Công nghệ truyền điện ko dây và áp dụng sạc điện ko dây cho ô tô điện

Tìm hiểu về khoa học truyền điện không dây

Ý tưởng về truyền năng lượng điện không dây (Wireless power transfer: WPT) được yêu cầu lần đầu vào năm 1890 bởi Nikola Tesla. Ông đã tạo ra được những cuộn dây tesla khổng lồ để truyền năng lượng điện không cần dây dẫn vào những năm 1900. Sau đó, từ các năm 1960 đến nay là sự phát triển của kỹ thuật truyền điện không dây hiện đại. Nó với thể chia thành 2 giai đoạn:

Giai đoạn đầu là các năm 1960 – 1970 sở hữu sự khởi đầu là các nghiên cứu của NASA cơ quan hàng không và vũ trụ của Mỹ. Những chủ đều lôi kéo phổ biến sự ưa chuộng của NASA như  thua thập năng lượng mặt trời trong không gian rồi truyền về trái đất, hoặc dự án chế tạo năng lượng điện ko dây trong không gian,… Trong giai đoạn này sẽ tập chung chủ yếu phát triển khoa học truyền không dây tiêu dùng sóng điện từ phát xạ (sóng do radio hoặc viba) để truyền năng lượng điện ko dây với khoảng cách truyền xa lên tới vài trăm km. Cho đến ngày nay, công nghệ này vẫn đang được tiếp tục phát triển, nhưng do dùng sóng có tần số cực kỳ cao phải nó cũng có giá tiền rất cao. Hiệu suất truyền tốt và liên quan không tốt đến mối trường. Chính bởi vậy nên kỹ thuật này chỉ dùng trong 1 số lĩnh vực đặc trưng như những đồ vật dùng trong kỹ thuật vũ trụ. Trong quân đội hoặc khi công suất cực kỳ nhỏ, mức giá rẻ hơn và ko liên quan tới môi trường bên cạnh như: trong những đồ vật y tế tiêu dùng để cấp điện không dây cho các thiết bị được đưa vào thân thể người.

Giai đoạn tăng trưởng thiết bị 2 của công nghệ truyền điện ko dây tiên tiến được khởi đầu từ cuối các năm 1970 cho đến nay. Với những nghiên cứu về công nghệ truyền điện ko dây không phát xạ, hay còn gọi là truyền điện không dây trường sắp (near- gield WPT). Công nghệ này dùng điện trường (capacitive coupling) hoặc từ trường (inductve coupling) để truyền năng lượng điện. Khoảng cách truyền không dây có thể đạt từ vài milimet đến vài mét.  Với việc dùng tần số làm cho việc thấp từ kHz tới MHz cần công nghệ truyền điện không dây trường gần dễ dàng đạt được công suất truyền lớn. Hiệu suất cao, tầm giá rẻ và an toàn hơn đối mang con người. Vì thế hiện nay, công nghệ này được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ để áp dụng vào công nghiệp cũng như trong cuộc sống hàng ngày. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta đã từng thấy công nghẹ này được thương nghiệp hóa trên những dòng bàn chải đánh răng bằng điện được sạc ko dây, hay bộ sạc Qi ko dây trên những cái điện thoại di động cao cấp. Và gần đây là các bộ sạc ko day cho ô tô điện đã sở hữu các sản phẩm hoàn thiện đầu tiên như bộ sạc ko dây của Witricity, Nissan, Toshiba,… Công nghệ truyền điện không dây với lại đa dạng thuận tiện cũng như sẽ thay đỏi cuộc sống của con người 1 cách mạnh mẽ trong ngày mai gần.

Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật truyền điện không dây sắp bằng từ trường

Năm 1819, lần thứ 1 nhà kỹ thuật Hans Christan Oersted đã khám phá ra hiện tượng mẫu điện sinh ra từ trường bao quành dây dẫn. Rồi sau ấy đến nam 1831, Michael Faraday lại phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ lúc làm tha đổi từ trường qua 1 vòng dây kín thì có 1 chiếc điện sinh ra trong vòng dây đó, nó được gọi là dòng điện cảm ứng. Các hiện tượng này đã được ứng dụng từ lâu trong khoa học điện để tạo ra các dòng máy phát điện, động cơ điện, nam châm điện và máy biến áp điện. Máy biến áp điện chính là một dạng nguyên sơ nhất của kỹ thuật truyền năng lượng điện không dây dùng từ trường. Cấu tạo máy biến áp gồm 2 cuộn dây cơ cấp và trang bị cấp cộng quấn vòng vo một lõi thép kĩ thuật như mổ tả trên hình 1. Sau đó, lúc cho cái điện biến thiên (dòng điện mang sự đổi thay theo thời gian như cái điện xoay chiều hoặc dạng xung) chạy qua cuộn sơ cấp của máy biến áp. Sẽ sinh ra một từ trường biến tiên quanh đó cuộn sơ cấp. Từ trường này được kiểu dáng để khép vòng trong lõi thép kỹ thuật, sau đó từ trường biến thiên trong lõi thép sẽ sinh ra một loại điện cảm ứng biến thiên trong cuộn trang bị cấp của máy biến áp. Thông qua ấy năng lượng điện đã được truyền ko xúc tiếp từ cuộn sơ cấp sang cuộn thiết bị cấp của máy biến áp. Trong giả dụ truyền điện không dây này, cuộn sơ cấp và cuộn vật dụng cấp phải kết liên sở hữu nhau qua lõi thép biến áp, và không tách rời nhau được.

