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Jan 01, 2024

Ein neuer Hohlmagnetempfänger, der mit dem Global Double kompatibel ist

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11925 (2023) Diesen Artikel zitieren 217 Zugriffe auf Metrikdetails Die induktive Energieübertragungstechnologie (IPT) ist eine vielversprechende Lösung zum Laden von Elektrizität

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Details zu den Metriken

Die induktive Energieübertragungstechnologie (IPT) ist eine vielversprechende Lösung zum Laden von Elektrofahrzeugen (EVs), indem sie es einem Elektrofahrzeug ermöglicht, sein Energiespeichersystem (Batterie) ohne Verbindungskabel durch magnetische Kopplung aufzuladen. In diesem Artikel wird ein neues Empfängerdesign mit dem Namen Hollow Solenoid Receiver vorgeschlagen, das mit dem im SAE J2954-Standard definierten Standard-Doppel-D-Sender kompatibel ist. Es wird eine umfassende Designanalyse für den vorgeschlagenen Hollow-Solenoid-Empfänger vorgestellt, um die optimalen Designparameter für die Spule (Induktivitäten, Anzahl der Windungen, Abmessungen, Drähte usw.) und den Ferritkern (Abmessungen, Anzahl, Anordnung usw.) zu definieren. Mehrere WPT3 (11,1 kVA) Magnetreceiver-Designs (SR) wurden vorgestellt und auf der Grundlage von Effizienz, Gewicht, Größe, Volumen und Kosten analysiert. Die Leistung des vorgeschlagenen SR wurde mit dem globalen Doppel-D-Empfänger (DDR) des SAE J2954-Standards unter verschiedenen seitlichen und rotatorischen Ausrichtungs- und Belastungsbedingungen unter Berücksichtigung von Kopplungsfaktor, Übertragungsleistung und -effizienz sowie elektromagnetischen Streufeldern (EMFs) verglichen. Das gesamte IPT-System einschließlich Spulen, Kompensationsnetzwerk, Leistungswandlern, Steuerungen und Batterielast wurde sowohl für SR- als auch für DDR-Spulen modelliert und analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene SR bei unterschiedlichen Ausrichtungs- und Belastungsbedingungen mit dem globalen DD-Sender kompatibel ist und die gewünschte Leistung (11 kW) mit einem Wirkungsgrad von > 85 % übertragen kann. Das hohle SR-Design weist im Vergleich zu DDR und anderen Designs die höchste Effizienz sowie die geringste Größe, das geringste Gewicht und die niedrigsten Kosten auf.

Der Transportsektor stellt eine Hauptquelle schädlicher Emissionen dar (am höchsten in den USA), da er hauptsächlich auf fossile Brennstoffe angewiesen ist, die eine nicht permanente Energiequelle darstellen und mit der Zeit wahrscheinlich zur Neige gehen. Daher besteht ein dringender Bedarf an der Nutzung von Elektrofahrzeugen (EVs), um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und den Ausstoß von Treibhausgasen (THG) zu reduzieren. Der Einsatz von Elektrofahrzeugen in großem Maßstab kann behindert werden, wenn die entsprechende Ladeinfrastruktur nicht verfügbar oder zugänglich ist. Die induktive Energieübertragungstechnologie (IPT) zeigt vielversprechende Funktionen, die das Laden von Elektrofahrzeugen sowohl beim Langzeitparken als auch bei der Bewegung ermöglichen. IPT ist eine Technik zum Laden von Elektrofahrzeugbatterien über einen großen Luftspalt (100–400 mm) ohne physischen Kontakt. Es bietet gegenüber Steckerladegeräten mehrere Vorteile in Bezug auf Automatisierung, Flexibilität, Sicherheit, Wartung und Komfort. Es eignet sich auch für raue Umgebungsbedingungen wie Regen, Schnee, Staub usw.1. Das IPT-System besteht aus zwei isolierten Seiten; die Erdungsseite (Sender), die ein Primärpad, einen Resonanzkreis, einen Hochfrequenz-Wechselrichter (HF) und einen Netzgleichrichter enthält. Die Fahrzeugseite (Empfänger), die ein sekundäres Pad, einen Resonanzkreis und einen Diodengleichrichter enthält, der die Batterie des Elektrofahrzeugs speist, wie in Abb. 1 dargestellt. Das Netzteil speist Niederfrequenzstrom in den Wechselrichter, der ihn in HF-Strom umwandelt und den Strom einspeist Senderspule (Primärspule). Von der Primärspule erzeugte elektromagnetische Felder werden mit der Sekundärspule gekoppelt, um die Leistung bei derselben Versorgungsfrequenz zu übertragen. Der HF-Sekundärstrom wird zum Laden der EV-Batterie rezertifiziert. Die primäre und sekundäre Seite kommunizieren über eine drahtlose Kommunikationsverbindung miteinander, um den Abgleich, die Authentifizierung, die Kontrolle und die Bezahlung von Rechnungen zu ermöglichen.

Beispielhafte lose gekoppelte IPT-Systemkomponenten.

Der magnetisch-induktive Koppler (Primär- und Sekundärpads) ist eine wichtige Komponente im IPT-System, die für die Übertragung der Leistung von der Quelle zur Last verantwortlich ist. Basierend auf der Form der erzeugten elektromagnetischen Felder wurden in der Literatur viele Pad-Strukturen und -Designs vorgestellt und diskutiert. Diese Strukturen sind in drei Typen unterteilt: polarisierte Strukturen, bei denen sich die Flusskomponenten horizontal bewegen, wie z. B. Doppel-D-Pads (DD) und Magnetpads2. Strukturen mit vertikalen Flusskomponenten werden als nicht polarisiert bezeichnet, beispielsweise rechteckige und kreisförmige Pads3. Die dritte Struktur besteht aus mehreren überlappenden Spulen, die voneinander entkoppelt sind und sowohl einen vertikalen als auch einen horizontalen Fluss erzeugen können, z. B. bipolare und tripolare Pads4. Rechteckige und DD-Pads für Sender und Empfänger werden in den SAE J2954-Standards für das Laden leichter Elektrofahrzeuge vorgestellt. Diese Pads bieten gute Vorteile hinsichtlich Einfachheit und Leistung, wodurch sie für Senderpads geeignet sind. Aufgrund der großen Menge an Litzen und Ferrit, die in diesen Pads verwendet werden, weisen sie jedoch ein hohes Gewicht, eine große Größe und hohe Kosten auf, was sie für eine Fahrzeugunterlage, bei der Platz und Gewicht entscheidend sind, ungeeignet macht. Die Magnetspule ist eine vielversprechende magnetische Struktur für Fahrzeugpolster mit sehr guter Leistung (hoher Kopplungsfaktor bei hoher Leistungsdichte und geringer Größe) und niedrigen Kosten. Aufgrund des Fehlens einer Nullkopplungsposition ermöglicht es außerdem eine große Toleranz gegenüber Fehlausrichtungen bei mittleren und großen Luftspalten, da es sich um eine doppelseitige Struktur handelt und eine große nichtionisierende Strahlung erzeugt5,6. Die Autoren haben in7 ein drahtloses Ladesystem entworfen, das aus einer flachen Magnetspule und einem verschachtelten Aufwärtswandler besteht. Für praktische Untersuchungen wurde ein Prototyp gebaut, der eine Leistung von 500 W über einen Luftspaltabstand von 170 mm überträgt. Die Parameter der Magnetspule wurden optimiert und es wurde ein Wirkungsgrad der Gleichstromübertragung von 90,1 % erreicht. In8 kombinierten die Forscher eine Magnetspule mit einer rechteckigen Spule, um ein Senderpad zu bilden. Andererseits wurden runde und rechteckige Pads getrennt verwendet. Es wurde ein Vergleich hinsichtlich der Variation der Spuleninduktivität, des Ausmaßes der Ungleichheit bei der Fehlausrichtung sowie des Kopplungsfaktors durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass der Kopplungskoeffizient deutlich erhöht wird, wenn der Magnet kombiniert und in der Mitte der rechteckigen Spule platziert wird. In5 wird ein IPT-System basierend auf einer Magnetspulenkonfiguration entwickelt, um die gewünschte Leistung über einen Luftspalt von 200 mm zu übertragen. Um den Kopplungskoeffizienten zu erhöhen, wurden flussführende Ferritkerne vorgeschlagen, und eine metallische Aluminiumabschirmung wurde verwendet, um elektromagnetische Streufelder zu eliminieren. Die Forscher schlugen ein IPT-System vor, das hauptsächlich auf der Magnetkonfiguration in9 basiert. Dieses System besteht aus einem Flachmagneten auf der Senderseite und zwei Magneten auf der Empfängerseite. Um den höchsten Kopplungskoeffizienten zu erhalten, wurde eine Systemanalyse durchgeführt und das Interoperabilitätsprinzip des vorgeschlagenen Systems mit DD- und bipolaren Konfigurationen getestet. Durch einen Luftspalt von 50 mm wird eine 6-kW-Leistungsübertragung erreicht, bei einer horizontalen Versatztoleranz von 125 mm.

