Induktiv laddning av batterier till en el-gocart

Kandidatarbete för Institutionen Energi och Miljö

Mikael Bitowt

Espen Doedens

Kristoffer Kauppinen

Emma Vidén

Institutionen för Energi och miljö

CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA

Göteborg, Sverige 2010-05-19

Examinator: Sonja Lundmark

Handledare: Robert Karlsson

Projektkod ENMX02-10-10

Sammanfattning

Syftet med projektet var att tillverka en prototyp av en trådlös laddare. Laddaren som

har konstruerats använder sig av tekniken induktiv laddning med resonansteknik.

Laddningen ska utföras på två stycken batteripaket. Dessa batteripaket består av två

stycken nickelmetallhydrid- batteripaket med en total spänning på 48 V innehållande 36

Ah.

Laddaren är tillverkad av fyra stycken ferritkärnor som tillsammans bildar två moduler.

Runda p-kärnor används till laddaren vilket underlättar tillverkningen av spolarna,

främst för att lindningen av litztråden gjordes på spolarnas bobiner, som sedan kunde

monteras inuti kärnorna. Anledningen till att två moduler används är för att det krävs

såpass hög effekt för att kunna ladda batterierna och leveranstiden för större ferritkärnor

var för lång.

Förutom den fungerande laddaren som tillverkades konstruerades även reglerkretsar till

prototypen. Dessa reglerkretsar har som funktion att känna av ifall laddarens primär-

samt sekundärsida har kontakt samt att avbryta laddningen då batteriet är fulladdat.

Funktionen som bryter laddningen fungerar på så sätt att en tryckgivare, monterad på

batteripaketen, skickar ut en signal till en reglerkrets som avbryter laddningen. Ifall

andra typer av batterier ska laddas som saknar tryckgivare är det möjligt att ställa in

laddaren så att den avbryter effektöverföringen då spänningen över batterierna blir allt

för hög.

Verkningsgraden för hela laddaren är beräknad till 67 %. Det är även analyserat var de

höga effektförlusterna äger rum, dessa observerades i diodlikriktaren samt

effektmotstånden i oscillatorkretsen. Laddningstiden beror till stor del på vilken

laddningsalgoritm som används. I detta projekt används "float charge" vilket innebär en

3-stegsladdning där det inre batteritrycket måste sjunka mellan stegen. Därmed

uppmättes aldrig den totala laddningstiden eftersom trycksänkningen tog alltför lång tid.

Dock är den effektiva laddningstiden då laddningsalgoritmen "float charge" användes

hamnade under målet på 12 timmar.

Abstract

In this project a prototype of a wireless charger is constructed. This charger uses

resonant inductive coupling. The aim is to charge a battery for an electric gocart. This

battery pack consists of two nickelmetalhydride-batteries with a total voltage of 48 V

containing 36 Ah.

The charger is constructed of four pieces of round ferrite cores that are combined into

two modules. The two modules are used in this prototype to be able to transmit enough

power required of the batteries. Ordering bigger ferrite cores would take to long time.

In addition to the well functioning charger, control circuits were constructed to aid the

prototype. The control circuits serve to check if the charger's primary and secondary

sides are contacted and to suspend the charging process when the battery is fully

charged. Enabling this feature is the pressure sensor mounted on the battery packages.

The control circuit can suspend charging of batteries that lack pressure sensor by

detecting if the battery voltage becomes too high.

The efficiency of the entire charger is estimated to 67%. It is also analyzed where the

large power losses take place, these were observed in the diode rectifier as well as in the

power resistors located in the oscillator circuit. The charging time depends largely on

the choice of charging algorithm. In this project "float charge", adopting a 3-stage

charging cycle, was used. In between the charging stages the internal pressure of the

battery must fall before starting on the next stage. This is the reason for not measuring

the total time it would take to fully charge the batteries. However, the effective charging

time while using "float charge" fell below the target of 12 hours.

Förord

Detta kandidatarbete har gjorts för institutionen energi och miljö på Chalmers tekniska

högskola och omfattar 15 poäng. Arbetet med att ta fram en metod för trådlös laddning

för en el-gocart beskrivs skriftligen i denna rapport. Det har varit ett intressant och

givande projekt som är aktuellt ur miljösynpunkt samt med tanke på samhällets

utveckling i framtiden.

Samarbetet inom gruppen har fungerat väldigt bra och varit roligt. På institutionen och i

labbet fick vi väldigt bra bemötande. Framförallt vill vi tacka vår examinator Sonja

Lundmark, för hjälp och stöd under rapportskrivningen, samt vår handledare Robert

Karlsson som varit delaktig under hela processen med goda råd, tips och hjälp. Robert

designade även kretsscheman till de reglerkretsar som tillverkades under slutfasen av

projektet.

