Trådlös laddning av elfordon
Henrik'Engdahl,'[email protected],'+46'70'308'30'40'
Tillsammans med batterikapacitet är avsaknaden av laddinfrastruktur en av de stora
utmaningarna som måste lösas för ett marknadsmässigt genomslag för elfordon.
Frågorna är till viss del sammanlänkade då frekvent möjlighet till laddning kräver mindre
batterier och vice versa. Oavsett batteristorlek kommer den kraftiga minskningen av
tillgänglig energi ombord att tvinga elfordonsanvändaren att ansluta till elnätet för
återladdning betydligt mer frekvent än vad fossildrivna fordon tankas. Den uppenbara
anslutningsmetoden, konduktiv laddning via en vanlig elektrisk kontakt, är bra ur många
hänseenden (välkänd kostnad, väl utvecklade säkerhetssystem, välkänt
hanteringförfarande för konsumenten), men har även sina tillkortakommanden (utsatt för
mekanisk påverkan, manuell hantering vid varje laddning, tveksam ergonomi vid högre
effekter).
Framför allt hanteringen av kabeln har visat sig påverka anslutningsgraden. Då
elfordonsanvändaren ganska snart lär sig att uppskatta vilken laddningsgrad som behövs
under nästkommande dag undviks gärna anslutning om så inte är nödvändigt. Speciellt
problematiskt blir det för pluginhybrider där laddning inte ens är ett krav. Beteendet är allt
annat än önskvärt ur nätägarens och elproducentens perspektiv då det motverkar deras
mål om en så jämn belastning av nätet och produktion av el som möjligt.
Trådlös laddning är ett lovande koncept för att öka elfordonets användarvänlighet och
öka anslutningsgraden och ger dessutom i förlängningen möjlighet till helt nya typer av
energitillförsel. Principiellt kan ett flertal former av fält och strålning användas för
energiöverföring, men när praktiska, kostnads- och hälsomässiga aspekter beaktas
minskar möjligheterna betydligt. Den klart mest lovande kandidaten är energiöverföring
med starkt kopplad magnetisk resonans som möjliggör energiöverföring med god
effektivitet på långa avstånd till ett potentiellt lågt pris.
Principen är att generera ett elektromagnetiskt fält vilket effektivt och med hög effekt kan
överföra energi, genom luft över avstånd på upp till ett par decimeter. Den elektriska
energin överförs via en sändare och mottagare och består i sitt enklaste utförande av en
enkel slinga av koppartråd. När mottagaren placeras i närheten av sändaren induceras
en spänning i denna vilken kan användas för att ladda batterier eller förse annan
utrustning med elektricitet. För att överbrygga inverkan från luftgapet skapas en
resonanskrets medelst en kapacitans. Med hjälp av kraftelektronik ser man till att energi
tillförs till sändaren i samma utsträckning som den tas ut i mottagaren eller konsumeras
av förluster i systemet. Komponentmässigt är systemet enkelt vilket ger potential till ett
lågt produktionspris, i alla fall vid massproduktion.
Den viktigaste designparametern är valet av resonansfrekvens vilket ställer krav på
kraftelektronik och geometri för sändare och mottagare samt inverkar på effektiviteten i
energiöverföringen. Geometrisk form på sändar- och mottagarenheter påverkar i sin tur
magnetfältets form. Ett koncentrerat fält gagnar effektivitet och möjligheten att överföra
mer energi medan ett utspritt fält minskar inverkan från förskjutningar mellan sändare
och mottagare.
Som sig bör ifrågasätts hälsoaspekterna då utrustningen trots allt, osynligt för de
mänskliga sinnena, överför stora mängder energi. Grundfilosofin för att skydda
användare, tredje part#1 och teknisk utrustning är:
1. Stäng av sändaren då den inte används. Utöver säkerhetsaspekter är det en fråga om
effektivitet. Även om förlusterna är relativt små då sändaren ej belastas kan förlusterna
minska vid standby ytterligare. Då sändaren är aktiv hjälper det metalliska chassiet hos
fordonet till att begränsa fältets utvidgning.
2. Minska den exponerade ytan som utsätts för fält genom att utforma sändare så att så
mycket som möjligt av det genererade fältet är vinkelrätt mot sändarens. Också i detta
fall sammanfaller kravet med önskan om hög effektivitet.
3. Välj en frekvens som påverkar den mänskliga kroppen (eller tekniska system runt
omkring oss) så lite som möjligt. Här är valmöjligheten sannolikt mindre då tekniska
randvillkor så som switchfrekvens för kraftelektronik och komponentstorlekar har stor
inverkan.
4. Då sändaren är aktiv, detektera om någon befinner sig i närheten av sändare eller
mellan sändare och mottagare.#2
Det finns idag inget tydligt generellt gränsvärde för vare sig magnetiska eller elektriska
fält i det frekvensområde som används vid den här typen av energiöverföring. Den
vanligast citerade källan till gränsvärde är ICNIRP Guidelines [5] vilket av vissa
organisationer, till exempel myndigheten för olycksprevention i Tyskland, anammat som
måttstock i BGV B11 [6]. För att kvalitetssäkra mätningen av fälten kan till exempel
EN6228 [7] utnyttjas#3.
