Разработана 20-киловаттная беспроводная зарядка для электромобилей с КПД выше 98%
В Китае решили одну из главных проблем мощных беспроводных зарядных устройств с индуктивной передачей энергии — недостаточный КПД — что продемонстрировали на примере 20-киловаттной зарядки для электромобилей. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
В основе таких зарядок — катушка на сердечнике из магнитомягкого материала. В маломощных устройствах в качестве такового применяют ферриты — и бед не знают. В силовых же системах феррит становится узким местом — легко входит в насыщение, что ограничивает плотность мощности, с ростом частоты в нем увеличиваются потери, а от перегрева заметно ухудшаются параметры. Все это вынуждает делать катушки громоздкими, с запасом по передаваемой мощности.
Путем систематического электромагнитного моделирования и экспериментальной проверки исследователи установили, что слишком высокая магнитная проницаемость беспроводной зарядке ни к чему — она приводит к неравномерному распределению магнитного потока с риском локального перегрева и утечек поля. Для получения оптимального уровня вместо феррита они взяли нанокристаллический железный сплав и подвергли его стресс-отжигу, что породило направленную вдоль оси магнитную анизотропию. Это обусловило конструкцию сердечника — его собрали из уложенных в блоки лент, расположенных вдоль катушки.
Готовый магнитный сердечник вышел размером 440×330×4 мм — вдвое тоньше традиционного ферритового решения, при этом с гораздо большей плотностью мощности. На его основе построили и протестировали полноценную систему беспроводной зарядки мощностью 20 кВт, которая работает на частоте 85 кГц с индукцией 0,2 Тл.
Результаты измерений показали, что при максимальной выходной мощности КПД системы AC-AC достигает 98,51%, а кривая эффективности катушки связи остается практически идеально горизонтальной во всем диапазоне мощностей (1–20 кВт).
По результатам испытаний получена объемная плотность мощности 9,55 кВт/л — с учетом катушек, сердечника и компенсационной сети. Магнитные потери в нанокристаллическом сердечнике составили всего 156,53 Вт, что на 63% меньше, чем у феррита, а термостабильность он сохраняет в диапазоне температур от 25 до 100 °C.
Ключом к успеху стала концепция «совместного проектирования материала и системы» — то есть работа плечом к плечу материаловедов и электротехников. В перспективе беспроводное устройство на основе нанокристалической альтернативы ферриту найдет применение не только для полностью автоматической парковочной зарядки беспилотных электромобилей, но и в рельсовом транспорте, промышленных AGV-роботах, низковысотных летательных аппаратах и других сферах.
