Transferul energiei electrice fara fir, o tehnologie disruptiva

„Automobilul viitorului este electrificat, autonom, partajat și conectat" (PricewaterhouseCoopers, 2018)

 

Motto: Trebuie să acționăm pentru a opri schimbările climatice. În acest sens, decarbonizarea transporturilor de orice fel este o prioritate. Soluția este electrificarea acestora, care trebuie începută chiar acum! CE solicită electrificarea în proporție de 100% a transportului urban până în anul 2030 și o reducere totală a emisiilor de carbon până în anul 2050!

 

Tehnologia de transfer de energie electrică fără fir (wireless) oferă o îmbunătățire semnificativă a confortului și siguranței și a găsit multe aplicații, cum ar fi vehiculele electrice (VE), dispozitivele medicale implantate, dispozitivele mobile, vehiculele sub apă, echipamentele de automatizare industrială, roboții și ghidarea automată a transportului în halele industriale.

 

De ce este o tehnologie disruptivă?

Transmiterea wireless a energiei (WPT) reprezintă o tehnologie disruptivă deoarece renunță la tehnologia transmisiei prin fir, singura folosită în ingineria electrică și electronică până de curând.

O tehnologie disruptivă, așa cum a fost definită de Christensen, este o inovare tehnologică, un produs sau un serviciu, fundamental diferite de tehnologia dominantă existentă pe piaţă. Una dintre caracteristicile tehnologiilor disruptive este aceea că acestea coexistă cu cele existente și sunt considerate la început inferioare de către majoritatea consumatorilor.

În această categorie au intrat, în timp: înlocuirea tracțiunii animale prin tracțiune mecanică și apoi prin tracțiune electrică, tubul electronic înlocuit prin tranzistor și, după aceea, prin circuitul integrat, becul cu filament incandescent înlocuit prin LED, înlocuirea comunicației prin fir cu transmisia wireless sau prin fibră optică, hard-disk-ul HDD prin SSD, imprimanta 2D prin 3D, 4D etc.

O schimbare de paradigmă similară - în care transmisia tradițională prin conducție a energiei electrice se înlocuiește cu transmisia fără contact - reprezintă o tehnologie disruptivă tipică. Ea este cunoscută sub denumirea în limba engleză Wireless Power Transfer (WPT), pe care o vom folosi și în acest articol; majoritatea aplicațiilor actuale este legată de încărcarea bateriilor la VE. Ea prezintă numeroase avantaje importante în tehnica modernă prin lipsa contactelor şi a uzurii acestora, utilizarea uşoară în medii agresive sau cu pericol de explozie, în aer sau în apă, cu aplicații atât pentru acționări electrice, cât și pentru încărcarea bateriilor de acumulatoare în cele mai diferite domenii, cum sunt: medicina, robotica, mobilitatea electrică.

Deși cunoscută de la sfârșitul secolului XIX prin invențiile lui Tesla, ea a devenit aplicabilă abia în anii ´80 ai secolului XX, odată cu dezvoltarea electronicii de putere și a microprocesoarelor.

Este remarcabil că automobilul electric a fost un precursor al automobilului cu motor cu ardere internă: la începutul secolului XX, 40% erau vehicule electrice, 40% cu abur și numai 20% cu benzină, iar primul automobil hibrid a fost realizat în 1900 de Lohner/Porsche care au folosit o soluție care nici astăzi nu este implementată: tracțiune cu motoare electrice în roți!

Astfel, în concepția actuală, automobilul electric (VE) este „verde", cu zero emisii poluante în timpul funcționării. El va fi, în scurt timp, autonom și conectat WiFi cu încărcare automată, wireless, fără intervenție umană. De aceea, VE poate să fie considerat catalizatorul aplicării WPT în toate domeniile de activitate.

 

Cum se transmite energia electrică wireless?