Giống như nguyên lý truyền năng lượng điện trong máy biến áp. Các tiết bị gia nhiệt cảm ứng như bếp từ, lò nấu thép trung tần, vật dụng tối cao tần cũng với nguyên lý như vậy. Nhưng,trong các ví như này, ko với lõi thép kĩ thuật để dẫn từ trường và cuộn đồ vật cấp là 1 vật dẫn điện (chính là vật bắt buộc gia nhiệt). Từ trường biến thiên tần số cao được sinh ra bởi loại điện tần số cao chạy qua cộn dây của những trang bị gia nhiệt cảm ứng. Nó sẽ sinh ra 1 mẫu điện cảm  ứng biến thiên trong vật dẫn, loại điện này chính là loại ngắn mạch trong vật dẫn (dòng Fu- cô) phải sẽ sinh ra nhiệt khiến nóng vật dẫn. Nguyên lý của công nghệ này được biểu đạt trên hình 2. Đây là ứng dụng gần hơn với công nghệ truyền năng lượng điện ko dây trường gần. Khi đó, phần sơ cấp và vật dụng cấp được tách rời nhau. Ở các áp dụng này, khoảng cách truyền ko dây rất ngắn, cỡ vài milimet cho đến vài centimet. Khi khoảng bí quyết truyền nâng cao lên thì hiệu quả truyền sẽ được giảm đi cực kỳ nhanh.

Nguyên lý của khoa học truyền điện không dây trường  gân ằng cảm ứng điện từ ngày nay là một dạng lớn mạnh cao hơn của 2 áp dụng đề cập trên. Để sở hữu thể tách rời cuộn sơ cấp và vật dụng cấp mang khoảng  bí quyết xa hơn mà vẫn đạt hiệu suất truyền cao. Hiện tượng cùng hưởng đã được vận dụng hài hòa có hiện tượng cảm ứng điện từ, được gọi là cộng hưởng từ. Khi cuộn thiết bị cấp được đặt trong từ trường biến thiên tạo ra bởi cuộn sơ cấp, trên cuộn đồ vật cấp sẽ sinh ra loại điện cảm ứng biến thiên. Khác sở hữu ví như mẫu ngắn mạch như trong những thứ gia nhiệt cảm ứng. Trong giả dụ này, cuộn thứ cấp được mẫu mã kết hợp có mạch vận tải để tạo buộc phải một mạch điện cùng hưởng có cùng tần số của chiếc điện cảm ứng đó. Giúp cho dòng điện cảm ứng được duy trì dễ dàng hơn ngay cả lúc cuộn đồ vật cấp được đặt ở xa cuộn sơ cấp nơi có từ trường yếu. Ở chiều ngược lại, loại điện chạy trong cuộn thứ cấp được đặt ở xa cuộn sơ cấp từ trường biến thiên quanh đó nó và tác dụng trái lại cuộn sơ cấp. Và để đạt được sự cùng hưởng giữa 2 cuộn dây thì cuộn sơ cấp nên được mẫu mã kết hợp sở hữu các tụ điện để tạo được mạch cùng hưởng với cùng tần số. Khi đó, từ trường thọ ra bởi 2 cuộn dây có cộng tần số và nó cùng hưởng có nhau, gọi là từ trường cộng hưởng. Nguyên lý này được trình bày trên hình 3. Để tạo ra mạch cùng hưởng cho cả cuộn sơ cấp và thiết bị cấp, các tụ điện được thêm vào cả 2 phía của hệ thống. Khi đó các mạch thêm vào được gọi là các mạch bù (compensation network). Về cơ bản thì sở hữu 4 dòng mạch vù được biểu thị trên sơ đồ tương đương như hình 4 (a-d). Hình 4(e) biểu hiện swo đồ tương đương tổng quát của hệ thống WPT 2 cuộn dây. Trên hình 4 (e) hệ số hỗ cảm giữa 2 cuộn dây ko được khái niệm theo công thức (1).

