АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕДАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В СИСТЕМІ БЕЗДРОТОВОЇ ЗАРЯДКИ АКУМУЛЯТОРНОЇ БАТАРЕЇ ЕЛЕКТРОМОБІЛЯ
Theoretical researches of efficiency of electric energy transfer in the wireless charger of inductive type with serial resonance in circles of transmitting and receiving coils are carried out. It is shown that this efficiency depends on the parameter (the product of the magnetic couplin...
Збережено в:
| Дата: | 2021 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2021
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/184 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technical Electrodynamics |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technical Electrodynamics| _version_ | 1868203861040168960 |
|---|---|
| author | Подольцев, О.Д. Павлов, В.Б. Западинчук, О.П. |
| author_facet | Подольцев, О.Д. Павлов, В.Б. Западинчук, О.П. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "О.Д. Подольцев",
"institution": "Інститут електродинаміки НАН України, пр. Перемоги, 56, Київ, 03057, Україна"
},
{
"author": "В.Б. Павлов",
"institution": "Інститут електродинаміки НАН України, пр. Перемоги, 56, Київ, 03057, Україна"
},
{
"author": "О.П. Западинчук",
"institution": "Секція прикладних проблем НАН України, вул. Володимирська, 54, Київ, 01030, Україна"
}
] |
| author_sort | Подольцев, О.Д. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-12-07T14:45:31Z |
| description | Theoretical researches of efficiency of electric energy transfer in the wireless charger of inductive type with serial resonance in circles of transmitting and receiving coils are carried out. It is shown that this efficiency depends on the parameter (the product of the magnetic coupling coefficient and the Q- factor of the coils) and the ratio of the active resistances of the battery and the coil. It is shown that there is an optimal value of this ratio, at which the efficiency of the device is maximum (when ) and its value increases monotonically with increasing parameter . Moreover, to achieve an efficiency greater than 0.8, it is necessary to have a system of coils with a value of 10. The graphical dependences that determine the value of this efficiency as a function of these two parameters and set the allowable interval for changing the resistance ratio in terms of high energy efficiency. Numerical calculation of the high-frequency magnetic field (with an operating frequency of 100 kHz) generated by the coils was performed, in two cases - in the absence of shielding and in the presence of aluminum electromagnetic screens and showed high efficiency of such screens. The peculiarity of the calculation is that to determine the values of complex currents in both coils, which depend on the mode of operation of the whole device, use their preliminary calculation based on the created Simulink-model of the device. References 14, figures 5, table 2. |
| doi_str_mv | 10.15407/techned2021.04.063 |
| first_indexed | 2026-06-17T01:00:40Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 4 63
ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНІ КОМПЛЕКСИ ТА СИСТЕМИ
УДК 629.113-83 DOI: https://doi.org/10.15407/techned2021.04.063
АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕДАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В СИСТЕМІ
БЕЗДРОТОВОЇ ЗАРЯДКИ АКУМУЛЯТОРНОЇ БАТАРЕЇ ЕЛЕКТРОМОБІЛЯ
О.Д. Подольцев1*, докт. техн. наук, В.Б. Павлов1**, докт. техн. наук,
О.П. Западинчук2, канд. наук з держ. упр.
1 Інститут електродинаміки НАН України,
пр. Перемоги, 56, Київ, 03057, Україна, e-mail: podol@ied.org.ua
2 Секція прикладних проблем НАН України,
вул. Володимирська, 54, Київ, 01030, Україна.
Проведено теоретичні дослідження ефективності передачі електричної енергії у бездротовому зарядному
пристрої індуктивного типу із послідовним резонансом в колах передавальної та приймальної котушок. Пока-
зано, що ефективність залежить від параметру 12k Q (добуток коефіцієнту магнітного зв’язку та добротно-
сті котушок) і співвідношення активних опорів акумуляторної батареї та котушки. Показано, що існує опти-
мальне значенням співвідношення, за якого ефективність пристрою є максимальною (за умови 12k Q = const), і
її значення монотонно зростає із ростом параметра 12k Q . Причому, задля досягнення ефективності більше
0.8, необхідно мати систему котушок із значенням 12k Q 10. Наведено графічні залежності, що надають
змоги визначення цієї ефективності як функції цих двох параметрів та встановити допустимий інтервал змі-
нення співвідношення опорів з точки зору високої ефективної енергопередачі. Проведено чисельний розрахунок
високочастотного магнітного поля (із робочою частотою 100 кГц), що утворюється котушками, у двох випа-
дках – за відсутності екранування та за наявності алюмінієвих електромагнітних екранів. Показано високу
ефективність використання таких екранів. Особливістю розрахунку є те, що для визначення значень комплек-
сних струмів в обох котушках, які залежать від режиму роботи всього пристрою, використовується попере-
дній їхній розрахунок на основі створеної Simulink-моделі пристрою. Бібл. 14, рис. 5, табл. 2.