Transmisia de energie inductivă non radiativă în câmp magnetic este reprezentativă deoarece a atins un nivel de maturitate mai ridicat decât alte sisteme wireless, capacitiv sau magnetic rezonant. Ultimul, deși poate transmite energie la distanțe de 10 ori mai mari decât sistemul inductiv, nu este adecvat pentru puteri mari, motiv pentru care firma WiTricity care l-a inventat a cumpărat în 2020 toate brevetele Qualcomm pentru transmisia inductivă. https://www.eetimes.com/qualcomm-sells-off-halo-wireless-ev-charging-technology/#

Transmisia inductivă se face în câmp magnetic apropiat la distanţe mici și medii (orientativ până la cca 300 mm), cu un randament comparabil cu transmisia prin contact galvanic și are posibilitatea de transmitere simultană a puterii și a datelor.

Componenta principală a WPT este cuplorul inductiv, care reprezintă, în esență, un transformator în aer cu înfășurări la distanță variabilă care se pot deplasa una față de cealaltă (la VE una din înfășurări este la nivelul pavajului - transmițătorul, iar cealaltă este fixată permanent sub șasiul VE - receptorul). Transmisia de energie se realizează exclusiv prin câmp magnetic. Alte componente sunt: invertorul primar de medie frecvență, sistemul de compensare a puterii reactive, redresorul secundar, sistemul de control al puterii transferate bateriei de încărcat, sistemul de poziționare optimă a VE într-o parcare publică sau în garajul personal dacă sistemul este static sau de-a lungul unei șosele electrificate dacă sistemul este dinamic.

Datorită principiului de funcționare diferit de transformatorul clasic, atât bazele teoretice, cât și simularea circuitelor și a câmpurilor prin metode numerice, sunt indispensabile pentru proiectarea și realizarea practică a acestor sisteme în scopul asigurării interoperabilității, creșterii randamentului și a puterii transferate.

Stadiul actual al acestei tehnologii arată că limitările legate de putere și randament au fost depășite în prezent, astfel că există instalații wireless de încărcare a bateriilor pentru VE grele (autobuze și camioane) cu puteri transferate de sute de kW, similare cu instalațiile actuale plug-in de încărcare rapidă.

Boys și Covic, doi cercetători cu o contribuție majoră în domeniu, de la Auckland University, Noua Zeelandă, consideră că „WPT reprezintă unul dintre cele mai dinamice domenii ale ingineriei electrice actuale care combină studii fundamentale de electricitate și magnetism cu electronica de putere și conducerea proceselor cu microprocesoare".

Această afirmație sintetizează cel mai bine preocupările deosebite din domeniu. Investigarea bazei de date a IEEE Xplore arată că numai în domeniul transmisiei inductive a energiei în perioada 2010 - 2020 s-au publicat peste 1800 de lucrări cu o rată anuală de creștere de 100%, la care se adaugă peste 6000 de brevete de invenție înregistrate de la brevetele Tesla până azi, așa cum rezultă dintr-o căutare pe site-ul USPTO (Oficiul american pentru invenții). Aceste cifre sunt depășite ca număr numai de publicațiile din domeniul microelectronicii.

În baza de date IEEE Xplore se regăsesc 34 de lucrări în domeniu care aparțin autorilor din România, publicate după anul 2012.

La transmiterea de puteri mari, limitarea expunerii umane la câmpul magnetic de dispersie al cuplorului inductiv cere măsuri de ecranare electromagnetică.

În prezent, un argument important pentru aplicarea transmisiei fără contact a puterii electrice îl reprezintă sistemele de conducere autonomă a EV pe autostrăzi și în aglomerările urbane.

 

Care este nivelul de maturitate tehnologică al sistemelor WPT?

Este răspândită o concepție pseudo-științifică potrivit căreia tehnologia WiFi bazată pe transmisia wireless a informației este periculoasă pentru sănătate, ca și tehnologia WPT de transmitere wireless a energiei, deși acestea au loc la frecvențe foarte diferite și toate studiile întreprinse până în prezent consemnate în ghidul de protecție ICNIRP (www.icnirp.org) nu conduc la această concluzie. În cazul WPT, există în plus opinia că puterea și randamentul de transfer sunt mult mai mici în comparație cu transmisia prin conducție (plug-in). Care este situația reală? Pe de o parte, s-au realizat instalații WPT cu puteri până la 300 kW și, pe de altă parte, la sistemul de încărcare plug-in în mod deliberat nu se ține seama de pierderi: în transformatorul din stația de încărcare, în cablurile de legătură, în conectori, în încărcătorul îmbarcat la bordul VE. În plus, randamentul global al oricărei instalații este dat de produsul randamentelor parțiale ale blocurilor din sistem; dacă se consideră teoretic randamente egale de 97%, în cazul a patru blocuri se ajunge la un randament global de 89%! Astfel că, la nivelul tehnic actual, cele două sisteme au randamente globale comparabile în domeniul 85% - 90%. Unul dintre motive este faptul că încărcarea WPT exclude încărcătorul existent la bord (OBC) de putere limitată, puterea transmisă fiind dependentă numai de capacitatea termică a bateriei.