Im Jahr 10 wurde sowohl auf der Boden- als auch auf der Fahrzeugseite eine Magnetspule entworfen. Die Faktoren, die den Kopplungskoeffizienten beeinflussen, wurden auf zwei Arten untersucht: Gegeninduktivität und Magnetkreistheorien. Der Ferritkern wurde außerdem so konzipiert, dass er den besten Wert des Kopplungskoeffizienten erreicht. In11 wurde auf der Empfängerseite eine Magnetspulenstruktur und auf der Senderseite eine bipolare Struktur verwendet. Die Auswirkung einer Änderung sowohl der Windungszahl als auch der Länge und Breite des Ferritkerns wurde auf der Grundlage der Selbst- und Gegeninduktivität, des Kopplungskoeffizienten und der magnetischen Flussdichte analysiert. Es wurde festgestellt, dass durch Vergrößerung der Länge oder Breite des Ferritkerns die Flussdichte um die Spulen herum zunimmt. Außerdem wirkt sich eine Vergrößerung des Abstands zwischen den Windungen negativ auf das Feld aus, indem es seinen Wert erhöht und den Wert der Selbstinduktivität erheblich verringert. Im Jahr 12 wurde ein neues Design auf der Erdungsseite vorgeschlagen und von der Magnetspule abgeleitet. Es handelt sich um eine Kombination aus einem zentralen Magneten und einer in Reihe geschalteten rechteckigen (oder quadratischen) Spule und wird XPAD genannt. XPAD ermöglicht eine hohe Kraftübertragung durch einen großen Luftspalt mit geringerer Empfindlichkeit gegenüber linearer Fehlausrichtung. Bei einem Vergleich mit der herkömmlichen Magnetspulenstruktur wurde festgestellt, dass sie einen größeren Kopplungskoeffizienten ergibt und das Streumagnetfeld reduziert. Dies verbessert die Leistung des Systems, ist jedoch komplizierter im Aufbau und schwieriger herzustellen. In13 wird ein Entwurf für eine Magnetspule zur Übertragung einer Leistung von 5 kW vorgestellt. Die Abschirmung besteht aus Kupfer in verschiedenen Formen, beispielsweise als durchgehendes Blech oder in mehreren kleinen Stücken. Es wurden Optimierungen für die Abstände zwischen den Ferritstäben vorgestellt, um die übertragene Leistung zu erhöhen. Durch die Verwendung des durchgehenden Blechs anstelle von mehrteiligen Leitungen werden der Streufluss und die Wirbelstromverluste um 29 % reduziert, wodurch das System mit einem hohen Wirkungsgrad von bis zu 90 % arbeitet.

Die oben genannten Studien zu Magnetspulen konzentrierten sich auf IPT-Systeme mit geringer Leistung (< 6 kW) und präsentierten ein konventionelles Design mit massivem Ferritkern und Spule, das keine Verbesserungen in Bezug auf Größe, Gewicht und Kosten bietet. Daher stellt diese Studie ein neuartiges Design für eine Magnetspule als Empfänger vor, das mit dem globalen DD-Sender kompatibel ist. Das vorgeschlagene Design bietet eine höhere Effizienz sowie geringere Kosten, Größe und Gewicht im Vergleich zum herkömmlichen DD-Empfänger. Die Hauptbeiträge dieses Manuskripts sind unten aufgeführt:

Vorgeschlagen wurde ein neuartiges Design für die Hohlmagnet-Empfängerspule mit besserer Leistung und geringeren Kosten/Größe.

Entwickelte 3D-Finite-Elemente-Modelle (FEM) für DDT, DDR und vorgeschlagenes SR unter Berücksichtigung von WPT3 mit Z3-Klasse, definiert durch den SAE J2954-Standard.

Entwickelte Schaltungsmodelle in Simulink, einschließlich Spulen, Stromversorgung, Leistungswandler, Resonanznetzwerk und Batterielast für DDT/DDR- und DDT/SR-Systeme.

Schätzung der Parameter des Resonanzkreises, der Betriebsfrequenz und der passiven Parameter der Spulen, die es dem System ermöglichen, Nennleistung mit der höchsten Effizienz für jedes Modell zu übertragen.

Entwickelte die vorgeschlagene SR-Spule für WPT3, um eine höhere Effizienz bei geringerem Gewicht, geringerer Größe und geringeren Kosten zu erreichen.

Präsentiert eine detaillierte Vergleichsanalyse zwischen DDT/DDR- und DDT/SR-Systemen unter Berücksichtigung von Übertragungsleistung, Effizienz und Streu-EMFs bei unterschiedlichen Ausrichtungs- (seitlich und rotatorisch) und Belastungsbedingungen.

Das Design der WPT-Spulen hängt von der Betriebsfrequenz, den Leistungspegeln, dem Abstand zwischen Spulen (Luftspalt) und der Strombelastbarkeit der Leiter ab, die die Spule bilden. In dieser Studie wird das von SAE J2954 empfohlene DD-Pad als globales Pad auf der Bodenseite verwendet, um den DD-Empfänger sowie den vorgeschlagenen Magnetempfänger zu unterstützen. Auf der Fahrzeugseite werden zwei Pads modelliert und analysiert: das von SAE J2954 bereitgestellte DD-Pad und das vorgeschlagene Magnetpad. 3D-Finite-Elemente-Modelle (3D-FEMs) für alle Pads DD-Sender (DDT), DD-Empfänger (DDR) und den vorgeschlagenen Magnetempfänger (SR) werden entwickelt und zur Gestaltung und Optimierung der Systemparameter verwendet. Die magnetostatische Lösung in der ANSYS Maxwell-Software wird verwendet, um magnetische Parameter abzuschätzen und die Verteilung elektromagnetischer Felder zu berechnen.

Vier Leistungsklassen für WPT-Systeme sind im SAE J2954-Standard für Anwendungen in leichten Elektrofahrzeugen (Light Duty Electric Vehicles, LDEVs) definiert: WPT1 = 3,7 kVA, WPT2 = 7,7 kVA, WPT3 = 11,1 kVA und WPT4 = 22 kVA. Das WPT3-Leistungsniveau sollte in dieser Studie mit dem Trend der meisten Elektrofahrzeughersteller kompatibel sein, die ein 11-kW-Bordsystem in den meisten LDEV-Modellen in Betracht ziehen. SAE J2954 bietet ein Referenzdesign für WPT3, einschließlich elektrischer, mechanischer und magnetischer Aspekte, das die Möglichkeit zum Vergleich bietet und die Verbesserungen zeigt, die das vorgeschlagene Design bietet. Für WPT4, das sich noch im Anfangsstadium befindet, sind solche Details nicht verfügbar. Außerdem gibt es nach Kenntnis der Autoren noch keine Studie, die Magnetkoppler mit WPT3-Leistungsstufe untersucht hat. Die andere in J2954 definierte Klassifizierung hängt von der Bodenfreiheit für jede Leistungsstufe ab, um verschiedene Modelle von LDEVs zu berücksichtigen: Z1-Klasse (100–150 mm), Z2-Klasse (140–210 mm) und Z3-Klasse (170–250 mm). )3,14. Der tatsächliche senkrechte magnetische Abstand zwischen den beiden Seiten (Abstand von Spule zu Spule oder Luftspalt) hängt von der Position des Senderpads ab, ob es sich unter, bündig oder über dem Boden befindet, wie in Abb. 2 dargestellt.