Ключові слова: бездротова передача енергії, бездротова зарядка акумуляторної батареї, повітряний трансфор-
матор, послідовний резонанс, ефективність енергопередачі, електромагнітний екран.
Вступ. Створення нових моделей електротранспорту, що використовують акумуляторні бата-
реї як джерело живлення, та все більш їхнє широке застосування є актуальним напрямком розвитку
інфраструктури громадського та особистого транспорту. Транспорт з електричним приводом має не-
заперечні переваги по відношенню до транспортних засобів на вуглеводневих енергоносіях, а саме:
екологічність, безшумність, простота і легкість управління, а також економічність під час експлуата-
ції з огляду на значно менші витрати на паливо та технічне обслуговування. Однак для споживча йо-
го привабливість поки обмежується відносно високою вартістю та відсутністю розвиненої інфрастру-
ктури зарядних станцій. Створення такої інфраструктури є одним із стратегічних завдань в області
розвитку електричного транспорту у мегаполісах.
Найбільш перспективною технологією зарядки акумуляторних батарей електромобілів і елек-
тробусів, що складають основу електротранспорту у великих містах, є технологія безконтактної заря-
дки [1], головними перевагами якої є універсальність щодо різних видів і марок електротранспорту,
безпека і комфортність. Однак для реалізації технології швидкої безконтактної зарядки необхідно
створення зарядних пристроїв широкого діапазону потужності (2 - 100 кВт) з високою ефективністю
передачі електричної енергії від зовнішньої мережі до акумуляторної батареї.
Безконтактні зарядні пристрої (БЗП) високої потужності можуть бути створені на основі викорис-
тання декількох способів бездротової передачі електричної енергії [2, 3]: індуктивний, ємнісний та радіо-
хвильовий. Найбільш ефективним з точки зору передавання відносно великої потужності на відстань 100
– 400 мм є індуктивний спосіб, що здійснює енергопередачу завдяки магнітному зв’язку між передаваль-
ною та приймальною котушками, що утворюють повітряний трансформатор. Встановлено [4], що необ-
© Подольцев О.Д., Павлов В.Б., Западинчук О.П., 2021
ORCID ID: * https://orcid.org/0000-0002-9029-9397; ** https://orcid.org/0000-0003-0565-265X
64 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 4
Таблиця 1
Назва Частота Потуж-
ність
Відстань між
котушками
Ефекти-
вність
Поси-
лання
KAIST 20 кГц 22 кВт 200 мм 71% [8]
NYU 85 кГц 25 кВт 210 мм 91% [9]
Tokohu University 360 кГц 15 кВт 0-200 мм 75% [10]
PATH 20 кГц 60 кВт 75 мм 60% [11]
University of Auck-
land
85 кГц 1 кВт 100 мм 91,3% [12]
хідною умовою ефективної передачі енергії між такими котушками, яка здійснюється на робочих часто-
тах 20 -100 кГц та супроводжується виникненням значних реактивних струмів, є наявність ємнісних еле-
ментів в колах цих котушок, що утворюють резонанс в цих колах на робочій частоті.
В залежності від характеру підключення ємнісних елементів до котушок можливі чотири осно-
вні структури БЗП: «послідовно-послідовно», «послідовно-паралельно», «паралельно-паралельно» та
«паралельно-послідовно». Загальну порівняльну характеристику цих структур наведено у [5, 6], де
встановлено, що структура із послідовним підключенням ємності у колах обох котушок має певні пере-
ваги перед іншими, наприклад, внаслідок того, що умова виникнення резонансу у колах обох котушок
не залежить від відстані між ними. Тому далі буде розглядатися саме така структура БЗП.
Слід зазначити, що важливими характеристиками БЗП для заряджання акумуляторної батареї
електромобіля є: 1) висока ефективність бездротової передачі електричної енергії від джерела жив-
лення до акумуляторної батареї у разі великого повітряного проміжку; 2) допустимий рівень високо-
частотного магнітного поля, що утворюється навколо котушок задля зменшення втрат в металевих
елементах корпусу автомобіля. Створення БЗП, що задовольняють зазначеним технічним характерис-
тикам, пов'язано з цілим рядом науково-технічних питань, теоретичні основи для вирішення яких ще
недостатньо досліджено та визначено на даний час. Так, наприклад, у [7] наведено загальні вирази
для визначення ефективності передачі енергії в БЗП, але при цьому не розглянуто, від яких безрозмі-
рних параметрів залежить ця ефективність та яким чином вибирати оптимальне значення опору нава-
нтаження, якщо він змінюється в процесі заряджання акумуляторної батареї. Характеристики деяких
створених БЗП наведено у табл. 1. З таблиці видно, що ефективність цих пристроїв може змінюватися
від 60% до 90,3% і
задля вирішення пи-
тання щодо підви-
щення ефективності
необхідне проведен-
ня подальших дослі-
джень. Чисельний
розрахунок магніт-
ного поля в БЗП
наведено у [13]. Ві-
домо, що рівень цього поля залежить від комплексних значень струмів, що протікають в котушках,
тобто від режиму роботи пристрою, та від їхніх геометричних розмірів. В роботі не пояснено, яким
чином визначаються ці струми.