Trong đó, L1 L2 là giá trị điện cảm tự cảm (self-inductance) của 2 cuộn dây sơ cấp và đồ vật cấp; M là điện cảm hỗ cảm giữa 2 cuộn dây (Mutual inductance).

Khi đó, điện áp trên cuộn thứ cấp có thể được tính theo công thức (2)

Công thức (4) diễn tả hiệu suất truyền sẽ nâng cao lên khi hệ số chất lượng của cuộn dây Q và hệ số hỡ cảm không tăng lên. Vì thế, để tăng hiệu suất truyền ở khoảng bí quyết xa (cũng đồng nghĩa sở hữu việc tăng khoảng bí quyết truyền ko dây), tần số khiến việc cả hệ thống được nâng cao lên từ vài chục KHz cho tới hàng chục MHz. Nhưng, khi tần số làm việc của hệ thống tăng lên thì các hao phí trong mạch của hệ thống cũng nâng cao lên như tổn hao đóng cắt trong những bộ biến đổi làm cho việc cộng hệ thống, hao phí trong những cuộn dây do những hiệu ứng của dòng điện tần số cao gây ra (skin effect và proximiti effect). Vì vậy, việc lựa tậu tần số khiến việc cho hệ thống WPT  là sự thỏa hiệp giữa hiệu suất truyền ko dây và hao tổn trong những mạch điện để đạt được hiệu quả cao nhất cho hệ thống.

Hiện nay, các nghiên cứu về kỹ thuật truyền điện không dây thường sẽ sử dụng 2 vùng tần số cho các áp dụng khác nhau. Với các áp dụng phải tuyền không dây với công suất lớn (hàng chục đến vài trăm Kw) và khoảng bí quyết truyền ngắn (dưới 25cm) như: sạc ko dây cho ô tô điện, xe bus điện, cấp điện cho tàu điện,… Tần số khiến cho việc thường sẽ được cọn từ vài chục kHz cho tới hàng trăm kHz (chuẩn J2954 vận dụng cho hệ thống sạc ko dây cho ô tô điện chọn tần số làm việc trọng tâm là 85 kHz). Ở tần số làm cho việc thấp, hệ thống WPT có 2 cuộn dây phía sơ cấp và vật dụng cấp được dùng cộng các tụ điện cộng hưởng được đưa thêm vào như đã biểu lộ ở hình 4. Với kỹ thuật bây giờ công suất của hệ thống này sở hữu thể đạt tới MW, hiệu suất trên 90%. Nhưng do tần số làm cho việc phải chăng cần khoảng phương pháp truyền không dây chỉ đạt được ở mức xung quanh 20cm, và kích thước các cuộn dây rất lớn (2).

Với những vận dụng cần truyền thông ko dây mang công suất thấp (dưới 10Kw). Khoảng phương pháp truyền xa hoặc yêu cầu kích thước nhỏ gọn như ứng dụng sạc ko dây cho hệ thống xe điện tự hành (AGV) trong công nghiệp. Xe điện dùng trong sân golf, những áp dụng gia dụng như tivi, tủ lạnh, các thứ nhà bếp, đồ vật y tế được đưa vào bên trong thân thể người,…  Tần số làm cho việc của hệ thống WPT thường được mua từ hàng Mhz đến hàng Ghz. Khi tần số làm cho việc tăng lên cỡ hàng chục Mhz, khoảng bí quyết truyền ko dây mang thể đạt được vài mét (3). Ở tần số cao, điện áp khiến cho việc trên các tụ điện cùng hưởng tăng lên cực kỳ cao (hàng chục kV). Các tụ điện được phân phối ra có kỹ thuật hiện đại, không rheer làm việc ở tần số cùng điện áp cao như vậy. Vì vậy, hệ thống 4 cuộn dây được sử dụng để sản xuất ra những tụ điện cùng hưởng trên cơ sở những tụ điện kí sinh trên các cuộn dây.