Z-Klasse und Luftspalt für verschiedene Montageschemata des Senderpads.

Diese Studie berücksichtigt das WPT3-Leistungsniveau (11,1 kVA) mit der Z3-Klasse und der oberirdischen Installation, was bedeutet, dass der Luftspalt um die Dicke des Primärpads geringer ist als die Bodenfreiheit. Für den Entwurf der vorgeschlagenen SR-Spule wird eine auf Versuch und Irrtum basierende iterative Technik in Betracht gezogen, die im Flussdiagramm in Abb. 3 beschrieben und im Folgenden zusammengefasst wird:

Schätzen Sie die Parameter der passiven Komponenten des Empfängers mithilfe eines Simulink-Modells: Serienkondensator (Css) und magnetische Parameter (L2, k), um die Nennleistung mit maximaler Effizienz zu erreichen.

Entwickeln Sie eine Magnetspule in der Ansys Maxwell-Software, die die oben definierten Parameter erreicht.

Optimieren Sie das Design unter Berücksichtigung unterschiedlicher Spezifikationen von Spulen und Ferritkernen.

Bewerten Sie diese Konstruktionen und wählen Sie diejenige mit der höchsten Effizienz und der niedrigsten Größe, dem geringsten Gewicht und den niedrigsten Kosten aus.

Bewerten Sie die Leistung des besten Designs von DDT/SR im Vergleich zu DDT/DDR basierend auf: Ausgangsleistung (Po), Effizienz (η) und elektromagnetischen Feldern (EMFs) bei unterschiedlichen Ausrichtungs- und Betriebsbedingungen.

Flussdiagramm der Designmethodik.

Unter Berücksichtigung der Spezifikationen in SAE J2954 wird ein 3D-Finite-Elemente-Modell für das globale DDT erstellt. Es enthält zwei ähnliche D-förmige einlagige Spulen aus Litzendraht mit 5 mm Durchmesser, wie in Abb. 4 dargestellt. Dieser Durchmesser entspricht 4 American Wire Gauge (AWG) mit einer Konstruktion von 5 × 5 × 3/35/38 laut Datenblatt15. Windungen der Spulen werden als einzelne Windung aus Kupfer ausgeführt und die zugehörige Windungszahl dem Modell zugeordnet. Diese Methode zur Spulenmodellierung ist in der 3D-FEM in verschiedenen Anwendungen, einschließlich induktivem Laden, sehr beliebt. Es trägt dazu bei, den Rechenaufwand und die Zeit erheblich zu minimieren und die Analyse zu vereinfachen, ohne die Ergebnisse zu beeinträchtigen. DDT umfasst fünf lange Platten aus Ferrit N87, die als Flusskonzentratoren dienen. N87 weist bei hohen Frequenzen aufgrund seiner hohen magnetischen Permeabilität und geringen elektrischen Leitfähigkeit geringe Verluste auf, was zur Reduzierung von Wirbelströmen beiträgt. Jede Platte hat eine Dicke von 6 mm, einen Abstand von 20 mm und ist mit einem Abstand von 1 mm unter der Spule befestigt. Eine Aluminiumplatte, die als passive Abschirmung dient, wird im Abstand von 1,3 mm unter der Ferritschicht platziert und hat eine Dicke von 4 mm16. Die DDT-Designabmessungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Globales DD-Senderpad auf Spulenbasis für WPT3/Z3-Ebene, (a) Draufsicht, (b) Seitenansicht und (c) 3D-Modell.

Der DD-Empfänger (DDR) wurde unter Berücksichtigung der Empfehlungen von SAE J2954 entwickelt. Es handelt sich um eine Verbindung zweier identischer rechteckiger Spulen mit nichtlinearem Abstand zwischen den Windungen. Die Außenwindungen überlappen sich; Allerdings sind die inneren Windungen weit voneinander entfernt, um die magnetischen Feldlinien in der Mitte der Spule zu begrenzen. Diese Spule kann simuliert werden, indem jede rechteckige Spule in Form von drei Windungen hergestellt wird, wie in Abb. 5 dargestellt. Die Spule wird von zwei 2 mm langen Ferritplatten getragen, die einen Abstand von 35 mm haben. Auf die Ferritplättchen wird im Abstand von 0,3 mm eine Aluminiumplatte gelegt. Die DDR-Parameter und -Abmessungen sind in Tabelle 2 aufgeführt.

DD-Spulenbasiertes Empfängerpad für WPT3/Z3.

Die Selbstinduktivität von Sender und Empfänger (L1 und L2) und der Kopplungsfaktor (k) zwischen Sender und Empfänger werden bei perfekter Ausrichtung unter Berücksichtigung des minimalen Luftspalts der Z3-Klasse bei oberirdischer Installation ermittelt. In diesem Fall ist der Luftspalt um 17,7 mm kleiner als die Bodenfreiheit (Dicke des Senderpolsters). Der tatsächliche Luftspalt für dieses Design beträgt also 152,3 mm. Die magnetischen Parameter (L1, L2, k) für das DDT/DDR-System bei perfekter Ausrichtung werden aus 3D-FEM extrahiert und in Tabelle 3 dargestellt. Es ist eine gute Korrelation zwischen den Ergebnissen des Modells und den empfohlenen Werten beim Standard SAE J295414 erkennbar .

Resonanzkreise werden im IPT-System verwendet, um die große Streureaktanz im Zusammenhang mit dem großen Luftspalt zu kompensieren, was zu einer Verbesserung der Übertragungsleistung und Effizienz des IPT-Systems führt. Außerdem tragen sie dazu bei, die von der Quelle gelieferte Scheinleistung zu minimieren, indem sie den Blindleistungsbedarf decken und einen Betrieb mit einem Leistungsfaktor von eins erreichen, der ein sanftes Schalten für die elektronischen Geräte ermöglicht. Es werden viele Topologien von Resonanzkreisen beschrieben, darunter: parallel-parallel17, seriell-seriell18, parallel-seriell19, seriell-parallel18, LCL20, CCL21 und LCC22. Vergleiche zwischen verschiedenen Konfigurationen werden in23,24,25 dargestellt.

SAE J2954 empfiehlt einen parallelen LC-Resonanzkreis für beide Seiten von DDT und DDR, wie in Abb. 6 dargestellt, wobei die Parameter für die Z3-Klasse in Tabelle 3 aufgeführt sind. In diesem Schaltkreis ist die Betriebsfrequenz als Bereich von 79 bis 90 definiert kHz. Um die richtige Nennbetriebsfrequenz zu definieren, wird das Simulink-Modell für die Schaltung in Abb. 6 im Frequenzbereich von 79 bis 90 kHz in Schritten von 0,5 kHz analysiert. Die Beziehung zwischen Eingangsleistung (Pin), DC-DC-Wirkungsgrad (η) und Betriebsfrequenz (f) für die Z3-Klasse ist in Abb. 7 dargestellt. Wie Sie sehen können, wird die Eingangsleistung (Pin = 11,1 kVA) erreicht zwei Frequenzen: f = 82,5 kHz und f = 85 kHz. Allerdings weist f = 85 kHz den höchsten Wirkungsgrad (η = 96,39 %) und die höchste Ausgangsleistung (Po = 10,70 kW) auf, die in dieser Studie berücksichtigt wird.