Метою роботи є аналіз електромагнітних процесів в безконтактному зарядному пристрої з
послідовним резонансом в колах передавальної та приймальної котушок, визначення його оптималь-
них параметрів з точки зору підвищеної ефективності передачі електричної енергії в активне
навантаження та оцінка рівня магнітного поля, що створюється таким пристроєм в навколишньому
просторі за відсутності та наявності електромагнітного екрана.
1. Аналіз ефективності передачі енергії в БЗП та визначення оптимальних
співвідношень. Базову структуру БЗП індуктивного типу та послідовним резонансом показано на
рис. 1, а, а спрощену еквівалентну схему, що відповідає цієї структури та дає змогу розраховувати
ефективність передачі енергії в акумуляторну батарею, – на рис. 1, б. Зазначимо, що на рис. 1, а
показний додатковий трансформатор, що забезпечує необхідну напругу на акумуляторній батареї і в
той же час дає змогу одержати оптимальне значення еквівалентного опору навантаження. На рис. 1, б
передавальна котушка характеризується параметрами 1 1,R L , а приймальна – 2 2,R L . Між котушками
існує магнітний зв’язок, що характеризується коефіцієнтом взаємоіндукції М або коефіцієнтом
магнітного зв’язку 12 1 2/k M L L . Активний опір навантаження LR може бути розрахований як
2
2 2/LR U P , де 2U та 2P – відповідно напруга та активна потужність на вході випрямляча (рис. 1, а).
Баланс напруг у колах обох котушок, записаний у частотній площині, має наступний вигляд:
1
1 21 1 1
1
2 12 2 2
U ( ( ) ) ,
0 ( ( ) ) .L
R j C j L I j M I
R R j C j L I j M I
(1)
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 4 65
Після підстановки значення
струму 2I із другого рівняння систе-
ми (1) в перше значення еквівалент-
ного імпедансу кола на затискачах
джерела живлення розраховується як
1 1 1 1
2
2 2 2
/ ( 1 / )
( )
( 1 / )L
Z U I R j L C
M
R R j L C
. (2)
З виразу видно, що загальний
резонанс в колі на рис. 1, який вини-
кає за умови Im( ) 0Z , буде здійсню-
ватися, якщо
1 11 / ( )L C та 2 21 / ( )L C , (3)
тобто не залежить від взаємного роз-
ташування котушок, яке впливає на
величину М, а значення ємностей за
заданої частоти визначаються тіль-
ки їхніми індуктивностями. Така вла-
стивість БЗП із послідовним резонан-
сом є їхньою важливою перевагою у порівнянні із іншими можливими структурами електричних кіл.
Ефективність передачі електричної енергії від джерела напруги у навантаження LR , яка може
характеризуватися величиною ККД, у разі використання спрощеної схеми на рис. 1, б визначається як
2 2 2 2
2 2 1 21 2/ ( )L LR I R I R I R I . (4)
Використовуючи значення струмів із системи (1) за умови існування резонансу (3), а також
припускаючи для спрощення, що індуктивності та активні опори обох котушок є однаковими
1 2L L L , 1 2R R R , значення за виразом
(4) розраховується як
1 2 1 1 1
12(1 ( ) ( 2 ))L L LRR k Q RR R R , (5)
де /Q L R – добротність котушок (припуска-
ється, що дві котушки є однаковими). Із цього
виразу видно, що ефективність передачі елект-
ричної енергії залежить від трьох безрозмірних
параметрів: добротності котушки Q, коефіцієнту
зв’язку між котушками 12k та /LR R – співвід-
ношення опору акумуляторної батареї RL (нава-
нтаження) та опору котушки R.
Графічна залежність , що розраховується
за виразом (5), може бути представлена як фун-
кція двох параметрів (рис. 2). Із цього рисунку
видно наступне.
Існує оптимальне значення співвідно-
шення ( / )L optR R , за якого величина ефективно-
сті передачі енергії досягає максимального значення maxη (за умови 12k Q =const). Також значення
( / )L optR R залежить від параметра 12k Q . Зазначимо, що на практиці зазвичай задано значення опору
навантаження LR і змінення співвідношення /LR R можливе за рахунок змінення опору котушки R.
При цьому, виконання умови 12k Q =const можливе шляхом змінення числа витків котушки w . Так як
величини R і L змінюються пропорційно 2w , то значення Q при цьому буде залишатися незмінним,
що і дасть змогу дотриматися цієї умови.