Hệ thống này được yêu cầu  bởi nhóm nghiên cưu của MIT năm 2007 (3). Điểm đặc trưng của nó là cuộn truyền năng lượng và cuộn nhận năng lượng trong hệ thống thường được kiểu dáng chỉ một vòng dây (link coil). Còn lại cuộn dây cộng hưởng phía truyền và phía nhận là các cuộn dây gồm rộng rãi vòng dây nhưng là cuộn dây hở hai đầu (resonant coil). Tần số làm việc của hệ thống MHz thường được chọn 1Mhz, 6.67Mhz, 13.56Mhz, 27.12Mhz,… (ISM band). Làm việc ở tần số cao, kích tấc cộng trọng lượng của các cuộn dây giảm đi đáng kể. Nhưng, mang kỹ thuật hiện tại, hệ thống WPT khiến việc ở tần số MHz bị tránh về công suất truyền. Do tần số chuyển mạch của các bộ biến đổi khiến cho việc trong hệ thống quá cao dẫn tới tổn hao chuyến mạc siêu lớn. Đồng thời, tổn hao này do những hiệu ứng của loại điện tần số cao gây ra trong những cuộn dây cũng liên quan rất to tợi hiệu suất của hệ thống.

Để nâng cao khoảng bí quyết truyền không dây của hệ thống WPT, các cuộn dây cùng hưởng cũng được dùng đặt vào giữa phía sơ cấp và thứ cấp. Nó có tác dụng như cáp bộ lặp, hay những cầu nối từ trường. Ngoài ra thì hệ thống WPT rộng rãi cuộn dây cũng được phát triển để áp dụng trong giả dụ phân phối năng lượng cộng khi cho rộng rãi tài khoản.  Khi ấy thì những cuộn dây mang tác dụng hỗ trợ nhau và cũng với thể làm nâng cao khoảng cách truyền. Nhưng việc phân tách cộng bề ngoài hệ thống vô cùng phức tạp.

Công nghệ sạc điện ko dây cho ô tô điện

Hiện nay, ô tô điện được coi là phương tiện giao thông thân thiện sở hữu môi trường, nó đang ngày một vững mạnh và trở thành phổ biến. Các nhà chế tạo ô tô lớn trên thế giới đều đã lớn mạnh ra những dòng xe ô tô điện cho riêng mình sở hữu phổ biến chiếc tên như: BMW i3, Mercedes B-Class Electric Drive, Volkswagen E-Golf, Ford Focus Electric, Nissan Leaf, Mitsubishi i-MiEV, Chevrolet Bolt, Hyundai Ioniq, Kia Soul EV,… và đặc trưng ko thể không đề cập tới những loại xe điện của Tesla. Cùng với việc vững mạnh không giới hạn các công nghệ trên tàu điện thì việc xây dựng hệ thống hạ tầng để xạc điện cho xe cũng đang được đầu tư nghiên cứu rất mạnh mẽ.

Kiểu sạc tiêu dùng không dây dẫn cho ô tô điện sẽ luôn tồn tại rộng rãi nhược điểm, bắt buộc nói đến trước tiên đấy chính là vấn đề an toàn. Đặc biệt trong môi trường ẩm ướt. Các bộ sạc lắp đặt tại các hộ gia đình đều sử dụng nguồn điện laqf 110V hoặc 220V. Đồng thời nó bắt buộc thời gian khoảng 8 đến 10h để sạc đầy cho hệ thống ắc quy của ô tô điện. Trong những trạm sạc nhanh thì với công suất lớn hơn, thời kì sạc cũng được rút ngắn đi nhiều lần. Nhưng việc sạc nhanh khiến giảm bớt tuổi thọ của ắc quy và khiến cho cho những trạm sạc nhanh nên siêu đa dạng thể tích để sạc cho số lượng to các xe tại đây. Đồng thời các dâ sạc hoặc đầu cắm sở hữu thể dễ dàng bị trộm cắp hoặc khiến hỏng bở các chi tiết chủ quan, khách quan. So có khoa học sạc thông thường dùng dây dẫn, khoa học sạc ko dây mang phổ biến ưu điểm nổi bật về tính nhân thể dụng, an toàn vì ko sở hữu sự tiếp xúc trực tiếp sở hữu nguồn điện. Với các bộ sạc có thể lắp đặt dưới sàn nhà hoặc hoặc nền đường bắt buộc giúp nó tiện tặn diện tích.

Cấu trúc của hệ thống sạc điện không dây cho ô tô điện trong nghiên cứu của tác kém chất lượng được mô tả trong hình 7. Trong cấu trúc này, nguồn điện xoay chiều từ lưới được đưa vào hệ thống đầu tiên sẽ được biến đổi thành nguồn điện 1 chiều bằng việc sử dụng bộ chỉnh lưu mang điều chỉnh hệ số công suất (Rectifer PFC). Sau đó, 1 bộ nghịch lưu tần số cao (high frequency inverter) dùng để tạo ra nguồn điện xoay tần số cao và cấp điện cho phía sơ cấp của hệ thóng WPT. Năng lượng điện được truyền không dây từ phía sơ cấp sang phía vật dụng cấp của hệ thống WPT, rồi mẫu điện tần số cao của bên đồ vật cấp được chuyển biến ngược thành nguồn điện một chiều phê chuẩn bộ chỉnh lưu tần số cao. Phía sau của bộ chuyển biến tần số cao là bộ chuyển đổi DC/DC sử dụng để điều khiển phối hợp trở kháng trong hệ thống WPT để đạt được hiệu suất truyền cao nhất. Đồng thời nó điều khiển quá trình sạc ắc quy trên xe ô tô điện (Impedance catching and charging control).

