Um novo receptor solenóide oco compatível com o duplo global

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11925 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A tecnologia de transferência indutiva de energia (IPT) é uma solução promissora para carregar veículos elétricos (EVs), permitindo que um EV carregue seu sistema de armazenamento de energia (bateria) sem quaisquer fios de conexão por meio de acoplamento magnético. Este artigo propõe um novo projeto de receptor denominado receptor Hollow Solenoid que é compatível com o transmissor padrão duplo-D definido pela norma SAE J2954. Uma análise profunda do projeto do receptor Hollow Solenoid proposto é apresentada para definir os parâmetros ideais de projeto para bobina (indutâncias, número de voltas, dimensões, fios, etc.) e núcleo de ferrite (dimensões, número, disposição, etc.). Vários projetos de receptor solenóide (SR) WPT3 (11,1kVA) foram apresentados e analisados ​​com base em eficiência, peso, tamanho, volume e custo. O desempenho do SR proposto foi comparado com o receptor Double-D global (DDR) apresentado pela norma SAE J2954 sob diferentes alinhamentos laterais e rotacionais e condições de carregamento considerando fator de acoplamento, potência e eficiência de transmissão e campos eletromagnéticos parasitas (EMFs). Todo o sistema IPT, incluindo bobinas, rede de compensação, conversores de potência, controles e carga de bateria, foi modelado e analisado para bobinas SR e DDR. Os resultados revelam que o SR proposto é compatível com o transmissor DD global em diferentes condições de alinhamento e carga e é capaz de transmitir a potência desejada (11 kW) com uma eficiência > 85%. O design Hollow SR apresenta a maior eficiência e o menor tamanho, peso e custo em comparação com DDR e outros designs.

O sector dos transportes representa uma importante fonte de emissões prejudiciais (mais elevadas nos EUA), uma vez que depende principalmente de combustíveis fósseis, que são uma fonte de energia não permanente e que provavelmente se esgotarão com o tempo. Portanto, existe uma necessidade urgente de utilizar veículos eléctricos (VE) para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e reduzir as emissões de gases com efeito de estufa (GEE). A implantação de VE em grande escala pode ser dificultada se a infraestrutura de carregamento adequada não estiver disponível ou acessível. A tecnologia de transferência indutiva de energia (IPT) apresenta recursos promissores que permitem o carregamento de veículos elétricos durante o estacionamento e movimento de longa duração. IPT é uma técnica para carregar baterias EV em uma grande distância de entreferro (100–400 mm) sem qualquer contato físico. Possui diversas vantagens sobre os carregadores plug-in em termos de automação, flexibilidade, segurança, manutenção e conveniência. Também é adequado em condições ambientais adversas, como chuva, neve, poeira, etc.1. O sistema IPT consiste em dois lados isolados; o lado terra (transmissor) que contém um bloco primário, circuito ressonante, inversor de alta frequência (HF) e retificador de rede. O lado do veículo (receptor) que contém um bloco secundário, circuito ressonante e retificador de diodo que alimenta a bateria EV, conforme indicado na Fig. 1. A fonte de alimentação fornece energia de baixa frequência ao inversor que a converte em energia HF e alimenta o bobina transmissora (primária). Os campos eletromagnéticos gerados pela bobina primária são acoplados à bobina secundária para transmitir a energia na mesma frequência de alimentação. A alimentação secundária HF é recertificada para carregar a bateria EV. Os lados primário e secundário conversam entre si por meio de um link de comunicação sem fio para permitir alinhamento, autenticação, controle e pagamento de contas.

Componentes exemplares do sistema IPT fracamente acoplados.

O acoplador indutivo magnético (pads primário e secundário) é um componente vital no sistema IPT responsável por transferir a energia da fonte para a carga. Muitas estruturas e designs de almofadas foram introduzidos e discutidos na literatura com base no formato dos campos eletromagnéticos gerados. Essas estruturas são divididas em três tipos, estruturas polarizadas, nas quais os componentes do fluxo viajam horizontalmente, como a almofada duplo D (DD) e a almofada solenóide2. Estruturas com componentes de fluxo verticais são chamadas de não polarizadas, como almofadas retangulares e circulares3. A terceira estrutura consiste em múltiplas bobinas sobrepostas que são mutuamente desacopladas e podem gerar fluxo vertical e horizontal, como almofadas bipolares e tripolares4. Pads retangulares e DD para transmissor e receptor são apresentados nos padrões SAE J2954 para carregamento de veículos elétricos leves. Esses pads apresentam boas vantagens em termos de simplicidade e desempenho, o que os torna adequados para pads transmissores. Porém, devido à grande quantidade de fios litz e ferrite utilizados nessas pastilhas, elas apresentam grande peso, grande tamanho e alto custo, o que as torna inadequadas para pastilhas de veículos, onde espaço e peso são críticos. A bobina solenóide é uma estrutura magnética promissora para pastilhas veiculares com muito bom desempenho (alto fator de acoplamento com alta densidade de potência e tamanho pequeno) e baixo custo. Também permite grande tolerância ao desalinhamento com entreferros médios e grandes devido à ausência de posição de acoplamento zero, por ser uma estrutura de dupla face e gerar uma grande radiação não ionizante5,6. Os autores in7 projetaram um sistema de carregamento sem fio que consiste em uma bobina solenóide plana e um conversor boost intercalado. Um protótipo foi construído para investigação prática que transmite potência de 500 W através de um entreferro de 170 mm. Os parâmetros da bobina solenóide foram otimizados e a eficiência de transmissão CC-CC de 90,1% foi obtida. No In8, os pesquisadores combinaram uma bobina solenóide com uma bobina retangular para formar uma almofada transmissora. Por outro lado, almofadas circulares e retangulares foram utilizadas separadamente. Foi feita uma comparação entre eles em termos de variação da indutância da bobina, do grau de disparidade no desalinhamento, bem como do fator de acoplamento. Verificou-se que quando o solenóide é combinado e colocado no meio da bobina retangular, o coeficiente de acoplamento aumenta significativamente. In5, um sistema IPT é projetado com base na configuração do solenóide para transmitir a potência desejada através de um entreferro de 200 mm. Núcleos de ferrite guiadores de fluxo foram propostos para aumentar o coeficiente de acoplamento, e uma blindagem metálica de alumínio foi usada para eliminar campos eletromagnéticos de vazamento. Os pesquisadores propuseram um sistema IPT baseado principalmente na configuração do solenóide em9. Este sistema consiste em um solenóide plano no lado do transmissor e dois solenóides no lado do receptor. Foi feita uma análise do sistema para obter o maior coeficiente de acoplamento, e o princípio de interoperabilidade do sistema proposto com configurações DD e bipolar foi testado. Uma transmissão de potência de 6 kW é obtida através de um entreferro de 50 mm, com uma tolerância de desalinhamento horizontal de 125 mm.