Με τον όρο ασύρματη μεταφορά ισχύος εννοούμε τη μεταφορά ισχύος μεταξύ δύο ή περισσοτέρων ηλεκτρικών κυκλωμάτων ή συσκευών χωρίς φυσική επαφή, παρά μόνο μέσω μαγνητικής επαγωγής.
Η έννοια της ασύρματης μεταφοράς ισχύος υλοποιείται μέσω ενός μετασχηματιστή πυρήνα αέρος, ο οποίος είναι ένα χαλαρά συζευγμένο κύκλωμα, για τη μαγνητική σύνδεση και τη μεταφορά ισχύος μεταξύ πρωτεύοντος και δευτερεύοντος κυκλώματος. Λόγω της μεγάλης ευρωστίας που παρουσιάζει σε σκόνη και νερό σε συνδυασμό με τη γαλβανική απομόνωση, το χαμηλό κόστος συντήρησης και την υψηλή αξιοπιστία, η επαγωγική μεταφορά ισχύος έχει γίνει μία ελκυστική λύση για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.
Η χρήση της τεχνολογίας της ασύρματης μεταφοράς ισχύος για εφαρμογές φόρτισης ηλεκτρικού οχήματος έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε σήμερα το ηλεκτρικό αυτοκίνητο. Τα πλεονεκτήματα για τους καταναλωτές είναι πολλά, πρώτα απ’ όλα κάνοντας τη διαδικασία της φόρτισης απλή, ασφαλή και φιλική προς τον χρήστη, καθώς αποφεύγεται η οποιαδήποτε ταλαιπωρία γαλβανικής σύνδεσης με καλώδια και βύσματα.
Για τον λόγο αυτόν, σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, ο σχεδιασμός, η προσομοίωση και η κατασκευή ενός συστήματος ασύρματης μεταφοράς ισχύος για την ασύρματη φόρτιση ηλεκτρικού οχήματος.
Ο προτεινόμενος σχεδιασμός για την επαγωγική φόρτιση ηλεκτρικού οχήματος εφαρμόζεται σ’ ένα μικρής κλίμακας ηλεκτρικό αυτοκίνητο που καλύπτει προδιαγραφές χαμηλής ισχύος έως 20W για τάση εισόδου 12V DC. Η αποθήκευση της ενέργειας στο ηλεκτρικό όχημα δοκιμάζεται αρχικά σε μπαταρία τεχνολογίας Ni-MH ονομαστικής τάσης 7.2V και έπειτα σε συστοιχία υπερπυκνωτών (Supercapacitors).
Η διάταξη αποτελείται από αντιστροφέα υψηλής διακοπτικής συχνότητας, πηνίο πρωτεύοντος και πηνίο δευτερεύοντος μαζί με τα κυκλώματα αντιστάθμισης της άεργου ισχύος, καθώς και από ανορθωτή της τάσης εξόδου του δευτερεύοντος για την τροφοδότηση των συσσωρευτών του ηλεκτρικού αυτοκινήτου. Η τοπολογία αντιστάθμισης της αέργου ισχύος που προτείνεται είναι η σειράς-σειράς και αναλύονται τα πλεονεκτήματά της. Αυτή η εργασία εστιάζει την προσοχή της στη θεωρητική ανάλυση, στην προσομοίωση και στην πειραματική διερεύνηση της παραπάνω διάταξης.
Αρχικά εξάγονται οι μαθηματικές εξισώσεις του κυκλώματος και με τη βοήθεια των Μ/Σ Fourier και δοκιμής εν κενώ υπολογίζονται τα όρια λειτουργίας του συστήματος και μελετάται η συμπεριφορά του ρεύματος δευτερεύοντος στη συνεχή και στην ασυνεχή αγωγή.
Γίνεται εύκολα φανερό ότι το ποσό της ισχύος εξόδου ελέγχεται μεταβάλλοντας τη διακοπτική συχνότητα του αντιστροφέα. Ο προτεινόμενος αντιστροφέας είναι συνδεσμολογίας ημιγέφυρας(Half-Bridge). Εξετάζεται η συμπεριφορά του συστήματος και του ρεύματος εξόδου σε διάφορες συχνότητες λειτουργίας.
Στη συνέχεια, προσομοιώνεται το όλο σύστημα με τη βοήθεια του λογισμικού MATLAB/Simulink και καταγράφονται ενδεικτικές κυματομορφές για τη συμπεριφορά του συστήματος.
Τέλος, προκειμένου να επιβεβαιωθούν η θεωρητική ανάλυση και το μοντέλο της προσομοίωσης κατασκευάζεται το πειραματικό μοντέλο. Προτείνεται μία μέθοδος σχεδίασης των πηνίων για τη μαγνητική ζεύξη πρωτεύοντος και δευτερεύοντος και εξετάζονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά της. Σχεδιάζεται το κύκλωμα ελέγχου της διακοπτικής συχνότητας του αντιστροφέα με τη βοήθεια του μικροεπεξεργαστή DSPIC30F4011. Για την ανόρθωση της τάσης δευτερεύοντος χρησιμοποιείται μία γέφυρα πλήρους ανόρθωσης αποτελούμενη από διόδους Schottky. Η συχνότητα λειτουργίας του όλου συστήματος επιλέγεται στα 100kHz. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τη θεωρητική ανάλυση και τα αποτελέσματα της εξομοίωσης.