În ambele cazuri, tranziția care are loc în prezent de la semiconductorii bazați pe Si la cei bazați pe SiC sau GaN va determina creșterea randamentului global până la cel puțin 95%.

Există, indiferent de domeniul de activitate, o tratare comună pentru „nivelul de maturitate tehnologică" sau TRL (Technology Readiness Level). Definirea acestor niveluri se face, printre altele, în programul Orizont 2020 https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/what-work-programme. Se definesc 9 niveluri de maturitate TRL care caracterizează o realizare tehnico-științifică: TRL 4 până la TRL 6 este considerat puntea dintre cercetarea științifică și aplicația inginerească. Tehnologiile clasice ating de multe ori nivelul TRL 9, care înseamnă „Tehnologie verificată și aplicată cu succes în practică în domeniul pentru care a fost creată". Nivelurile TRL sunt de multe ori asociate cu numărul de echipamente realizate, obținându-se astfel un criteriu de aplicabilitate a respectivei tehnologii.

În cazul WPT, care este o tehnologie disruptivă, a fost atins nivelul cel mai înalt TRL 9 de numeroase firme care produc echipamente de putere atât pentru VE, cât și pentru vehicule ghidate automat în industrie (AGV), unele rezultate din programe europene FP7. Deși nu fac parte din descrierea de față, sistemele de mică putere pentru încărcarea telefoanelor mobile au ajuns la TRL 9 cu un deceniu în urmă.

În România, activitatea în domeniul WPT a fost începută în urmă cu aproape zece ani în mai multe centre universitare și institute de cercetare, dar ea este axată pe cercetări teoretice și experimentale cuprinse în teze de doctorat, lucrări de licență și publicații științifice și mai puțin pe modele funcționale sau prototipuri care au atins nivelul TLR 3 adică „demonstrarea funcționalității conceptului în raport cu funcționalitățile critice ale sistemului, prin studii analitice și experimentale". Explicația pentru această situație constă, într-o anumită măsură, în finanțarea inexistentă oferită de ANCS pentru această tehnologie disruptivă.

Cel mai înalt nivel atins în România până în prezent este TRL 6 prin VE DACIA Electron. Acesta este un prototip la scară reală, capabil să îndeplinească toate funcțiile cerute sistemului operațional care a fost testat într-un mediu relevant pentru condițiile reale de funcționare și va fi prezentat în cele ce urmează.

 

Standardizarea WPT

O dovadă a interesului pentru WPT în tehnica actuală o constituie elaborarea a cel puțin 20 de standarde și reglementări apărute în lume în ultimii ani. Standardele sunt rezultat al unei largi colaborări internaționale realizate de experți recunoscuți în cadrul unor comitete tehnice specializate, aprobate și publicate de organismul de standardizare care le-a propus. Deși nu sunt obligatorii, ele reprezintă elemente fundamentale de conduită pentru proiectanți, dar și pentru cercetători atunci când abordează o nouă concepție și mai ales atunci când aceasta, deși originală, trebuie să fie compatibilă cu alte sisteme existente. Standardele internaționale sunt preluate în legislația națională de organismul de standardizare din România (ASRO).