1 10 100 1 10
3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
RRL /
Qk12 =1
2
3
5
10
20
50 100
Рис. 2
1L 2L
M
U LR
2R 1R 1C 2C
1I 2I
1L 2L
M
1C
2C
В
ип
ря
м
ля
ч
D
C
/A
C
ко
нв
ер
то
р
А
ку
м
ул
ят
ор
на
ба
та
ре
я
Система
керування
В
ип
ря
м
ля
ч
2P
2U
а)
б)
2
2
2 / PURL
Рис. 1
66 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 4
0 10 20 30 40 50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
20
40
60
Qk12
max
max optL RR )/(
optL RR )/(
Рис. 3
Залежність від параметру 12k Q є монотонною, причому, за умови / ( / )L L optR R R R , із зрос-
танням 12k Q зростає и . Задля одержання високої ефективності, наприклад, η 0,8 , необхідно мати
котушки, для яких 12 10k Q .
Так як ефективність передачі енергії від джерела до акумуляторної батареї зростає із ростом
саме добутку двох безрозмірних параметрів 12k Q , то вирішення на практиці оптимізаційної задачі
пошуку ефективної системи БЗП з двох котушок оптимальної геометрії доцільно здійснювати саме за
інтегральним критерієм 12 maxk Q .
Розрахувавши часткову похідну функції (5) двох змінних 12η( / , )LR R k Q за аргументом /LR R
та прирівнявши її до нуля, отримаємо оптимальне значення співвідношення опору навантаження та
котушки, яке дорівнює
2
12( / ) 1 ( )L optR R k Q . (6)
У такому разі величина буде досягати максимального значення, яке розраховується як
2 2 2
max 12 12( ) (1 1 ( ) )k Q k Q . (7)
На рис. 3 наведено графічні залежності (6) та (7), які дають змогу визначити оптимальне зна-
чення співвідношення опорів та відповідне значення максимальної ефективності енергопередачі maxη
в залежності від параметру 12k Q за виконання
умови (6). Щодо вибору на практиці оптимального
значення співвідношення /LR R , то слід зазначити
наступне. Відомо, що в процесі заряджання аку-
муляторної батареї її еквівалентне значення LR
буде змінюватися впродовж всього процесу. Отже,
дотримання умови, коли / ( / )L L optR R R R
впродовж всієї зарядки, потребує використання
додаткових схемотехнічних рішень, наприклад,
встановлення додаткового DC/DC конвектора на
вході акумуляторної батареї. Можливий інший
спрощений підхід, коли за даними рис. 2 визна-
чається допустимий діапазон змінення величини
LR , у разі чого значення не сильно відрізняється
від maxη , і саме в цьому діапазоні здійснюється
процес заряджання. Наприклад, за даними рис. 2 за 12k Q =10 величина η 0,8 за 6 / 20LR R .
Отже, під час проектування системи необхідно намагатися здійснювати змінення LR саме в такому
діапазоні, наприклад, вибираючи відповідне значення опору котушок R шляхом вибору відповідного
числа їхніх витків.
Під час проектування БЗП необхідно визначити умови, за яких цей пристрій буде мати необ-
хідне значення потужності. За умови існування резонансу в колі обох котушок, еквівалентний опір
пристрою згідно із (2) буде дорівнювати
2 1 2 1
1 2 12( ) ( ) ( ) (1 / )e L LZ R R M R R R k Q R R R ,
де прийнято, що 1 2R R R . Величина активної потужності джерела живлення буде дорівнювати
2 2 2 1
12/ / [ ( ) (1 / ) ]e LP U R U R k Q R R R . (8)
Із цього виразу можна за заданих значень потужності P та параметрів котушок вибрати необ-
хідне значення напруги U або за заданої напруги вибрати необхідні параметри котушок, наприклад,
число витків, що визначають відповідне значення R.
2. Приклад практичної реалізації передавальної та приймальної котушки та їхні елект-
ричні характеристики. Задля проведення експериментальних досліджень ефективності передачі
енергії в БЗП були виготовлені передавальна та приймальна котушки, які мають однакове число вит-
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 4 67
ків w 4, намотані мідною трубкою діаметром 10 мм, та однакові геометричні розміри: a = 10 мм,
b = 65 мм, cpd 435 мм (див. вставку
на рис. 5).
Індуктивність кожної котушки
дорівнює L = 12,2 мкГн. Залежність
коефіцієнта зв’язку між котушками,
розрахована за даними [14] в залежно-
сті від відстані між серединами цих котушок x , показано на рис. 4. За x 100 мм цей коефіцієнт до-
рівнює 12k 0,34, і саме за такої відстані проводилися основ-
ні дослідження. Величина активного опору котушки залежить
від робочої частоти внаслідок впливу скін-ефекту. Розрахун-
кові значення цього опору R за різних частот, а також зна-
чення добротності котушки /Q L R , наведено у табл. 2.
Далі в експериментах вибиралися частота джерела живлення
f 100 кГц та відстань між котушками x 100 мм. При цьо-
му, значення параметру 12k Q 0,34*215=73, а оптимальне
значення співвідношення опору акумуляторної батареї LR до
опору котушки R, виходячи з виразу (6), дорівнює
( / )L optR R =73. Значення величини maxη за даними (7) буде
дорівнювати maxη = 0,97.
У разі вирішення зворотної задачі, коли для заданої
акумуляторної батареї необхідно визначити оптимальні па-
раметри БЗП, наведено один із можливих алгоритмів вибору таких параметрів, спираючись на одер-
жані результати.