Schematische Darstellung des DDT/DDR WPT3-Systems für die Z3-Klasse.

Beziehung zwischen f, Pin und η des DDT/DDR WPT3-Systems für die Z3-Klasse.

Es wird vorgeschlagen, dass der Magnetempfänger (SR) auf der Fahrzeugseite den gleichen Leistungspegel WPT3 überträgt, wenn der globale DDT auf der Bodenseite verwendet wird. In diesem Abschnitt werden verschiedene Magnetdesigns vorgeschlagen, bewertet und auf der Grundlage von Leistung und Kosten verglichen.

Im DDT/SR-WPT3-Systemszenario werden die gleiche Senderspule und der gleiche Resonanzkreis berücksichtigt. Für das SR-Pad wird ein Serienresonanzkreis verwendet, wie in Abb. 8 dargestellt. Ein Simulink-Modell für den Schaltkreis in Abb. 8 wird entwickelt und analysiert, um die Betriebsparameter des Systems zu definieren. Die Senderparameter (Vdc, Cps, Lps, Cpp) sind die gleichen wie im DDT/DDR-System. Die Parameter der passiven SR-Komponenten (L2, k und Css) werden so ausgewählt, dass das System in der Lage ist, die Nennleistung bei perfekten Ausrichtungsbedingungen zu übertragen und den maximalen Wirkungsgrad (η) zu erzielen. Um diese Bedingungen zu verifizieren, wird das Simulink-Modell von DDT/SR bei einer Betriebsfrequenz von 85 kHz analysiert.

Schematische Darstellung von DDT/SR des WPT3-Systems für die Z3-Klasse.

Bei 85 kHz werden L2 und k geändert und die Ausgangsleistung (Po), der Gleichstrom-Gleichstrom-Wirkungsgrad (η) und der Kompensationskondensator (Css) werden geschätzt und in Abb. 9 dargestellt. Die Werte von L2, k und dem entsprechenden Css die eine Eingangsleistung von 11,1 kVA ergeben, werden wie in Abb. 9a angegeben berechnet. Diese Werte werden verwendet, um eine Nennausgangsleistung (Po = 10,91 kW) mit dem höchsten Wirkungsgrad (η = 98,28 %) zu erhalten, wie in Abb. 9b dargestellt. Die ausgewählten Werte sind in Abb. 9 mit einem Kreis markiert und in Tabelle 4 aufgeführt.

Elektrische Parameterbestimmung von DDT/SR des WPT3-Systems für die Z3-Klasse bei 85 kHz, (a) Beziehung zwischen L2, Css, Pin, an dk und (b) Beziehung zwischen L2, k, Po, η.

Die passiven Parameter der SR-Spule in Tabelle 4 werden als Eingabe für die 3D-FEM verwendet, um Abmessungen und Spezifikationen von Spule und Ferrit zu definieren und zu optimieren. In Ansys Maxwell Software wurde ein 3D-FEM für SR erstellt, das einen einlagigen Litzendraht mit einem Durchmesser von 5 mm enthält, wie in Abb. 10 dargestellt. Die Spule ist auf eine massive Ferritplatte mit einer Höhe Hf gewickelt, um sie zu begrenzen und konzentriert magnetische Flusslinien im Bereich zwischen Sender und Empfänger. Zusätzlich wird über der Magnetlitze ein 2 mm dickes Abschirmblech aus Aluminium mit einem Abstand von 2 mm angebracht.

Design A und B des positionierten SR-Pads für WPT3/Z3, (a) Draufsicht, (b) Seitenansicht und (c) 3D-Modell.

Um L2 und k in Tabelle 4 zu erhalten, wird die Spulenlänge (Lc) in Schritten von 1 mm von 275 auf 284 mm geändert, die Anzahl der Windungen (Nc) wird in Schritten von 1 Umdrehung von 14 auf 18 geändert und Die Spulenhöhe (Hc) wird in Schritten von 1 mm von 21 auf 30 mm geändert. Die Beziehung zwischen diesen Variablen ist in Abb. 11a dargestellt. Die Kombination der Werte, die das gewünschte L2 erreichen, ist rot markiert. Eine weitere Beziehung wird analysiert, um den Wert von k zu erhalten. Dieser Wert wird durch Ändern der Länge des Ferritkerns (Lf) von 263 auf 272 mm, der Breite des Ferritkerns (Wf) von 121 auf 148 mm und der Höhe des Ferritkerns (Hf) von 9 auf 18 erhalten mm. Zwischen diesen Variablen wird eine Beziehung hergestellt und das erforderliche k erhalten, wie im umlaufenden Punkt in Abb. 11b dargestellt.

Magnetische Designanalyse der SR-Dimensionen, (a) Beziehung zwischen Lc, Nc, Hc und L2 für Design A, (b) Beziehung zwischen Lf, Hf, Wf und k für Design A (c) Beziehung zwischen Lc, Nc , Hc und L2 für Design B und (d) Beziehung zwischen Lf, Hf, Wf und k für Design B.

Um das Gewicht, die Größe und die Kosten von SR zu minimieren, wird Design B vorgeschlagen, das einen hohlen Ferritkern anstelle eines Gleitkerns enthält, wie in Abb. 10c dargestellt. Dieselbe Analyse für L2 und k wird für Design B wiederholt und in Abb. 11c,d dargestellt. Die endgültigen Spezifikationen von SR-Design A und SR-Design B sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Ein weiteres Design C kann durch die Verwendung zweier massiver Ferritplatten erreicht werden, die durch einen Abstand (d) voneinander getrennt sind, wie in Abb. 12 dargestellt. Der Abstand d wird in Schritten von 5 mm von 5 auf 50 mm geändert, wie in Abb. 13a dargestellt , und die Werte von L2 und k werden berechnet. Daraus wird geschlossen, dass eine Erhöhung von d den Wert von L2 und k verringert. Die in Abb. 12a,b dargestellten Konstruktionsabmessungen werden gemeinsam geändert, um den erforderlichen Wert von L2 und k zu erhalten, der die maximale Leistung bei höchstem Wirkungsgrad ergibt, der zuvor in Tabelle 4 erwähnt wurde. Die Beziehung zwischen diesen Abmessungen ist in dargestellt Abb. 13b,c und der Punkt, der die gewünschten Abmessungen darstellt, wird mit einem Kreis markiert. Die endgültigen Abmessungen von SR-Design C sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Magnet-Empfängerpad für Design C und Design D für WPT3/Z3-Ebene, (a) Draufsicht, (b) Seitenansicht und (c) 3D-Modell.

Analyse der C-Dimensionen von SR-Design, (a) Beziehung zwischen d, k und L2, (b) Beziehung zwischen Lc, Hc, Nc und L2 und (c) Beziehung zwischen Lf, Hf, Wf und k.

Design D wird vorgeschlagen, indem zwei hohle Ferritkerne verwendet werden. Das 3D-Modell dieses Entwurfs ist in Abb. 12c dargestellt. Der Wert von d, der den gewünschten Wert von L2 und k erreicht, beträgt sowohl für Design C als auch für Design D 30 mm. Die Beziehung zwischen L2 und k wird im Fall der Verwendung hohler Ferritkerne untersucht, wobei die Dicke der Kerne gleich ist von 0,5 mm auf 5 mm in Schritten von 0,5 mm geändert. Daraus wird geschlossen, dass mit zunehmender Dicke des Kerns der Wert von L2 und k zunimmt, wie in Abb. 14a dargestellt. Als Kerndicke wird bei allen Ausführungen ein Wert von 2,5 mm gewählt. In Abb. 14b, c sind die Beziehungen zwischen den in Abb. 12a, b gezeigten Entwurfsabmessungen dargestellt, und der Punkt, der die gewünschten Abmessungen ergibt, ist eingekreist. Die endgültigen Abmessungen von SR-Design D sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Analyse der D-Abmessungen von SR-Design, (a) Beziehung zwischen Dicke, k und L2, (b) Beziehung zwischen Lc, Hc, Nc und L2 und (c) Beziehung zwischen Lf, Hf, Wf und k.

