Η παρούσα διπλωματική εργασία, πραγματεύεται τη μελέτη, τον σχεδιασμό, την κατασκευή και τη δοκιμή μίας διάταξης ασύρματης μεταφοράς ισχύος τουλάχιστον 1 kW σε απόσταση 150mm, για τη φόρτιση των συσσωρευτών ενός υποθετικού ηλεκτρικού οχήματος. Με τον όρο ασύρματη μεταφορά ισχύος, εννοείται ότι το εν λόγω σύστημα θα μεταφέρει ισχύ από το δίκτυο Ε.Τ. στο ηλεκτρικό όχημα χωρίς γαλβανική ή αλλού είδους επαφή ή σύνδεση μεταξύ τους. Αυτή η ιδέα, αν και καθόλου πρόσφατη, αφού οι πρώτες προσπάθειες για τη δημιουργία ενός τέτοιου συστήματος είχαν γίνει αρχικά από τον Nicola Tesla, μόλις τις τελευταίες δεκαετίες κατάφερε να υλοποιηθεί σε εμπορικά αξιοποιήσιμο βαθμό, εξ’ αιτίας της μεγάλης προόδου στην τεχνολογία των ημιαγωγικών υλικών και των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Οι τελευταίοι αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι του συστήματος.
Η λογική της ασύρματης μεταφοράς ενέργειας λειτουργεί ως εξής: τροφοδοτείται με υψίσυχνη τάση ένα πηνίο (πρωτεύον συζευκτής), στο οποίο έχει γίνει αντιστάθμιση της αέργου ισχύος με κατάλληλη διάταξη, ενώ έχει τοποθετηθεί και ένα αντίστοιχο αντισταθμισμένο πηνίο (δευτερεύον συζευκτής), σε κατάλληλη απόσταση απέναντί του. Έτσι, βάσει του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητική επαγωγής, το υψίσυχνο ρεύμα που διαρρέει το πρωτεύον θα επάγει ένα αντίστοιχα υψίσυχνο ρεύμα στο δευτερεύον. Σε αυτήν τη μορφή το ρεύμα στο δευτερεύον δεν θα είχε ουσιαστική χρηστική αξία αφού για τη χρήση του απαιτείται πάλι η μετατροπή του σε συνεχές. Εδώ λοιπόν έγκειται και η συνεισφορά της προόδου των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος στο αντικείμενο. Τόσο για τη μετατροπή της Σ.Τ. σε υψίσυχνη εναλλασσόμενη όσο και για την ανόρθωση στο δευτερεύον, απαιτούνται ημιαγωγικά στοιχεία ικανά να διαχειρίζονται υψηλά ρεύματα και τάσεις, σε συχνότητες δεκάδων ή εκατοντάδων kHz. Για την αποδοτική λειτουργία συνεπώς ενός τέτοιου συστήματος απαιτούνται, προσεκτική μελέτη και σχεδιασμός τόσο των συζευκτών όσο και των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος.
Η ασύρματη μεταφορά ισχύος έχει ήδη βρει εφαρμογή σε μικροσυσκευές, αλλά στα ηλεκτρικά οχήματα η χρήση της δεν έχει βρει ακόμη τον εμπορικό δρόμο σε ευρεία κλίμακα, αφού απαιτείται περαιτέρω μελέτη και εξέλιξη. Τα συγκριτικά πολύ μεγαλύτερα επίπεδα ισχύος και οι σημαντικές αποστάσεις μεταφοράς σε σχέση με τις μικροσυσκευές, δημιουργούν προκλήσεις στον σχεδιασμό και στην κατασκευή ενός αξιόπιστου και αποδοτικού συστήματος για ηλεκτρικά οχήματα. Έτσι, με βάση τη διαθέσιμη βιβλιογραφία αποφασίσθηκε να γίνει προσπάθεια σχεδιασμού και κατασκευής μίας τέτοιας διάταξης, με υψηλό βαθμό απόδοσης. Παράλληλα, θα εξάγονταν συμπεράσματα για το πόσο χρήσιμη είναι η μελέτη των συζευκτών με τη χρήση λογισμικού προσομοίωσης (FEM) και τι βαθμό αξιοπιστίας θα είχαν τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που θα εξάγονταν συγκριτικά με την πραγματική κατασκευή.