1. Визначаємо середнє значення опору акумуляторної батареї. В проведеному експерименті
заряджання батареї із трьох послідовно з’єднаних свинцево-кислотних акумуляторів здійснювалося
струмом заряджання 10 А, а напруга на батареї змінювалася від 30 В до 40 В. Еквівалентний опір ба-
тареї при цьому змінювався від 3 Ом до 4 Ом. Приймаємо середнє значення LR = 3,5 Ом.
2. Задаємося геометричними розмірами котушок, відстанню між ними, значенням коефіцієнту
заповнення їхнього перетину мідним провідником zk та частотою джерела живлення. Це дає змогу
розрахувати значення параметрів Q та 12k . Зазначимо, що за умові constzk їхні значення слабо за-
лежать від числа витків котушок. Для врахування цієї залежності необхідно використовувати ітера-
ційний процес. На цьому етапі також доцільно вирішити додаткову задачу оптимізації геометричних
розмірів котушок за умови 12 maxQ k .
3. За даними рис. 2 або із виразу (6) знаходимо оптимальне значення співвідношення
( / )L optR R , з якого визначаємо необхідну величину опору котушки R.
4. Із виразу для опору котушки прямокутного перерізу
2 / ( )ср zR w l abk
визначаємо необхідне число витків w . Зазначимо, що для намотки котушки доцільно використовува-
ти мідний провід типу «літцендрат» із найбільшим значенням zk , що дає змогу отримати найбільше
значення її добротності Q.
5. Визначаємо максимальне значення ККД за результатами рис. 2 або із виразу (7), а також
величину ємності конденсаторів в колах обох котушок із умови резонансу.
Результати розрахунків за наведеним алгоритмом для котушок, розміри яких надано вище, на
робочій частоті 100 кГц є наступними: 12Q k = 73, ( / )L optR R = 73, R = 3,5/73 = 0,048 Ом, w = 22 за
zk = 0,4, maxη = 0,97. Зі збільшенням зарядного струму до 100 А величина LR зменшиться у 10 разів, а
число витків – у 10 раз и буде дорівнювати w =7.
3. Розрахунок магнітного поля котушок. Для розрахунку високочастотного магнітного по-
ля, що утворюється навколо котушок БЗП, необхідно окрім їхніх геометричних розмірів знати ком-
Таблиця 2
Частота f, кГц 0,05 20 50 100
Товщина скін-шару , мм 10 0,52 0,33 0,23
Активний опір котушки R, мОм 4,2 8 12 17
Добротність Q 0,43 94 157 215
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.01
0.1
1
a
b x
cpd 12k
ñðdx /
Рис. 4
68 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 4
плексні значення електричних струмів, що протікають у колі обох котушок. Для цього було розроб-
лено комп’ютерну Simulink-модель, що містить моделі всіх основних елементів системи, показаної на
рис. 1, а. Результати досліджень на цій моделі будуть наведені у окремій статті. За результатами цих
розрахунків на робочій частоті 100 кГц були найдені значення електричних струмів, що протікають в
котушках за еквівалентного опору навантаження 6,25 Ом (за даними експерименту), які дорівнюють:
0
1 125 0I , 0
2 25 90I .
Магнітне поле, що створюється цими струмами у котушках, описується наступним рівнянням
відносно комплексного значення векторного магнітного потенціалу (0, ,0)AA
1 1
0( ) Kr j A A J ,
де – електропровідність матеріалу електромагнітного екрану; kJ – комплексне значення густини
струму у перерізі передавальної та приймальної котушок, яке розраховуються для вищенаведених
значень струмів. Параметри котушок наведено у попередньому розділі, а відстань між ними складала
100 мм. Як граничні задавалися умова симетрії на осі 0r та умови магнітної ізоляції на інших зов-
нішніх границях. Для вирішення цієї польової задачі використовувався пакет програм Comsol.
Результати розрахунків магнітного поля наведено на рис. 5, де ліворуч показано просторовий
розподіл модуля вектора магнітної
індукції B у перерізі 0r z . Видно,
що поле навколо котушок має зна-
чну величину і у разі розташуван-
ня там металевих частин – корпусу
електромобіля – буде створювати
значні втрати електричної енергії
в їхньому об’ємі. Задля зменшення
цього поля доцільно використову-
вати електромагнітні екрани. На
рис. 5, праворуч показано розподіл
поля за наявності двох кругових
пластин із алюмінію товщиною 2
мм та діаметром 550 мм. Видно,
що використання таких екранів
значно знижує (на порядок) рівень
поля за межами обох котушок.