Wenn drei massive Kerne im Magneten verwendet werden, erhält man die Bauform E, wie in Abb. 15 dargestellt. Die drei Kerne sind durch einen Abstand d voneinander getrennt. Die Beziehung zwischen den Dimensionen dieses Systems wurde untersucht, um die gewünschten Werte von L2 und k zu erhalten. Beide (Lc, Hc, Nc, Lf, Hf und Wf) werden geändert, um die erforderlichen Werte (L2 und k) zu erreichen. Der Punkt, der die erforderlichen Abmessungen darstellt, wird mit einem Kreis markiert, wie in Abb. 16a,b dargestellt. Die Abmessungen von SR-Design E sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Magnet-Empfängerpad für Design E und Design F für WPT3/Z3-Ebene, (a) Draufsicht, (b) Seitenansicht und (c) 3D-Modell.

Analyse der SR-Dimensionen, (a) Beziehung zwischen Lc, Nc, Hc und L2 für Design E, (b) Beziehung zwischen Lf, Hf, d und k für Design E (c) Beziehung zwischen Lc, Nc, Hc und L2 für Design F und (d) Beziehung zwischen Lf, Hf, Wf und k für Design F.

Wenn die drei Kerne in Design E hohl sind, erhält man einen Elektromagneten mit drei hohlen Kernen, genannt Design F. Das 3D-Modell für dieses System ist in Abb. 15c dargestellt. Die Änderung zwischen den Systemdimensionen wird untersucht und die Dimensionen ermittelt, die den erforderlichen Wert von L2 und k erreichen. Der Abstand d beträgt 27 mm für Design E und 23,5 mm für Design F. Auf dem Punkt, der diese Abmessungen erreicht, wurde ein Kreis erstellt, wie in Abb. 16c,d dargestellt.

Eine weitere Fallstudie wird an der SR-Spule durchgeführt, bei der mehrere Spulen anstelle einer einzelnen Spule verwendet werden. Es werden zwei identische Magnetspulen verwendet, die in Reihe geschaltet und durch einen Abstand (h) voneinander getrennt sind, wie in Abb. 17 dargestellt. Im Inneren dieser beiden Magnetspulen befindet sich ein massiver Ferritkern, der Design G darstellt, und ein Hohlkern zur Darstellung Design H. Das 3D-Modell für die Designs D und H ist in Abb. 17c dargestellt. Der Abstand h wird in 5-mm-Schritten von 0 auf 50 mm geändert.

Magnet-Aufnahmepad für Design G und Design H für WPT3/Z3-Ebene, (a) Draufsicht, (b) Seitenansicht und (c) 3D-Modell.

Je größer der Abstand zwischen den beiden Spulen (h), desto geringer ist die Selbstinduktivität der Empfängerspule (L2). Der Kopplungsfaktor steigt allmählich an und erreicht seinen höchsten Wert, wenn jede der beiden SR-Spulen genau gegenüber der Spulenseite des DDT liegt. Dann nimmt der Wert des Kopplungskoeffizienten ab, wenn der Wert von h zunimmt, wie in Abb. 18a dargestellt. Der Wert von h beträgt 32 mm für Design G und 31,8 mm für Design H. Für Design G wird die Spulenlänge (Lc) von 90 auf 120 mm, die Windungszahl (Nc) von 20 auf 29 und die Spule geändert Höhe (Hc) wird von 20 auf 40 mm geändert. Zwischen diesen Variablen wird eine Beziehung erstellt, aus der der Wert von L2 ermittelt wird, wie im umlaufenden Punkt in Abb. 18b dargestellt. Um den Wert von k zu erhalten, wird eine weitere Beziehung erstellt. Dieser Wert wird durch Änderung der Länge des Ferritkerns (Lf) von 186 auf 222 mm sowie durch Änderung der Breite des Ferritkerns (Wf) von 78 auf 109 mm und Änderung der Höhe des Ferritkerns (Hf) von erreicht 9 bis 28 mm. Zwischen diesen Variablen wird eine Beziehung hergestellt und das erforderliche k erhalten, wie im umlaufenden Punkt in Abb. 18c dargestellt. Bei Design H wird der Wert der Spulenabmessungen wie bei Design G konstant gehalten. Daher ändert sich die Länge des hohlen Ferritkerns Lf mit dem Abstand h, und die Beziehung zwischen diesen beiden Variablen mit L2 und k wird wie folgt dargestellt in Abb. 18d. Der Punkt, der die erforderlichen Abmessungen darstellt, um eine Nennleistungsübertragung mit maximalem Wirkungsgrad zu erreichen, ist mit einem Kreis markiert. Die Abmessungen von SR-Design G und SR-Design H sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Analyse der SR-Dimensionen, (a) Beziehung zwischen h, L2, k, für Design G, (b) Beziehung zwischen Lc, Hc, Nc und L2, für Design G, (c) Beziehung zwischen Lf, Hf, Wf und k für Design G und (d) Beziehung zwischen Lf, h, L2 und k für Design H.

Wenn zwei Magnetspulen mit zwei massiven Ferritkernen verwendet werden, kann dieses System als Design I bezeichnet werden, wie in Abb. 19 dargestellt. Die Spulen sind durch einen Abstand h und die Ferritkerne durch einen Abstand d voneinander getrennt. Design J wird erreicht, wenn die beiden massiven Ferritkerne durch andere Hohlkerne ersetzt werden, wie im 3D-Modell in Abb. 19c dargestellt. Wenn in den beiden Magnetspulen drei massive Ferritkerne verwendet werden, ergibt sich das Design K wie in Abb. 20 dargestellt. Außerdem sind die Spulen durch einen Abstand h und die Ferritkerne durch einen Abstand d voneinander getrennt. Werden die Ferritkerne entleert und als Hohlkerne verwendet, ergibt sich das Design L wie im 3D-Modell in Abb. 20c dargestellt. In den Ausführungen I, J, K und L behalten die Spulen hinsichtlich Anzahl der Windungen, Länge, Breite und Höhe die gleichen Abmessungen wie in Ausführung G bei, wie in Tabelle 5 angegeben. Die Änderung betrifft lediglich die Abmessungen der Ferritkerne und deren Anzahl um den gewünschten Wert für L2 und k zu erhalten. Die Abmessungen der SR-Designs I, J, K und L sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Magnet-Empfängerpad für Design I und Design J für WPT3/Z3-Ebene, (a) Draufsicht, (b) Seitenansicht und (c) 3D-Modell.

Magnet-Empfängerpad für Design K und Design L für WPT3/Z3-Ebene, (a) Draufsicht, (b) Seitenansicht und (c) 3D-Modell.

In Design I wird der Wert von d in Schritten von 2 mm von 5 auf 47 mm und der Wert von h in Schritten von 1 mm von 20 auf 40 mm geändert. Die entsprechenden Werte von L2 und k werden erhalten und die Beziehung zwischen diesen Variablen wird gezeichnet. Der Punkt, der d und h ergibt und den gewünschten Wert von L2 und k erreicht, wird ermittelt und mit einem Kreis markiert, wie in Abb. 21a gezeigt, wobei die Werte d = 29 mm und h = 31 mm sind. Bei Design J wird der Wert von d in Schritten von 5 mm von 5 auf 70 mm und der Wert von h in Schritten von 5 mm von 5 auf 70 mm geändert. Die entsprechenden Werte von L2 und k werden erhalten und die Beziehung zwischen diesen Variablen wird gezeichnet. Der Punkt, der d ergibt, und h, der die gewünschten Werte von L2 und k erreicht, werden ermittelt und mit einem Kreis markiert, wie in Abb. 21b gezeigt, wobei die Werte d = 35 mm und h = 30 mm sind.