Αρχικά λοιπόν, υπολογίσθηκε η βέλτιστη γεωμετρία των συζευκτών με βάση τις παραμέτρους του επιθυμητού συστήματος, η οποία και υλοποιήθηκε με τη χρήση κατεργασμένων μητρών, για την επίτευξη της μεγαλύτερης το δυνατόν ακρίβειας σε σχέση με την υπολογισθείσα βέλτιστη μορφή της. Μετά την κατασκευή των συζευκτών και τις κατάλληλες μετρήσεις διαπιστώθηκε ότι όντως τα λογισμικά προσομοίωσης αποτελούν ένα αξιόπιστο και αποδοτικό εργαλείο για τον σχεδιασμό των συζευκτών ενός τέτοιου συστήματος, αφού οι αποκλίσεις των μεγεθών ήταν της τάξης του 1% ή και μικρότερες. Στα πλαίσια αυτής της μελέτης σχεδιάστηκαν και κατασκευάσθηκαν με επιτυχία και οι αντίστοιχες διατάξεις αντιστάθμισης τύπου Σειράς-Σειράς (SS).
Στη συνέχεια, μελετήθηκαν και κατασκευάστηκαν οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος. Ως αναπόσπαστο μέρος του συστήματος, πρώτα σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ο αντιστροφέας, ο οποίος θα μετέτρεπε τη Σ.Τ. της τροφοδοσίας σε εναλλασσόμενη συχνότητας 100 kHz περίπου, για την τροφοδοσία του πρωτεύοντος. Παρά τον προσεκτικό σχεδιασμό, παρατηρήθηκαν έντονα φαινόμενα παρασιτικής έναυσης των διακοπτικών στοιχείων (MOSFET), τα οποία περιόρισαν σημαντικά την ισχύ λειτουργίας. Βελτιώσεις πραγματοποιήθηκαν και τελικά επετεύχθη το ζητούμενο επίπεδο ισχύος στην έξοδο του συστήματος. Παράλληλα διαπιστώθηκε η ρίζα του προβλήματος και εξάχθηκαν σχετικά συμπεράσματα.
Ένας επιπλέον μετατροπέας ισχύος τύπου Buck μελετήθηκε, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε. Ο λόγος εστιάζεται στο γεγονός ότι το σύστημα θα τροφοδοτείται από το μονοφασικό δίκτυο, του οποίου η ανορθωμένη τάση είναι στα 320 V περίπου. Δεδομένου ότι ο αντιστροφέας λειτουργεί στη μέγιστη ισχύ για τάση εισόδου περίπου 180 V, απαιτείται υποβιβασμός τάσης. Παράλληλα, θα πρέπει να είναι δυνατός και ο έλεγχος της ισχύος που αποδίδει στο φορτίο το σύστημα, ο οποίος υλοποιήθηκε με έλεγχο της τάσης εξόδου στο μετατροπέα Buck. Ο μετατροπέας εμφάνισε και αυτός έντονα προβλήματα ηλεκτρομαγνητικής παρενόχλησης σε ισχύ κοντά στο 1 kW, τα οποία αντιμετωπίστηκαν με την εφαρμογή κατάλληλης θωράκισης και διαφορικών φίλτρων.
Ολοκληρώνοντας το εργαστηριακό μέρος, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με τη χρήση ωμικού φορτίου και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων για τον καθορισμό της απόδοσης και των χαρακτηριστικών των επιμέρους συνιστωσών της διάταξης. Καταστρώθηκε ενδεικτικό πλάνο φόρτισης για έναν συσσωρευτή οξέος-μολύβδου και σχεδιάστηκε η μορφή του ελέγχου ισχύος και της προστασίας της διάταξης με τη χρήση μικροελεγκτή. Ο έλεγχος ισχύος για το ενδεικτικό πλάνο φόρτισης στο υλοποιηθέν σύστημα, δοκιμάστηκε στην πράξη και καταγράφηκαν κυματομορφές με τα αποτελέσματα να είναι ικανοποιητικά.
Συμπερασματικά, η ανάπτυξη ενός συστήματος ασύρματης μεταφοράς ισχύος για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα, αποτελεί πολυπαραγοντική πρόκληση. Εν τούτοις, με τη χρήση κατάλληλων υπολογιστικών και σχεδιαστικών εργαλείων, τα οποία αποτελούν ισχυρό και αξιόπιστο εργαλείο, όπως απεδείχθη, μπορεί να κατασκευαστεί ένα αποδοτικό, αξιόπιστο και ταυτόχρονα οικονομικά ανταγωνιστικό σύστημα. Λαμβάνοντας υπόψη τα οικονομικά οφέλη για καταναλωτή και πάροχο ηλεκτρικής ενέργειας, από την εφαρμογή της ιδέας «όχημα-στο-δίκτυο» εντός των επόμενων ετών, την ανάγκη για μικρότερης ισχύος και κόστους συσσωρευτών και την ευελιξία που θα προσφέρει η ασύρματη φόρτιση στους χρήστες ηλεκτροκίνητων οχημάτων, το μέλλον της προβλέπεται πολλά υποσχόμενο.