Висновки. За результата-
ми теоретичних досліджень безд-
ротового зарядного пристрою із послідовним резонансом показано, що ефективність передачі енергії,
яка характеризується величиною ККД , є найбільшою за оптимального значення співвідношення
опорів акумуляторної батареї та котушки (за умови 12k Q =const), і її значення монотонно зростає з
ростом параметру 12k Q . Задля досягнення значення η 0,8 необхідно мати котушки, що характери-
зуються 12k Q 10. Виходячи з того, що еквівалентний опір навантаження акумуляторної батареї LR
змінюється у процесі її заряджання, то наведені на рис. 2 графічні залежності дають змогу вибрати
оптимальні параметри котушок та ефективний режим роботи БЗП саме із врахуванням цього фактора.
Також задля підвищення БЗП доцільно в його структурі запровадити, наприклад, DC/DC конвектор,
який дозволить здійснити виконання умови ( ) / ( / )L L optR t R R R впродовж всього процесу заряджання.
Розроблено комп’ютерну Simulink-модель бездротового зарядного пристрою, за допомогою
якої визначено комплексі значення електричних струмів в обох котушках для реалізованого на прак-
тиці режиму його роботи. Використовуючи ці значення, проведено розрахунок високочастотного ма-
гнітного поля (частота 100 кГц), що утворюється такими котушками, у двох випадках – за відсутності
екранування такого поля та за наявності як екранів алюмінієвих пластин товщиною 2 мм. Показано
високу ефективність використання таких екранів.
Роботу виконано за бюджетною темою «Розвиток теоретичних засад і розроблення рекомендацій по
створенню високоефективних систем заряду накопичувачів енергії електромобільного транспорту з урахуван-
ням вимог забезпечення електромагнітної сумісності з системою електроживлення», КПКВК 6541030.
Рис. 5
maxB =6,3 мТл maxB =7,8 мТл
0,1 мТл
0,2
0,3
0,4
Передавальна
котушка
Приймальна
котушка
Магнітне поле
без екрану
Магнітне поле з
алюмінієвими
екранами
0,01 мТл
0,1
Екрани
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 4 69
1. Trivino-Cabrera A., Gonzalez-Gonzalez J., Aguado J. Wireless Power Transfer for Electric Vehicles: Foundations and De-
sign Approach. Springer, 2020. 175 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-26706-3
2. Song M., Belov P., Kapitanova P. Wireless Power transfer inspired by the modern trends in electromagnetics. Applied
Physics Reviews. 2017. No 4. Pp. 0211102(1-19). DOI: https://doi.org/10.1063/1.4981396
3. Patil D., McDonough M.K., Miller J.M., Fahimi B., Balsara P.T. Wireless power transfer for vehicular applications: over-
view and challenges. IEEE Transactions jn Transportation Electrification. 2017. No 4. Pp 3–37. DOI:
https://doi.org/10.1109/TTE.2017.2780627
4. Kurs A., Karalis A., Moffat R. Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances. Science Express.
2007. Vol. 317. No 5834. Pp. 83-86. DOI: https:dooi.org/10.1126/science.1143254
5. Frivaldski M., Spanik P., Drgona P., Jaros V., Piri M. Analisis of Wireless Power System Efficiency in Dependecy on Con-
figuration of Resonant Tank. Wireless Power Transfer - Fundamentals and Technologies, 2016. Pp.27-48. DOI:
https://doi.org/10.5772/62998.
6. Kurkova O.P, Efimov V.V. Numerical computer modeling and optimization of circuit solutions for contactless chargers for
electric drive vehicles. Sistemy upravleniia, svizi i bezopasnosti. 2019. No 3. Pp. 64-88. (Rus). DOI:
https://doi.org/10.24411/2410-9916-2019-10305
7. Ahmad A., Saad Alam M.S., Chalan R.C. A Comprehensive Review of Wireless Charging Technologies for Electrical Ve-
hicles. IEEE Transactions On Transportation Electrification. 2017. Vol. 4. No 1. Pp. 38-63. DOI:
https://doi.org/10.1109/TTE.2017.2771619.
8. Choi S.Y., Jeong S.Y., Gu B.W., Lim G.C., Rim C.T. Ultraslim S-Type Power Supply Rails for Roadway – Powered Elec-
tric Vehicles. IEEE Transactions on Power Electron. 2015. Vol. 30. No 11. Pp. 6456-6468. DOI:
https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2444894
9. Bojarski M., Asa E., Colak K., Czarkowski D. A 25 kW industrial prototype wireless electric vehicle charger. IEEE Applied
Power Electronics Conference and Exposition – APEC2016. Long Beach, CA, USA, March 20-24, 2016. Pp. 1756-1961.
DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2016.7468105
10. Sato F., Morita J., Takura T., Sato T., Matsuki H. Research on Highly Efficient Contactless Power Station Systems using
Meander Coil for Moving Electric Vehicle Model. Journal of the Magnetics Society of Japan. 2012. Vol. 36. No 3. Pp. 249-
252. DOI: https://doi.org/10.3379/msjmag.1205R014
11. Shimohara N. Wireless power Transmission progress for electric vehicle in Japan. IEEE Conferences on Radio and Wire-
less Symposium (RWS formerly RAWCON). Austin, TX, USA, January 20-23, 2013. Pp. 109-111. DOI:
https://doi.org/10.1109/RWS.2013.6486657.