Beziehung zwischen d, h, L2 und k; (a) für Design I, (b) für Design J, (c) für Design K und (d) für Design L.

Für Design K wird der Wert von d von 0,5 mm auf 30,5 mm in Schritten von 3 mm und h von 16,8 mm auf 36,8 mm in Schritten von 2 mm geändert. Für Design L wird der Abstand d von 0,5 mm auf 30,5 mm in Schritt 3 mm und der h von 16,5 mm auf 36,5 mm in Schritt 2 mm geändert. Die Beziehung zwischen d, h, L2, k wird für beide Designs gezeichnet und ein Kreis auf dem Punkt erstellt, der die gewünschten Werte für L2, k ergibt, wie in Abb. 21c für Design K und 21(d) für Design L. Bei diesen vier Designs nimmt der Wert von L2 ab und k zu, wenn sowohl der Abstand zwischen den Ferritkernen (d) als auch der Abstand zwischen den beiden Spulen (h) zunimmt.

Alle vorgeschlagenen SR-Entwürfe werden verglichen, um den besten und kostengünstigsten auszuwählen. Es ist an der Zeit, das wirtschaftlichste Design unter den verschiedenen im Abschnitt „Magnetisches Design des WPT3-Magnetempfängers (SR)“ vorgeschlagenen Designs zu ermitteln. Der Widerstand des SR liegt bei allen Ausführungen sehr nahe beieinander und liegt zwischen 0,014 Ω und 0,018 Ω. Dadurch ist die Änderung des Spulenwirkungsgrads zwischen verschiedenen Designs sehr gering (98 %–98,28 %) und kann vernachlässigt werden. Somit übertragen alle Ausführungen die gleiche Leistung (Pin = 11,1 kVA) bei nahezu gleichem Übertragungswirkungsgrad, wie in Abb. 22 dargestellt.

Effizienzwerte für verschiedene Magnetempfängerkonstruktionen.

Um das wirtschaftlichste Design zu ermitteln, wird ein Vergleich verschiedener SR-Designs hinsichtlich Größe, Gewicht und Kosten durchgeführt. Unter Kenntnis der Abmessungen der in Tabelle 5 genannten Bauformen werden die Volumina der Litzenspulen und Ferritkerne berechnet. Anhand der Datenblätter zu Litzen- und Ferritmaterialien15,26 werden deren Gewichte berechnet. Bei den hohlen Ferritkernen wird zur mechanischen Stabilität eine Kunststoffplatte anstelle von Luft verwendet. Das Kunststoffmaterial ist hochdichtes Steuerbord-Polyethylen (S-HDPE). Dieses Material gilt mit einer Dichte von 0,955 g/cm327 als eine der leichtesten Kunststoffarten. Wenn man also das Volumen einer Kunststoffplatte kennt, kann man deren Gewicht berechnen28.

Das Diagramm in Abb. 23a zeigt das Volumen aller vorgeschlagenen Designs, wobei Design C das größte Design und Design K das kleinste ist. Das Diagramm in Abb. 23b zeigt einen Vergleich der Gewichte der verschiedenen Designs Das schwerste ist Design C und das leichteste ist Design L. Obwohl das Design K das kleinste Modell ist, wiegt es doch höher als das Design L, während die Größe des Design L fast der Größe des Design K entspricht. Dementsprechend kann Design L in Bezug auf Größe und Gewicht als das kleinste Modell angesehen werden. Die Gesamtkosten verschiedener SR-Designs wurden berechnet und in Abb. 23c dargestellt. Wenn man die Länge der Litze und den in Abschnitt 29 genannten Preis pro Meter kennt, werden die Kosten für die Litze jedes SR-Designs berechnet. Wenn man den Preis pro Kern mit den in Abschnitt 30 genannten Abmessungen (91 × 56 × 10 mm3) und das Gesamtvolumen der Ferritkerne für jedes Design kennt, werden die gesamten Ferritkosten berechnet. Die Kosten für Litze und Ferritkern stellen die Gesamtkosten für jedes Design dar. Aus Abb. 23 ist ersichtlich, dass Design L am kostengünstigsten ist. Basierend auf dieser Analyse kann der Schluss gezogen werden, dass das Design L im Vergleich zu anderen Designs die geringste Größe, das geringste Gewicht und die geringsten Kosten aufweist und gleichzeitig die höchste Effizienz (98,28 %) aufweist.

Vergleich zwischen Volumen, Gewicht und Kosten für verschiedene Magnetempfängerdesigns, (a) Volumen (cm3), (b) Gewicht (kg) und (c) Kosten (pu).

Wenn man bedenkt, dass Elektrofahrzeuge verschiedene Arten von Empfängerpads enthalten können und die Ladestation gleichzeitig andere Arten von Senderpads enthalten kann, müssen diese verschiedenen Pads harmonisch, effizient und reibungslos zusammenarbeiten. Das Prinzip der Interoperabilität besagt, dass jedes Fahrzeug unabhängig von der Pad-Konfiguration auf beiden Seiten in der Lage sein muss, seine Batterie an jeder Station aufzuladen. Dieses Konzept erleichtert den Ladevorgang des Fahrzeugs, da der Fahrer nicht auf den Pad-Typ im Fahrzeug oder an der Station achten muss und das Fahrzeug daher an jeder öffentlichen Station aufgeladen werden kann. In diesem Abschnitt wird die Interoperabilität der beiden Systeme DDT/DDR und DDT/SR-Design L untersucht. SR-Design L wurde aufgrund seiner Eigenschaften in Bezug auf Gewicht, Größe und Kosten ausgewählt. Die Interoperabilität wird anhand von Leistungsindizes gemessen: Kopplungsfaktor (k), Ausgangsleistung (P), Gleichstrom-Gleichstrom-Wirkungsgrad (η) und Streu-EMF3. Diese Indizes werden bei perfekter Ausrichtung sowie bei seitlichen und rotatorischen Fehlausrichtungen geschätzt. Gemäß der Norm J2954 kann das System linearen Fehlausrichtungen in X-Achsenrichtung (ΔX = ± 75 mm) und Y-Achsenrichtung (ΔY = ± 100 mm) sowie Winkelfehlausrichtungen wie Drehung um die X-Achse ( Rollen = ± 2°), Drehung um die Y-Achse (Nick = ± 2°) und Drehung um die Z-Achse (Gieren = ± 10°).

Die entwickelten FEMs werden zusammen mit Simulationsschaltungen für DDT/DDR- und DDT/SR-Design L-Systeme analysiert, um die Interoperabilität zwischen ihnen zu untersuchen. Die Leistung beider Systeme unter Berücksichtigung der Z3-Klasse wird unter verschiedenen linearen und winkligen Fehlausrichtungsbedingungen untersucht. Für jedes System werden k, Po und η bei verschiedenen Fehlausrichtungen bewertet und verglichen. Die Leistung der beiden Systeme bei linearen Fehlausrichtungen in der X- und Y-Achse wird in Abb. 23 und Tabelle 6 vorgestellt. Das DDT/SR Design L zeigt bei verschiedenen Fehlausrichtungsbedingungen in der Y-Achsenrichtungen wie in Abb. 24a bzw. c gezeigt. Bei DDT/SR Design L ist der Kopplungskoeffizient bei Fehlausrichtungsbedingungen deutlich niedriger als bei der idealen Ausrichtungsposition. Die Leistung und Effizienz des Systems wird durch den Wert des Kopplungskoeffizienten beeinflusst, wie in Abb. 24b,d dargestellt. Das DDT/DDR-System zeigt eine robuste Leistung bei Fehlausrichtung in Richtung der Y-Achse, was durch den geringen Abfall der Leistungsübertragungsfähigkeit und Effizienz vom perfekt ausgerichteten Zustand bis zum maximalen Versatz deutlich wird, wie in Tabelle 6 dargestellt. Das DDT/SR-Design L zeigt eine schlechte Kraftübertragungsleistung bei maximalem Versatz in X- und Y-Achsenrichtung. Dies zeigt sich am deutlichen Abfall der Leistungswerte, wie in Tabelle 6 dargestellt. Obwohl die Leistungswerte bei maximalen Offset-Bedingungen niedrig sind, bleiben die Effizienzwerte für beide Systeme innerhalb der zulässigen Grenze (η > 85 % für Ausrichtungsbedingungen und η > 80 % bei Fehlausrichtungszuständen). Bei der Bewegung in Richtung der Dennoch bleibt der Wirkungsgrad der beiden Systeme innerhalb der zulässigen Grenze, nämlich zwischen 95,45 % und 97,28 %. Im Gegensatz zum RT/RDD-Modell reagiert das DDT/SR-Design L-Modell empfindlich auf lineare Fehlausrichtungen.

