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Dec 18, 2023

Un nuovo ricevitore a solenoide cavo compatibile con il global double

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 11925 (2023) Cita questo articolo 292 Accessi Dettagli metriche La tecnologia di trasferimento di potenza induttivo (IPT) è una soluzione promettente per caricare l'elettricità

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La tecnologia di trasferimento di potenza induttivo (IPT) è una soluzione promettente per caricare i veicoli elettrici (EV) consentendo a un veicolo elettrico di caricare il proprio sistema di accumulo di energia (batteria) senza cavi di collegamento tramite accoppiamento magnetico. Questo articolo propone un nuovo design del ricevitore denominato ricevitore Hollow Solenoid compatibile con il trasmettitore doppia D standard definito dallo standard SAE J2954. Viene presentata un'analisi progettuale approfondita per il ricevitore a solenoide cavo proposto per definire i parametri di progettazione ottimali per la bobina (induttanze, numero di spire, dimensioni, fili, ecc.) e il nucleo di ferrite (dimensioni, numero, disposizione, ecc.). Sono stati presentati e analizzati diversi progetti di ricevitori a solenoide (SR) WPT3 (11,1 kVA) in base a efficienza, peso, dimensioni, volume e costo. Le prestazioni dell'SR proposto sono state confrontate con il ricevitore Double-D globale (DDR) presentato dallo standard SAE J2954 in diversi allineamenti laterali e rotazionali e condizioni di carico considerando il fattore di accoppiamento, la potenza e l'efficienza di trasmissione e i campi elettromagnetici vaganti (EMF). L'intero sistema IPT, comprese le bobine, la rete di compensazione, i convertitori di potenza, i controlli e il carico della batteria, è stato modellato e analizzato sia per le bobine SR che per quelle DDR. I risultati rivelano che l'SR proposto è compatibile con il trasmettitore DD globale in diverse condizioni di allineamento e carico ed è in grado di trasmettere la potenza desiderata (11 kW) con un'efficienza > 85%. Il design Hollow SR mostra la massima efficienza e dimensioni, peso e costi più bassi rispetto al DDR e ad altri design.

Il settore dei trasporti rappresenta una delle principali fonti di emissioni nocive (le più elevate negli Stati Uniti) poiché dipende principalmente dai combustibili fossili che sono una fonte di energia non permanente e che probabilmente si esauriscono nel tempo. Pertanto, esiste un’urgente necessità di utilizzare veicoli elettrici (EV) per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e ridurre le emissioni di gas a effetto serra (GHG). La diffusione dei veicoli elettrici su larga scala può essere ostacolata se l’infrastruttura di ricarica adeguata non è disponibile o accessibile. La tecnologia di trasferimento di potenza induttivo (IPT) mostra caratteristiche promettenti che consentono la ricarica dei veicoli elettrici durante il parcheggio a lungo termine e durante il movimento. L'IPT è una tecnica per caricare le batterie dei veicoli elettrici su un'ampia distanza di traferro (100–400 mm) senza alcun contatto fisico. Presenta numerosi vantaggi rispetto ai caricabatterie plug-in in termini di automazione, flessibilità, sicurezza, manutenzione e praticità. È adatto anche in condizioni ambientali difficili come pioggia, neve, polvere, ecc.1. Il sistema IPT è costituito da due lati isolati; il lato terra (trasmettitore) che contiene un pad primario, un circuito risonante, un inverter ad alta frequenza (HF) e un raddrizzatore di rete. Il lato del veicolo (ricevitore) che contiene un pad secondario, un circuito risonante e un raddrizzatore a diodi che alimenta la batteria del veicolo elettrico, come indicato in Fig. 1. L'alimentatore fornisce potenza a bassa frequenza all'inverter che la converte in potenza HF e alimenta il bobina del trasmettitore (primaria). I campi elettromagnetici generati dalla bobina primaria sono accoppiati con la bobina secondaria per trasmettere la potenza alla stessa frequenza di alimentazione. L'alimentazione secondaria HF è ricertificata per caricare la batteria del veicolo elettrico. I lati primario e secondario comunicano tra loro tramite un collegamento di comunicazione wireless per consentire l'allineamento, l'autenticazione, il controllo e il pagamento delle fatture.