12. Kamineni A., Covle G.A., Boys J.T. Analysis of Coplanar Intermediate Coil Structures in Inductive Power Transfer Sys-
tems. IEEE Transactions on Power Electronics. 2015. Vol. 30. No 11. Pp. 6141-6154. DOI:
https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2378733.
13. Vatsava, Ahmad A., Saad Alam M.S., Chalan R.C. Efficiency enhancement of wireless charging for electric vehicles
through reduction of coil misalignment. IEEE Transportation Electrification Conference (ITEC), Chicago, IL, USA, June 22-
24, 2017. Pp. 21-26. DOI: https://doi.org/10.1109/ITEC.2017.7993241.
14. Kalantarov P.L., Zeitlin L.A. Calculation of inductances. Leningrad: Energoatomizdat. 1986. 458 p. (Rus)
ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF ELECTRIC POWER TRANSMISSION IN THE SYSTEM OF WIRELESS
CHARGING OF THE ELECTRIC VEHICLE'S BATTERY
O.D. Podoltsev1, V.B. Pavlov1, O.P. Zapadynchuk2,
1Institute of Electrodynamics National Academy of Sciences of Ukraine,
Pr. Peremohy, 56, Kyiv, 03057, Ukraine, e-mail: podol@ied.org.ua
2Sektion of applied problems National Academy of Sciences of Ukraine,
Vоlоdymyrska St., 54, Kyiv, 01030, Ukraine.
Theoretical researches of efficiency of electric energy transfer in the wireless charger of inductive type with serial resonance
in circles of transmitting and receiving coils are carried out. It is shown that this efficiency depends on the parameter 12k Q
(the product of the magnetic coupling coefficient and the Q- factor of the coils) and the ratio of the active resistances of the
battery and the coil. It is shown that there is an optimal value of this ratio, at which the efficiency of the device is maximum
(when 12k Q const ) and its value increases monotonically with increasing parameter 12k Q . Moreover, to achieve an effi-
ciency greater than 0.8, it is necessary to have a system of coils with a value of 12k Q 10. The graphical dependences that
determine the value of this efficiency as a function of these two parameters and set the allowable interval for changing the
resistance ratio in terms of high energy efficiency. Numerical calculation of the high-frequency magnetic field (with an oper-
ating frequency of 100 kHz) generated by the coils was performed, in two cases - in the absence of shielding and in the pres-
ence of aluminum electromagnetic screens and showed high efficiency of such screens. The peculiarity of the calculation is
that to determine the values of complex currents in both coils, which depend on the mode of operation of the whole device, use
their preliminary calculation based on the created Simulink-model of the device. References 14, figures 5, table 2.
Key words: wireless power transmission, wireless battery charging, air transformer, series resonance, power transmission
efficiency, electromagnetic shield.
Надійшла 04.11.2020
Остаточний варіант 08.04.2021
|
| id | techned_org_ua-article-184 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-17T01:00:40Z |
| publishDate | 2021 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/69/8f5e79ddf518d9930d76a9dcb1b4ee69.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-1842022-12-07T14:45:31Z ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF ELECTRIC POWER TRANSMISSION IN THE SYSTEM OF WIRELESS CHARGING OF THE ELECTRIC VEHICLE'S BATTERY АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕДАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В СИСТЕМІ БЕЗДРОТОВОЇ ЗАРЯДКИ АКУМУЛЯТОРНОЇ БАТАРЕЇ ЕЛЕКТРОМОБІЛЯ Подольцев, О.Д. Павлов, В.Б. Западинчук, О.П. wireless power transmission wireless battery charging air transformer series resonance power transmission efficiency electromagnetic shield бездротова передача енергії бездротова зарядка акумуляторної батареї повітряний трансформатор послідовний резонанс ефективність енергопередачі електромагнітний екран Theoretical researches of efficiency of electric energy transfer in the wireless charger of inductive type with serial resonance in circles of transmitting and receiving coils are carried out. It is shown that this efficiency depends on the parameter (the product of the magnetic coupling coefficient and the Q- factor of the coils) and the ratio of the active resistances of the battery and the coil. It is shown that there is an optimal value of this ratio, at which the efficiency of the device is maximum (when ) and its value increases monotonically with increasing parameter . Moreover, to achieve an efficiency greater than 0.8, it is necessary to have a system of coils with a value of 10. The graphical dependences that determine the value of this efficiency as a function of these two parameters and set the allowable interval for changing the resistance ratio in terms of high energy efficiency. Numerical calculation of the high-frequency magnetic field (with an operating frequency of 100 kHz) generated by the coils was performed, in two cases - in the absence of shielding and in the presence of aluminum electromagnetic screens and showed high efficiency of such screens. The peculiarity of the calculation is that to determine the values of complex currents in both coils, which