Các nghiên cứu trong hệ thống bao gồm việc nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi cùng các cuộn dây trong hệ thống WPT. Đây chính là sự kết hợp chặt chẽ giữa điện tử công suất để điều khiển/ biến đổi  chiếc năng lượng điện chạy trong những mạch điện sở hữu sự cùng hưởng của từ trường giữa những cuộn dây để đạt được hiệu suất truyền cao nhất. Hiện nay, với hệ thống sạch tĩnh, hiệu suất của nó mang thể đạt tới 90%, với thể so sánh mang hệ thống sạc có dây thông thường.

Ngoài việc áp dụng xạc ko dây cho ô tô điện lúc đứng yên thì hệ thống WPT còn đang được pát triển để xạc cho tàu điện ngay cả khi đạng chạy ở trên đường, nó được gọi là sạc tự động. Với hệ thống này thì ô tô điện không buộc phải bắt buộc giới hạn lại để sạc, vì khoảng phương pháp chạy của xe có 1 lần sạc được nâng cao lên đáng kể cộng số ượng ắc quy nên thiết cho xe cũng giảm đi. Để làm cho được điều đó, phổ biến cuộn sơ cấp được xếp đặt dọc trên đường, và lúc xe chuyển động năng lượng điện sẽ được truyền ko dây từ những cuộn sơ cấp trên đường đến cuộn thiết bị cấp trên tàu điện để sạc điện cho xe. Trong hệ thống này việc nghiên cứu mẫu mã và sắp xếp các cuộn dây trên đường sao cho đạt được hiệu quả truyền cao nhất là một thách thức. Ngoài ra lúc xe đi lại những tham số trong hệ thống WPT sẽ thay đổi liên tục, việc điều khiển phối hợp dòng năng lượng trong các mạch sơ cấp và trang bị cấp của hệ thống để đạt được hiệu quả truyền cao cũng là một thách thức to với các nghiên cứu về điện tử công suất.

Lời kết

Công nghệ truyền điện ko dây sẽ là 1 công nghệ được vận dụng phổ biến trong tương lai. Và nó sẽ đổi thay cuộc sống con người mạnh mẽ nhất. Không các vận dụng trong kỹ thuật sạc không dây cho ô tô điện thì kỹ thuật WPT còn được áp dụng trong đa dạng lĩnh vực khác nhau như trong công nghiệp và trong cuộc sống hàng ngày. Trong ngày mai thì những trang bị điện trong gia đình cũng không còn cần bắt buộc cắm điện nữa. Các thứ di dộng cầm tay cũng sẽ không còn quá nặng do pin và cũng ko bắt buộc sạc pin mỗi ngày mà nó sẽ được cấp điện trực tiếp hoặc sạc ngay cả khi dùng trên tay người dùng.

Các hệ thống robot hay xe tự lái sẽ tự động hóa doàn toàn khi việc sạc năng lượng sẽ dễ dàng được tự động hóa. Trong hệ thống y tế, những thiết bị điện được cấy trong cơ tể con người có thể được cấp điên jtrwcj tiếp từ bên ngoại trừ mà ko buộc phải bất kỳ xúc tiếp nào. Đây cũng chính là kỹ thuật tiềm năng trong tương lai, đòi hỏi cho việc nghiên cứu và tăng trưởng ở mức độ cao.

Với điều kiện tại Việt Nam, giả dụ như được đầu tư những thứ điện buộc phải thiết, chúng ta hoàn toàn sở hữu thể khiến chủ và phát triển công nghệ này trong tương lai. Hi vọng qua bài viết này, với thể đưa đến cho bạn ddowcj một cái nhìn cơ bản về công nghệ truyền điện không dây. Đồng thời tác kém chất lượng cũng hi vọng có phổ biến nhà nghiên cứu Việt Nam sẽ ưa chuộng song song tăng trưởng kỹ thuật này khi bây giờ tại Việt Nam, khoa học truyền điện ko dây còn vô cùng mới mẻ và chưa mang những nghiên cứu bài bản nào được công bố.