Συμβολή στην ανάπτυξη συστημάτων ασύρματης επαγωγικής φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων

Abstract

Inductive charging, which allows the wireless transfer of energy between the Electric Vehicle (EV) and the charging station, appears to be a very promising charging solution. Apart from the ability to transfer energy in a contactless way while the EV is parked over the station (i.e. static inductive charging), energy can also be wirelessly transferred while the EV moves on the road (i.e. dynamic inductive charging). The present PhD thesis aims to study inductive charging systems for EVs, while also proposing ways to increase the transferred power and the system’s efficiency. In this scope, a review of the compensation methods, the magnetic couplers and the control schemes is initially presented, considering the case of static inductive charging. Moreover, the basic operational principles in the case of dynamic inductive charging are studied, while examining the necessary modifications in the operation of the system when it is expected to operate with the EV moving over the station. Additionally, in the case of dynamic inductive charging, the bifurcation phenomenon (indicating the maximization of the system’s efficiency in frequencies different than the one maximizing the power transferred to the EV battery) is studied not only according to the operational frequency but also according to the movement of the EV. Moreover, the selection of the compensation capacitors’ values is examined according to the variations of the self-inductance values of the magnetic coupler’s coils (due to the movement of the vehicle over the station), in order to achieve a high transferred power at an increased system efficiency. In order to achieve a high power transfer and efficiency in dynamic inductive charging not only do the compensation capacitors need to be appropriately selected, but the optimal values of all the system’s parameters shall also be optimally defined. In this respect, an optimisation method is proposed aiming to define the optimal values for the operational frequency, the values of the compensation capacitors as well as the load resistance in a dynamic inductive charging system. Taking into account the requirements for the implementation of this optimisation method, a control scheme is also proposed that does not require any additional detection mechanisms to identify the position of the EV over the station, while eliminating communication requirements between the primary and the secondary side of the system. The effective operation of the proposed control scheme is validated by an experimental setup, comprising a circular magnetic coupler, the required compensation capacitors and the inverter implementing the suggested control scheme. Considering the electric grid side, inductive charging technologies can allow the wireless transfer of significant amounts of power to the vehicle’s battery. In this respect, a methodology is introduced for grid impact analysis of both static and dynamic inductive charging technologies in distribution networks, while also defining the maximum deployment level of inductive charging stations that does not violate technical grid constraints. Additionally, in case of a vast deployment of inductive chargers, modifications in the control system of the charging stations are examined in order to develop the necessary energy management system that will effectively eliminate issues which may arise in the grid operation.

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.