depend on the mode of operation of the whole device, use their preliminary calculation based on the created Simulink-model of the device. References 14, figures 5, table 2. Проведено теоретичні дослідження ефективності передачі електричної енергії у бездротовому зарядному пристрої індуктивного типу із послідовним резонансом в колах передавальної та приймальної котушок. Показано, що ефективність залежить від параметру  (добуток коефіцієнту магнітного зв’язку та добротності котушок) і співвідношення активних опорів акумуляторної батареї та котушки. Показано, що існує оптимальне значенням співвідношення, за якого ефективність пристрою є максимальною (за умови = const) і її значення монотонно зростає із ростом параметра. Причому, для досягнення ефективності більше 0.8, необхідно мати систему котушок із значенням 10. Наведено графічні залежності, що надають змоги визначення цієї ефективності як функції цих двох параметрів та встановити допустимий інтервал змінення співвідношення опорів з точки зору високої ефективної енергопередачі. Проведено чисельний розрахунок високочастотного магнітного поля (із робочою частотою 100 кГц), що утворюється котушками, у двох випадках – за відсутності екранування та за наявності алюмінієвих електромагнітних екранів. Показано високу ефективність використання таких екранів. Особливістю розрахунку є те, що для визначення значень комплексних струмів в обох котушках, які залежать від режиму роботи всього пристрою, використовується попередній їхній розрахунок на основі створеної Simulink-моделі пристрою. Бібл. 14, рис. 5, табл. 2. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2021-06-24 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/184 10.15407/techned2021.04.063 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 4 (2021): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 063 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 4 (2021): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 063 2218-1903 1607-7970 10.15407/techned2021.04 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/184/146 Авторське право (c) 2021 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | бездротова передача енергії бездротова зарядка акумуляторної батареї повітряний трансформатор послідовний резонанс ефективність енергопередачі електромагнітний екран Подольцев, О.Д. Павлов, В.Б. Западинчук, О.П. АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕДАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В СИСТЕМІ БЕЗДРОТОВОЇ ЗАРЯДКИ АКУМУЛЯТОРНОЇ БАТАРЕЇ ЕЛЕКТРОМОБІЛЯ |
| title | АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕДАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В СИСТЕМІ БЕЗДРОТОВОЇ ЗАРЯДКИ АКУМУЛЯТОРНОЇ БАТАРЕЇ ЕЛЕКТРОМОБІЛЯ |
| title_alt | ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF ELECTRIC POWER TRANSMISSION IN THE SYSTEM OF WIRELESS CHARGING OF THE ELECTRIC VEHICLE'S BATTERY |
| title_full | АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕДАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В СИСТЕМІ БЕЗДРОТОВОЇ ЗАРЯДКИ АКУМУЛЯТОРНОЇ БАТАРЕЇ ЕЛЕКТРОМОБІЛЯ |
| title_fullStr | АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕДАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В СИСТЕМІ БЕЗДРОТОВОЇ ЗАРЯДКИ АКУМУЛЯТОРНОЇ БАТАРЕЇ ЕЛЕКТРОМОБІЛЯ |
| title_full_unstemmed | АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕДАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В СИСТЕМІ БЕЗДРОТОВОЇ ЗАРЯДКИ АКУМУЛЯТОРНОЇ БАТАРЕЇ ЕЛЕКТРОМОБІЛЯ |
| title_short | АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕДАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В СИСТЕМІ БЕЗДРОТОВОЇ ЗАРЯДКИ АКУМУЛЯТОРНОЇ БАТАРЕЇ ЕЛЕКТРОМОБІЛЯ |
| title_sort | аналіз ефективності передачі електричної енергії в системі бездротової зарядки акумуляторної батареї електромобіля |
| topic | бездротова передача енергії бездротова зарядка акумуляторної батареї повітряний трансформатор послідовний резонанс ефективність енергопередачі електромагнітний екран |
| topic_facet | wireless power transmission wireless battery charging air transformer series resonance power transmission efficiency electromagnetic shield бездротова передача енергії бездротова зарядка акумуляторної батареї повітряний трансформатор послідовний резонанс ефективність енергопередачі електромагнітний екран |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/184 |
| work_keys_str_mv | AT podolʹcevod analysisoftheefficiencyofelectricpowertransmissioninthesystemofwirelesschargingoftheelectricvehiclesbattery AT pavlovvb analysisoftheefficiencyofelectricpowertransmissioninthesystemofwirelesschargingoftheelectricvehiclesbattery AT zapadinčukop analysisoftheefficiencyofelectricpowertransmissioninthesystemofwirelesschargingoftheelectricvehiclesbattery AT podolʹcevod analízefektivnostíperedačíelektričnoíenergíívsistemíbezdrotovoízarâdkiakumulâtornoíbatareíelektromobílâ AT pavlovvb analízefektivnostíperedačíelektričnoíenergíívsistemíbezdrotovoízarâdkiakumulâtornoíbatareíelektromobílâ AT zapadinčukop analízefektivnostíperedačíelektričnoíenergíívsistemíbezdrotovoízarâdkiakumulâtornoíbatareíelektromobílâ |