Leistung von DDT/DDR- und DDT/SR-Design L-Systemen bei linearen Fehlausrichtungen, (a) k vs. ∆X, (b) η, Po vs. ∆X, (c) k vs. ∆Y und (d) η, Po vs. ∆Y.

Abbildung 25 zeigt die Leistung von DDT/SR-Design L und DDT/DDR bei verschiedenen Winkelfehlausrichtungen (Yaw o, Roll o und Pitch o). Leistung und Effizienz beider Systeme werden in Tabelle 6 verglichen. Die Profile von Leistung und Effizienz sind im DDT/DDR-System für Yaw o und Pitch o nahezu konstant; Daher bietet dieses System eine robuste Leistung. Bei Roll o verringert sich die Leistung mit steigendem Wert von Roll o. Das DDT/DDR-System führt zu einem geringfügigen Rückgang der Leistung (17,66–33,64 %) und des Wirkungsgrads (-0,81–1,44 %) im Vergleich zum DDT/SR-Design L, das eine deutliche Verringerung der Leistung (56,46–77,91 %) und des Wirkungsgrads mit sich bringt ( 1,96–8,92 % in den schlimmsten Fällen einer Fehlstellung. Für alle Winkelfehlausrichtungsfälle liegen die Wirkungsgradwerte immer noch innerhalb der zulässigen Grenzen und reichen von 89,51 % bis 97,19 %.

Leistung von DDT/DDR- und DDT/SR-Design L-Systemen bei Winkelfehlausrichtungen, (a) k vs. Gier, (b) η, Po vs. Gier, (c) k vs. Roll, (d) η, Po vs . Roll, (e) k vs. Pitch und (f) η, Po vs. Pitch.

Bei vollständiger Ausrichtung und wenn eine leichte Fehlausrichtung auftritt, übertragen die beiden Systeme nahezu die gleiche Leistung mit einem Wirkungsgrad im akzeptablen Bereich. Beim DDT/SR-Design L-System wird die Leistung bei schlechtesten Offset-Bedingungen reduziert. Daraus kann geschlossen werden, dass dieses System empfindlich ist, wenn die Fehlausrichtungen maximal sind. Man kann also sagen, dass die beiden Systeme DDT/DDR und DDT/SR-Design L bei idealer Ausrichtung und leichten Fehlausrichtungsbedingungen interoperabel sind.

Die Auswirkung variabler Belastungsbedingungen auf die Getriebeeffizienz (η) wurde für die Modelle DDT/DDR und DDT/SR-Design L untersucht, wie in Abb. 26 dargestellt. Es wurde festgestellt, dass mit der Erhöhung des Belastungsprozentsatzes die Effizienz beider Modelle zunahm der beiden Modelle erhöht sich, bis bei Volllastbedingungen der höchste Wirkungsgrad erreicht wird.

Effizienz (η) vs. Beladungsprozentsatz von Po (% Po).

Der Sender überträgt Energie über eine Luftspaltentfernung, indem er in IPT-Systemen eine erhebliche Menge elektromagnetischer Felder (EMF) sendet. Einige dieser Magnetfelder sind mit der Sekundärseite gekoppelt, um die Nutzleistung auszudrücken, während sich die anderen in der das Modell umgebenden Luft ausbreiten. Wenn die Streufelder die zulässigen Grenzwerte überschreiten, können sie Sicherheitsbedenken für Organismen in unmittelbarer Nähe des Modells hervorrufen31. Diese magnetischen Streufelder wirken sich negativ auf medizinische Geräte aus, die von Patienten mitgeführt werden können, beispielsweise Herzschrittmacher, da sie deren Funktion stören32. Darüber hinaus können sie in den lebenswichtigen inneren Organen des Menschen enorme induzierte Ströme erzeugen, die zu Hitzestress für das Körpergewebe führen und große Gefahren für die menschliche Gesundheit darstellen33. Viele globale Organisationen haben die zulässigen sicheren Grenzwerte für Streu-EMF bei verschiedenen Betriebsfrequenzen festgelegt. Das Internationale Komitee für den Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP 2010) ist eine dieser Organisationen, die zulässige sichere Grenzwerte für die Dichte extrinsischer Magnetfelder (B) von 27 µT für Organismen und 15 µT für Herzschrittmacher empfohlen hat14,34. Die Richtlinien der Norm J2954 wählen die von der ICNIRP 2010 genannten zulässigen sicheren Grenzwerte für IPT-Systeme. Aus konservativen Gründen wurde daher 15 µT als öffentlicher Grenzwert empfohlen, um die Modelle an die Grenzwerte von Organismen und Herzschrittmachern anzupassen.

Der J2954 bietet Richtlinien für die Messung der EMFs rund um das System. Darin wird die Messung der EMFs in einem Abstand von 800 mm von der Mitte des Senderpads aus allen vier Richtungen empfohlen. Dazu werden vier senkrechte Linien in vier Richtungen (Norden, Süden, Osten und Westen) betrachtet und von der Bodenoberfläche bis zur Oberseite des Empfängers gestartet, wie in Abb. 27 dargestellt. Die beiden Testpunkte vor und hinter dem Fahrzeug werden durch die Linien 1 bzw. 3 dargestellt, während die beiden Seiten des Fahrzeugs durch die Linien 2 und 4 dargestellt werden. Entlang jeder Linie wird der Magnetfelddichtewert gemessen und sein Maximalwert bestimmt, der in der Mitte liegt zwischen den beiden Spulen des Modells. Als dritter Index der Interoperabilität wird die Stärke der elektromagnetischen Felder um die Modelle herum berücksichtigt. Es wird erwartet, dass sich dieser Wert mit der Variation der Empfängerkonfigurationen, der Fehlausrichtungszustände und des Luftspaltabstands ändert. Unter diesem Gesichtspunkt müssen die Modelle in der Lage sein, die zulässigen Standard-Sicherheitsgrenzen bereitzustellen.

EMF-Testpunkte gemäß J2954.