Principalele standarde referitoare la WPT sunt:

▪ Seria de standarde internationale IEC/EN 61980 - 1, 2, 3 apărute în 2019 și 2020 consacrate cerințelor generale, sistemului de comunicație între VE și infrastructura de încărcare WPT și cerințelor legate de câmpul magnetic produs de WPT;

▪ Seria de standarde internaționale IEC/EN IEC 61786 - 1, 2 referitoare la tehnica de măsurare a câmpurilor magnetice;

▪ Standardul ISO 19363:2020 consacrat problemelor de securitate și interoperabilitate ale sistemelor WPT;

▪ Reglementările ICNIRP:2010 pentru limitarea expunerii umane la câmpuri electrice și magnetice în domeniul 1 - 100 kHz;

▪ Raportul Uniunii Internaționale de Telecomunicații ITU-R Report SM.2303-2:2017 referitor la managementul spectrului de frecvențe la folosirea WPT;

▪ Standardul US SAE J2954-1:2020, care este cel mai cuprinzator pentru că ia în considerare tot ansamblul de probleme care asigură industrializarea sistemelor WPT, și anume: interoperabilitatea, banda de frecvență, compatibilitatea electromagnetică, protecția ființelor vii față de câmpul magnetic de dispersie și, nu în ultimul rând, optimizarea construcției cuplorului inductiv, rezultat al testelor efectuate pe sisteme reale în laborator și în exploatare.

Condiția de interoperabilitate este acum impusă pentru ca încărcarea să se poată face oriunde, acasă (peste noapte) sau în parcări publice fără modificări operate pe vehicul, cu puteri dependente de stația de încărcare;

▪ Standardul US SAE J2954-2 consacrat sistemelor WPT pentru vehicule grele care urmează să apară în acest an unde va fi introdusă încărcarea de oportunitate, sistem specific pentru încărcarea pe traseu a autobuzelor urbane cu efect pozitiv asupra încărcării rețelei de alimentare;

▪ Standardul US ANSI C63.30-2021 consacrat măsurării emisiilor perturbatoare produse de WPT;

▪ Standardul US Underwriter Laboratory UL 4600 referitor la standardizarea VE autonome;

▪ Standardul chinez GB/T 38775 pentru sistemele de încărcare WPT.

 

Primul EV românesc cu încărcare WPT

Automobilul DACIA Electron bazat pe structura mecanică a autovehiculului Dacia Sandero a fost realizat de către CCIA (Centrul de Cercetări pentru Industria de Automobile) de la Universitatea din Pitești, cu sprijinul Renault RTR România în anul 2016 și prezentat public la Conferința EV Show 2017. El dispune de un sistem de încărcare hibrid format din sistemul clasic plug-in și, în premieră, dintr-un sistem de încărcare wireless realizat de ACER (Asociația de Compatibilitate Electromagnetică din România) în colaborare cu firma INDA-Eltrac SRL din Craiova. Încărcarea bateriei se face automat în funcție de sursa disponibilă. Sistemul WPT realizat este un prototip industrial (TRL 6) cu o putere de încărcare standardizată de 3,7 kW pentru o gardă la sol cuprinsă între 80 și 110 mm. El realizează ciclul de încărcare standard CC - CV (curent constant - tensiune constantă) pentru o baterie de tip LPF (LiFePO4) de 12,3 kWh, tensiunea de 205 V cu greutatea de 160 kg care asigură o autonomie de 100 km. Această realizare a fost distinsă cu Premiul ASTR în 2019 și a fost urmată de o serie de noi preocupări.

 

Preocupări actuale și de perspectivă apropiată în România prin WPT

▪ Stimularea cercetărilor și proiectelor românești în domeniul WPT

În 2019, s-a creat rețeaua națională „WPT Rom Net" descrisă pe larg în revista ASTR „JESI Volume 5, Issue 2, pp. 149-156, 2020" pentru a promova dezvoltarea și aplicarea cunoștințelor din domeniul WPT. În această rețea s-au înscris numeroase instituții de cercetare, de producție, autorități ale administrației publice locale, asociații patronale sau asociații profesionale, persoane juridice, dar și persoanelor fizice interesate.