Om exponering av magnetiska elektriska fält hanteras enligt ovan kan den
resonansinduktiva laddaren göras mycket drifts- och personsäker. Alla spänningsförande
delar kan kapslas in och, i extremfallet, monteras under vägbanan. Elektriskt kan samma
skyddsutrustning användas både på mottagar- och sändarsidan som för alla andra
switchande laster. Mekaniskt finns inga slitagedelar och genom korrekt val av elektriska
komponenter, framför allt ingående kapacitanser, finns inga uppenbara hinder för hög
driftsäkerhet och lång livslängd.
Utöver att överföra energi kan anordningen användas för att överföra information vilket
dels kan användas för att kontrollera laddförfarandet, dels kan nyttjas för identifiering.
Eftersom den kanalen för informationsöverföring inte är fysiskt skyddad krävs ett
genomtänkt säkerhetsresonemang för att undvika missbruk och, om ekonomiska
transaktioner genomförs, bedrägeri.
Följande är exempel på företag som erbjuder utrustning för induktiv överföring av energi
lämpad för fordon:
Siemens [8]
WiTricity & Delphi [9]
Qualcomm (f.d. Halo IPT) [10]
Bombardier [11]
Flera av företagen har lyckats attrahera någon av de större OEM:erna för pilotförsök så
intresse för tekniken finns onekligen. Även om principerna är likartade i de olika
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
1!Flera tillverkare har demonstrerat att ingen akut risk föreligger bl.a. genom att den egna
personalen rört placerat sig i magnetfältet.!
montering av mottagare under fordonet ter det sig osannlikt att vuxna personer skulle
kunna placera sig mellan sändare och mottager. Man kan dock mycket väl tänka sig att barn
eller husdjur placerar sig där.!
3!Precis som standarder för t.ex. elsäkerhet är detta dokument utvecklade för andra miljöer
och utrustningar än den som avses här. Detta behöver givetvis beaktas vid mätning för att
relevanta data ska kunna erhållas.!
2!Vid
systemen finns idag ingen kunskap om huruvida en sändare från en leverantör kan
användas med en mottagare från en annan leverantör. Arbetet med att etablera ett
standardiserat gränssnitt har initierats av IEC men första utkastet är ej publicerat ännu.
En slutgiltig standard ligger med andra ord flera år framåt i tiden.
Efter att en standard etablerats och tekniken mognat något kan man tänka sig att
sändarenheterna flyttar från parkeringplatser ut i trafiken. Flera tillverkare målar upp ett
scenario där ditt fordon plockar upp lite energi vid varje naturligt stopp, t.ex. rödljus eller
kanske till och med i farten. Även om det principiellt inte finns några hinder för en sådan
utveckling, Bombardiers Primove fungerar bevisligen redan så för spårbunden trafik,
finns många tekniska och säkerhetsmässiga utmaningar att lösa innan det blir verklighet.
Bara placeringen av mottagare i förhållande till sändare torde var en stor utmaning inte
minst för att det introducerar ytterligare ett moment för föraren#4. Dessutom kommer
säkerhetsresonemanget att behöva arbetas om dels då effekten måste höjas om
energitillförsel under kort tid ska vara lönt, dels då förare och passagerare alltid kommer
att befinna sig i närheten av det fält som överför energi.
För den intresserade läsaren rekommenderas vidare studier av [1][2][3][4] för mer
information om principerna bakom energiöverföringstekniken. Materialet förutsätter
kunskaper i matematik, kretsteori och elektromagetism på universitetsnivå.
Sammanfattningsvis så erbjuder resonansinduktiv laddning en intressant möjlighet att på
ett säkert och effektivt sätt öka attraktionskraften hos elfordon genom att underlätta
anslutningen till elnätet. Ett antal ingenjörsmässiga problem återstår fortfarande att lösa
innan ett större kommersiellt genomslag kan ske, men det synes inte finnas några
fundamentala hinder som skulle förhindra att tekniken kan användas för stationär
laddning av fordon.
[1] http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4522790
[2] http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=00104225
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Resonant_inductive_coupling
[4] http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/317/5834/83
[5] http://www.icnirp.de/PubEMF.htm
[6] http://www.narda-sts.de/fileadmin/user_upload/literature/standards/BGV_B11_e.pdf
[7] http://www.elstandard.se/standarder/visa.asp?IDnr=988201
[8] http://www.energy.siemens.com/hq/en/energytopics/electromobility/portfolio/charging-pole/inductive_charging.htm
[9] http://www.witricity.com/pages/ev-charging-system.html
[10] http://www.qualcommhalo.com/
[11] http://primove.bombardier.com/
!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
4!Förutsatt att fordonet inte självt får ta kontrollen över gas, broms och ratt. !
