть доступ к мощным полупроводникам на основе карбида кремния , так называемым компонентам SiC. В качестве продуктов силовой электроники они появились на рынке всего несколько лет. Они позволяют нам использовать более высокое напряжение, более высокая температура и намного более высокая частота переключения по сравнению с классическими компонентами на основе кремния», — говорит он.

Это важно, потому что именно частота магнитного поля устанавливает предел мощности, которую можно передать между двумя катушками заданного размера.

Четыре раза выше частоты

«Предыдущие системы для беспроводной зарядки транспортных средств использовали частоты около 20 кГц, как обычная плита. Они стали громоздкими, а передача энергии была не очень эффективной. Теперь мы работаем с частотами, которые в четыре раза выше. Тогда индукция внезапно становится привлекательной. », — объясняет Юцзин Лю.

Он добавляет, что его исследовательская группа находится в тесном контакте с ведущими производителями модулей SiC в мире, двумя компаниями, базирующимися в США и Германии соответственно.

«С ними происходит быстрая разработка продуктов в направлении еще более высоких токов, напряжений и эффектов. Каждые два или три года выпускаются новые версии, которые могут выдерживать больше. Эти типы компонентов являются важными «активаторами» с широким спектром приложений. например, в электромобилях, а не только для индуктивной зарядки».

Еще один недавний технологический прорыв касается медных проводов в катушках, которые посылают и принимают, соответственно, колеблющееся магнитное поле, которое образует фактический мост для потока энергии через воздушный зазор. Здесь цель состоит в том, чтобы использовать как можно более высокую частоту.

«Тогда это не работает с катушками, обмотанными обычным медным проводом, это привело бы к очень большим потерям на высокой частоте», — говорит Юцзин Лю.

Вместо этого катушки теперь состоят из плетеных «медных канатов», состоящих из до 10 000 медных волокон, каждое толщиной всего от 70 до 100 микрометров. Очень похоже на прядь волос.

Такие оплетки из так называемого литцендратного провода, приспособленные для высоких токов и частот, также стали коммерчески доступными только в последние несколько лет.

Третий пример, который выделяет Юцзин Лю, — это новый тип конденсаторов, которые используются для добавления реактивной мощности, необходимой для того, чтобы катушка могла создавать достаточно мощное магнитное поле.

Юцзин Лю подчеркивает, что зарядка электромобилей включает в себя несколько этапов преобразования — между постоянным током и переменным током, а также между разными уровнями напряжения.

«Итак, когда мы говорим, что достигли КПД 98 процентов от постоянного тока в зарядной станции до батареи, эта цифра может не иметь большого значения, если вы не будете тщательно определять, что измеряется», — рассуждает он.

«Но можно также сказать и так: потери возникают независимо от того, используете ли вы обычную, кондуктивную зарядку или заряжаете с помощью индукции. Достигнутая нами сейчас эффективность означает, что потери при индуктивной зарядке могут быть почти такими же низкими, как при кондуктивной зарядке. Разница настолько мала, что практически незначительна, составляет около одного-двух процентов».

Цифры привлекают внимание

Он добавляет, что результаты, опубликованные его исследовательской группой, привлекли большое внимание.

«Вероятно, мы являемся одними из лучших в мире по эффективности в этом классе мощности от 150 до 500 кВт».

Yujing не думает, что индукционная зарядка со временем заменит зарядку кабелем.

«Я сам езжу на электромобиле и не вижу смысла в индукционной зарядке в будущем. Еду домой, подключаю… проблем нет».

Является ли беспроводная зарядка более устойчивой технологией, чем зарядка обычным способом?

«Вероятно, не следует утверждать, что сама технология более устойчива. Но она может упростить электрификацию больших транспортных средств и, таким образом, ускорить отказ от, например, паромов с дизельным двигателем», — говорит Юцзин.

Факты об индукционной зарядке

• Зарядка с использованием индукции означает, что ток может передаваться на короткое расстояние, например, по воздуху, воде и другим неметаллическим материалам, без какого-либо контакта или проводника.
• Принцип тот же, что и в индукционных плитах, которые можно найти на многих кухнях. Переменный ток высокой частоты через катушку создает колеблющееся магнитное поле.
• Но в отличие от приготовления пищи, где основное значение имеет выделение тепла, индуктивная зарядка означает, что вторая катушка на борту транспортного средства улавливает энергию магнитного поля и снова преобразует ее в переменный ток, который после выпрямления может заряжать батареи.
• Тепло, выделяющееся в процессе, означает, что часть передаваемой энергии теряется. Таким образом, минимизация нагрева, насколько это возможно, является важной целью развития технологий.