Totodată, s-a creat publicația periodică, în limba engleză, „Wireless Power Transfer", ca număr special al „Annals of University of Craiova - Electrical Engineering Series" pentru creșterea vizibilității realizărilor românești în domeniu;

▪ Reabilitarea unor vehicule comerciale și de transport urban clasice ca VE;

▪ Echilibrarea consumului de energie în rețelele electrice

Odată cu creșterea numărului de VE, acestea vor fi capabile să asigure, în caz de necesitate, energia electrică necesară în anumite situații critice prin folosirea invertoarelor bidirecționale într-un sistem denumit generic V2X/X2V, adică transfer de energie de la VE către un consumator oarecare și invers, ca de exemplu: V2H către o locuință, V2G către rețeaua electrică, V2V către alt VE etc., cu observația că, în acest caz, sistemul WPT reprezintă o soluție mai simplu de aplicat decât sistemul plug-in;

▪ Integrarea sistemelor de încărcare WPT în tehnica Smart Grid pentru coordonarea consumului de energie.

 

Concluzii

Mobilitatea electrică este un drum fără întoarcere!

În premieră, în anul 2021 s-au înmatriculat în Europa mai multe vehicule electrice și hibride decât Diesel.

Aspectele controversate ale WPT legate de randament și puterea transferată au fost rezolvate prin progresele tehnice actuale.

În viitorul apropiat, VE vor deveni vehicule autonome și conectate și atunci nu va putea fi conceput un VE autonom, fără încărcarea automată a bateriei bazată prin WPT.

Lucrarea de față dorește să atragă atenţia potențialilor utilizatori și finanțatori asupra aplicațiilor și avantajelor pe care le oferă transmisia fără contact a energiei electrice (WPT).

 

Prof. dr. ing. Andrei Marinescu

Membru titular al ASTR

 

 

Prima ediție a POLIAUTOFEST va prezenta trendurile industriei auto, soluţii de mobilitate şi logistică, precum şi perspectivele automobilului

 

Universitatea Politehnica din Bucureşti (UPB), prin Facultatea de Transporturi, va organiza, în perioada 20 - 22 mai 2022, un prim şi amplu eveniment dedicat automobilului şi industriei auto. Intitulată generic POLIAUTOFEST, manifestarea inedită a UPB îşi propune să devină un festival anual care să implice toţi factorii importanţi în dezvoltarea multiplelor componente ale industriei de profil într-un adevărat regal al automobilului.

Potrivit unui comunicat al instituției de învățământ superior, la prima ediţie a POLIAUTOFEST, ce se va desfăşura pe o suprafaţă de 10 000 de metri pătraţi (indoor şi outdoor) din Campusul UPB sunt aşteptaţi peste 8000 de participanţi.

Producători, importatori şi distribuitori, furnizori şi producători de componente şi echipamente, furnizori de mobilitate, instituţii şi autorităţi atât din educaţie, cât şi din domeniile de reglementare se vor alătura evenimentului, în calitate de invitaţi, participanţi şi expozanţi. De asemenea, în cadrul evenimentului vor avea loc şi patru conferinţe şi dezbateri pe teme de interes major - Green Vehicles şi Ecologie, Autonomie şi siguranţă, Tehnologiile viitorului, Soluţii de mobilitate şi transport.

„Profesia de inginer s-a transformat şi s-a adaptat continuu la noile cerinţe ale societăţii, dar rolul unui inginer, o persoană care trebuie să facă viaţa mai confortabilă, a rămas acelaşi: să genereze progres. Ingineria, în general, este unul dintre motoarele schimbării, alimentat fiind de viziunea şi tehnologia celor care au ales-o drept profesie, iar ingineria în domeniul transporturilor este unul dintre cei mai importanţi vectori de dezvoltare a societăţii în care trăim" a declarat Mihnea Costoiu, rectorul UPB.

Pe parcursul celor trei zile dedicate festivalului, vor fi prezentate trendurile industriei, mărci şi modele auto, soluţii de mobilitate şi logistică, echipamente şi procese, precum şi perspectivele automobilului. Totodată, în cadrul festivalului se vor organiza dezbateri, prelegeri academice şi prezentări de companii, soluţii şi produse. Locaţia de desfăşurare dispune, după cum am precizat, de peste 10 000 de metri pătraţi, atât în interior cât şi în exterior, lucru ce va permite participanţilor să îşi expună tehnologiile într-un mod cât mai atractiv pentru toţi vizitatorii.

Evenimentul se adresează atât publicului larg, profesioniştilor, studenţilor, cât şi elevilor, viitorilor ingineri ai ţării.