Untersucht werden die Stromkreise der Modelle DDT/SR-Design L und DDT/RDD. In dieser Analyse werden die Parameter berücksichtigt, die sich auf den idealen Ausrichtungszustand beziehen. Ausgangsspannung und -strom für Primärwechselrichter (Vpi, Ipi), Senderspulenstrom (IPc) und Empfängerspulenstrom (ISc) für DDT/SR-Design L- und DDT/RDD-Systeme werden in Abb. 28 verglichen. Da magnetische Felder vorhanden sind Hauptsächlich mit Spulenströmen verknüpft, werden vier Momente der Stromwellenformen überprüft. (t1, t2, t3 und t4), wie in Abb. 28b,d angegeben. Zu jedem Zeitpunkt werden der Senderstrom (IPc) und der Empfängerstrom (ISc) extrahiert und in die FEMs eingespeist. Die Magnetfeldverteilung wird sowohl für die Modelle DDT/SR-Design L als auch DDT/DDR unter Berücksichtigung des schlimmsten Falles von Fehlausrichtungen getestet. Die magnetische Felddichte (B) wird an allen Linien von 1 bis 4 gemessen, aber aufgrund der Ähnlichkeit in beiden Modellen liefern jeweils zwei gegenüberliegende Linien identische Ergebnisse. Daher werden die Erkenntnisse beider Zeilen 1 und 2 berücksichtigt. Die B-Werte in Zeile 1 (vor EV) und Zeile 2 (auf einer Seite von EV) sind in Tabelle 7 aufgeführt. Der Zeitpunkt mit den größten Feldverteilungen wird für die verbleibende Analyse berücksichtigt, nämlich t2 für DDT/SR -Design L und t1 für DDT/DDR.

Aktuelle Extraktionspositionen für EMF-Modelle (a) Ipi vs. Vpi für DDT/SR-Design L, (b) ITc vs. IRc für DDT/SR-Design L, (c) Ipi vs. Vpi für DDT/DDR und ( d) ITc vs. IRc für DDT/DDR.

Der gemessene B-Wert für die Modelle DDT/SR-Design L und DDT/RDD bei linearen und winkligen Fehlausrichtungen ist in Abb. 29 dargestellt. Bei beiden Modellen liegt B unter dem zulässigen Sicherheitsgrenzwert mit mindestens 20,26 % bei verschiedenen Fehlausrichtungen unter Berücksichtigung der Unsicherheiten Aufgrund der Messungen beträgt der Wert im Allgemeinen etwa 5 %35. Das DDT/SR-Design L-System erzeugt an den Leitungen 1 und 2 ein Magnetfeldniveau, das dem des DDT/DDR-Systems an Leitung 1 sehr nahe kommt. An Leitung 2 erzeugt das DDT/DDR-System an verschiedenen Stellen ein höheres Magnetfeldniveau Fehlstellungen. Wie gezeigt, sind die höchsten B-Werte viel kleiner als der akzeptierte sichere Grenzwert (15 µT). Daraus lässt sich schließen, dass die Modelle DDT/SR-Design L und DDT/DDR für WPT3/Z3 im Einklang mit den ICNIRP-Empfehlungen von 2010 für magnetische Streufelder stehen. Daraus kann geschlossen werden, dass die beiden Modelle mit einem sehr hohen Maß an Sicherheit miteinander kompatibel sind.

Magnetische Flussdichteverteilung vor dem EV (Linie 1), auf der linken Seite des EV (Linie 2, (a) B vs. ∆X, (b) B vs. ∆Y, (c) B vs. Yawº , (d) B vs. Rollº und (e) B vs. Pitchº.

Diese Studie schlägt ein neuartiges Design der Magnetspule am Empfängerpad vor, das mit dem Standard-DD-Sender kompatibel ist. Es wurde eine umfangreiche Studie zum Entwurf einer geeigneten WPT3-Magnetspule für die Fahrzeugseite mit hohem Wirkungsgrad sowie geringer Größe, geringem Gewicht und geringen Kosten vorgestellt. Analytische und 3D-FEM werden entwickelt und verwendet, um die System-/Spulenparameter zu entwerfen und zu optimieren. Es wurden mehrere Magnetkonstruktionen vorgeschlagen und hinsichtlich Effizienz, Größe, Gewicht und Kosten verglichen. SR-Design L mit drei Hohlkernen und zwei in Reihe geschalteten Spulen weist den höchsten Wirkungsgrad und die geringsten Abmessungen, Gewichte und Kosten auf. Die Interoperabilitätsanalyse zwischen dem DDT/SR-Design L-Modell und dem DDT/DDR-Modell wurde im Hinblick auf k, Po, η und Leck-EMFs durchgeführt. Die beiden Systeme sind bei perfekter Ausrichtung und unter unterschiedlichen Fehlausrichtungs- und Belastungsbedingungen interoperabel. Die beiden Modelle stimmen mit den durch die internationalen Richtlinien zulässigen Sicherheitsgrenzen überein. Die B-Werte der beiden Systeme liegen unter Berücksichtigung der Unsicherheit aufgrund der Messungen unter 15 µT (akzeptabler Sicherheitsgrenzwert). Man kann also sagen, dass die beiden Systeme nahtlos und effizient zusammenarbeiten können und dies im Einklang mit dem Interoperabilitätsprinzip steht.

Die wichtigsten Erkenntnisse sind im Folgenden zusammengefasst:

Zur Unterstützung von Fahrzeugen der WPT3- und Z3-Klasse wird eine Magnetempfängerspule vorgeschlagen.

Die Empfängerspule des Magnetventils ist mit der standardmäßigen DD-Senderspule interoperabel und kompatibel.

Hohlmagnetempfänger weisen erhebliche Verbesserungen bei Größe, Gewicht und Kosten auf und behalten gleichzeitig eine hohe Effizienz bei unterschiedlichen Ausrichtungs- und Belastungsbedingungen bei.

Sowohl DDR als auch SR-Design L arbeiten mit einem universellen DDT und übertragen die benötigte Leistung bei gleichzeitiger Übertragungseffizienz innerhalb der zulässigen Grenzen.

DDT/SR-Design L erreichen elektromagnetische Streufelder unterhalb der zulässigen Grenzwerte (15 µT) sowohl für Organismen als auch für Herzschrittmacher und entsprechen damit den ICNIRP-Empfehlungen für elektromagnetische Felder.

Abhängig von den in diesem Manuskript dargelegten Analysen, Erkenntnissen und Schlussfolgerungen ergeben sich zahlreiche Forschungsthemen, die gute Kandidaten für zukünftige Forschungen sein können, die im Folgenden aufgeführt sind:

Führen Sie umfangreiche experimentelle Tests für das vorgeschlagene Design und die Interoperabilitätsanalyse durch.

Entdecken Sie die Kompatibilität und Interoperabilität des vorgeschlagenen SR mit dem in J2954 empfohlenen globalen Rechtecksender.

Führen Sie eine automatische Optimierung der vorgeschlagenen Magnetspulenparameter durch, um eine höhere Effizienz oder Anti-Offset-Leistung zu erzielen.

Untersuchen Sie den Einfluss anderer Installationsbedingungen des Senderpads: bündig und unter der Erde, auf die Interoperabilität statischer induktiver Systeme.

Untersuchen Sie die Leistung des vorgeschlagenen Magnetempfängers während des induktiven dynamischen Ladens.

Die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendeten Daten sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken der Zagazig-Universität für die Unterstützung dieser Bemühungen. Die Eaton Corporation ist derzeit nur die Adresse des zweiten Autors (Ahmed Mohamed). Eaton hat zu dieser Arbeit nicht beigetragen.

Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB). Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Abteilung für elektrische Energie und Maschinen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Zagazig, Zagazig, Ägypten

Ahmed A. Shaier, Hamid Metwally und Sameh I. Selem

Eaton Research Labs, Eaton Corporate, Golden, CO, USA

Ahmed AS Mohamed

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AAS: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Datenkuration, Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung. AASM: Recherchieren, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. HM: Visualisierung, Untersuchung, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. SIS: Konzeptualisierung, Supervision, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten.

Korrespondenz mit Ahmed A. Shaier.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Shaier, AA, Mohamed, AAS, Metwally, H. et al. Ein neuer Hohlmagnetempfänger, der mit dem globalen Doppel-D-Sender für das induktive Laden von Elektrofahrzeugen kompatibel ist. Sci Rep 13, 11925 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38645-1

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Eingegangen: 26. Mai 2023

Angenommen: 12. Juli 2023

Veröffentlicht: 24. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38645-1

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