Συμβολή στην ανάπτυξη συστημάτων ασύρματης επαγωγικής φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων

Abstract

Η επαγωγική φόρτιση είναι μία ιδιαίτερα υποσχόμενη μέθοδος φόρτισης, που επιτρέπει την ασύρματη μεταφορά ενέργειας μεταξύ του ηλεκτρικού δικτύου και της μπαταρίας του ηλεκτρικού οχήματος. Εκτός από την ικανότητα ασύρματης φόρτισης καθώς το όχημα σταθμεύει πάνω από το φορτιστή (στατική επαγωγική φόρτιση), παρέχεται, επίσης, η δυνατότητα δυναμικής φόρτισης καθώς το όχημα κινείται στο δρόμο. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη συστημάτων επαγωγικής φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων καθώς και η πρόταση μεθόδων για την αύξηση της απόδοσης και της μεταφερόμενης ισχύος των συστημάτων αυτών. Στο πλαίσιο αυτό πραγματοποιείται, αρχικά, μία ανασκόπηση των μεθόδων αντιστάθμισης, των μεθόδων ελέγχου και των μαγνητικών συζευκτών που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές στατικής επαγωγικής φόρτισης. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας της δυναμικής φόρτισης καθώς και οι τροποποιήσεις που πρέπει να ληφθούν υπόψιν όταν ένα σύστημα επαγωγικής μεταφοράς ενέργειας καλείται να λειτουργήσει με το όχημα να κινείται πάνω από το φορτιστή. Επιπλέον, το φαινόμενο της διακλάδωσης που υποδεικνύει τη μεγιστοποίηση της απόδοσης σε συχνότητες διαφορετικές από αυτές που μεγιστοποιούν τη μεταφερόμενη ισχύ, μελετάται στη δυναμική φόρτιση όχι μόνο ως προς τη συχνότητα λειτουργίας αλλά και ως προς την κίνηση του οχήματος πάνω από το φορτιστή. Ακόμη, εξετάζεται η επιλογή των πυκνωτών αντιστάθμισης λαμβάνοντας υπόψιν τη μεταβολή των αυτεπαγωγών των τυλιγμάτων του μαγνητικού συζεύκτη, λόγω της κίνησης του οχήματος, ώστε να επιτευχθεί μία υψηλή μεταφερόμενη ισχύς, παράλληλα με μία αυξημένη απόδοση λειτουργίας. Η ανάγκη επίτευξης μίας μεγάλης απόδοσης, καθώς και μίας αυξημένης μεταφερόμενης ισχύος στη δυναμική φόρτιση απαιτεί τη βέλτιστη επιλογή όχι μόνο των πυκνωτών αντιστάθμισης, αλλά και των υπόλοιπων παραμέτρων του συστήματος. Στο πλαίσιο αυτό προτείνεται μία μέθοδος βελτιστοποίησης με στόχο τον ορισμό των βέλτιστων τιμών της συχνότητας λειτουργίας των πυκνωτών αντιστάθμισης και της αντίστασης φορτίου. Λαμβάνοντας υπόψιν τις απαιτήσεις για την εφαρμογή αυτής της μεθόδου βελτιστοποίησης, προτείνεται επίσης μία μέθοδος ελέγχου, η οποία δεν απαιτεί μηχανισμούς ανίχνευσης (αισθητήρες κλπ.) για τον εντοπισμό της ακριβούς θέσης του οχήματος κατά την κίνηση, εξαλείφοντας παράλληλα την ανάγκη για συνεχή μεταφορά δεδομένων μεταξύ οχήματος και φορτιστή. Η αποτελεσματική λειτουργία του προτεινόμενου ελέγχου επαληθεύεται με την πειραματική υλοποίηση ενός συστήματος επαγωγικής φόρτισης αποτελούμενο από έναν κυκλικό συζεύκτη, την κατάλληλη τοπολογία αντιστάθμισης και τον απαιτούμενο αντιστροφέα για την εφαρμογή του ελέγχου. Από την πλευρά του ηλεκτρικού δικτύου, τεχνολογίες επαγωγικής φόρτισης δύναται να επιτρέψουν τη μεταφορά ιδιαίτερα μεγάλων ποσών ισχύος στην μπαταρία του οχήματος. Στο πλαίσιο αυτό, προτείνεται μια μεθοδολογία για τη μελέτη της επίδρασης της στατικής και δυναμικής επαγωγικής φόρτισης στο δίκτυο διανομής, ορίζοντας παράλληλα το μέγιστο επιτρεπτό επίπεδο διείσδυσης επαγωγικών φορτιστών που δεν παραβιάζει τους τεχνικούς περιορισμούς του δικτύου. Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψιν μία μελλοντικά αυξημένη διείσδυση επαγωγικών φορτιστών, προτείνονται τροποποιήσεις στο σύστημα ελέγχου των φορτιστών που θα επιτρέψουν την ανάπτυξη ενός συστήματος διαχείρισης ενέργειας για την αποτελεσματική αντιμετώπιση προβλημάτων δικτύου που αναμένεται να εμφανισθούν.