Componenti esemplari del sistema IPT ad accoppiamento libero.

L'accoppiatore induttivo magnetico (pad primario e secondario) è un componente vitale nel sistema IPT responsabile del trasferimento della potenza dalla sorgente al carico. Molte strutture e progetti di pad sono stati introdotti e discussi in letteratura in base alla forma dei campi elettromagnetici generati. Queste strutture sono divise in tre tipi, strutture polarizzate, in cui i componenti del flusso viaggiano orizzontalmente come il pad a doppia D (DD) e il pad solenoide2. La struttura con componenti di flusso verticale è chiamata non polarizzata come i pad rettangolari e circolari3. La terza struttura è costituita da più bobine sovrapposte che sono reciprocamente disaccoppiate e possono generare flussi sia verticali che orizzontali come pad bipolari e tripolari4. I pad rettangolari e DD sia per il trasmettitore che per il ricevitore sono presentati negli standard SAE J2954 per la ricarica dei veicoli elettrici leggeri. Questi pad presentano buoni vantaggi in termini di semplicità e prestazioni, che li rendono adatti al pad trasmettitore. Tuttavia, a causa della grande quantità di fili litz e ferrite utilizzati in questi cuscinetti, presentano un peso elevato, grandi dimensioni e un costo elevato, che li rendono inappropriati per un cuscinetto per veicoli, dove lo spazio e il peso sono fondamentali. La bobina del solenoide è una struttura magnetica promettente per i cuscinetti del veicolo con ottime prestazioni (elevato fattore di accoppiamento con elevata densità di potenza e dimensioni ridotte) e basso costo. Consente inoltre un'ampia tolleranza di disallineamento con traferri medi e grandi a causa dell'assenza di una posizione di accoppiamento zero poiché è una struttura a doppia faccia e genera una grande radiazione non ionizzante5,6. Gli autori di in7 hanno progettato un sistema di ricarica wireless costituito da una bobina solenoide piatta e un convertitore boost interleaved. Per l'indagine pratica è stato costruito un prototipo che trasmette una potenza di 500 W attraverso una distanza di traferro di 170 mm. I parametri della bobina del solenoide sono stati ottimizzati ed è stata ottenuta un'efficienza di trasmissione cc-cc del 90,1%. In8, i ricercatori hanno combinato una bobina solenoide con una bobina rettangolare per formare un pad trasmettitore. D'altra parte, i cuscinetti circolari e rettangolari sono stati utilizzati separatamente. È stato effettuato un confronto tra loro in termini di variazione dell'induttanza della bobina, grado di disparità nel disallineamento e fattore di accoppiamento. Si è riscontrato che quando il solenoide viene combinato e posizionato al centro della bobina rettangolare, il coefficiente di accoppiamento aumenta notevolmente. In5, un sistema IPT è progettato in base alla configurazione del solenoide per trasmettere la potenza desiderata attraverso un traferro di 200 mm. Sono stati proposti nuclei di ferrite guidatori di flusso per aumentare il coefficiente di accoppiamento ed è stata utilizzata una schermatura metallica in alluminio per eliminare i campi elettromagnetici di dispersione. I ricercatori hanno proposto un sistema IPT basato principalmente sulla configurazione del solenoide in9. Questo sistema è composto da un solenoide piatto dal lato trasmettitore e da due solenoidi dal lato ricevitore. È stata effettuata un'analisi del sistema per ottenere il coefficiente di accoppiamento più elevato ed è stato testato il principio di interoperabilità del sistema proposto con configurazioni DD e bipolari. Una trasmissione di potenza di 6 kW è ottenuta attraverso un traferro di 50 mm, con una tolleranza di disallineamento orizzontale di 125 mm.