Innehållsförteckning

1. INLEDNING .............................................................................................................................................. 1

1.2 BAKGRUND ......................................................................................................................................... 1 1.2 SYFTE .................................................................................................................................................. 2 1.3 PROBLEM OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ................................................................................................... 2 1.4 AVGRÄNSNINGAR ............................................................................................................................... 3 1.5 METOD OCH GENOMFÖRANDE ............................................................................................................. 3

2. BAKOMLIGGANDE TEORI FÖR TRÅDLÖS LADDNING .............................................................. 4

2.1 INDUKTION .......................................................................................................................................... 4 2.2 EN TRANSFORMATORS FUNKTION ....................................................................................................... 5 2.3 RESONANS .......................................................................................................................................... 6 2.4 FERROMAGNETISKA MATERIAL OCH FUNKTION .................................................................................. 7

2.4.1 Hysteres och dess behäftade förluster ......................................................................................... 8 2.4.2 Ferritkärna .................................................................................................................................. 9

2.5 LUFTKÄRNOR (ENG. AIR-CORE COILS) ................................................................................................ 9 2.6 STRÖMFÖRTRÄNGNING (ENG. SKIN EFFECT) OCH LITZTRÅD .............................................................. 10

3. KONSTRUKTION AV INDUKTIV LADDARE ................................................................................. 11

3.1 LADDNINGSOBJEKTET (BATTERISPECIFIKATIONER) .......................................................................... 12 3.1.1 Laddning av batteriet ................................................................................................................. 12 3.1.2 Tryckmätning ............................................................................................................................. 13

3.2 TILLVERKNING AV LADDAREN SAMT DE INGÅENDE KOMPONENTERNA ............................................. 14 3.2.1 Val av kärnor samt konstruktion av spolar ................................................................................ 14 3.2.2 Kompensering av reaktiva effekter under laddning ................................................................... 15 3.2.3 Beskrivning av laddarens utformning ........................................................................................ 16 3.2.4 Utökad elektronik för automatisering av laddningsprocessen ................................................... 17 3.2.5 Växelriktare ............................................................................................................................... 20

3.3 MÄTNINGAR ...................................................................................................................................... 21 3.3.1 Verifiering av el-gocartens batterikapacitet .............................................................................. 21 3.3.2 Verifiering av laddarens överföringskapacitet vid laddning av NiMH-batteri ......................... 25 3.3.3 Analys av effektförlusterna ........................................................................................................ 27

4. RESULTAT ............................................................................................................................................. 30

5. DISKUSSION .......................................................................................................................................... 32

6. SLUTSATS .............................................................................................................................................. 35

REFERENSER ............................................................................................................................................ 36

APPENDIX 1 ............................................................................................................................................... 38

APPENDIX 2 ............................................................................................................................................... 40

APPENDIX 3 ............................................................................................................................................... 41

APPENDIX 4 ............................................................................................................................................... 42

1

1. Inledning

Detta projekt är ett kandidatarbete som tillhandahålls av institutionen Energi och Miljö

och behandlar trådlös laddning av batterier. Projektets syfte är att konstruera en laddare,

som utnyttjar induktiv laddning med resonansteknik, för en el-gocart. På institutionen

har det tidigare år bedrivits kandidatarbeten med koppling till detta projekt. Dessa är,

Uppladdning av elcykel via trådlös energiöverföring (Hedenskog & Winter 2009) och

Batterisystem för ett litet elfordon - Konstruktion och implementering (Johanson,

Mahmoud, & Maghder 2009) .

Projektet Uppladdning av elcykel via trådlös energiöverföring (Hedenskog & Winter

2009) är starkt kopplat till detta arbete då samma typ av induktiv laddning används samt

att växelriktaren från cykelprojektet återanvändes.

1.2 Bakgrund

Då världens oljetillgångar sinar är en förändring av bilparken nödvändig.

Förbränningsmotorn måste inom de kommande åren bytas ut mot dess föregångare,

elmotorn. Redan på 1830- talet tillverkades den första elbilen. Elbilen hade sin

storhetstid i USA under åren 1912 till 1920 (Helmersson, D. 2010). Dock hamnade den

i skymundan på grund av batteriernas långa laddningstid, de korta körsträckor och de

låga hastigheterna (Encyclopedia Britannica, Electric automobile, 2010) . Även problem

med stora och tunga blybatterier gjorde att förbränningsmotorn lämpade sig bättre än

elmotorn (Helmersson, D. 2010). De problem som elbilen hade under 1900-talets början

är aktuella även idag. Lösningen på detta är att antingen utveckla effektivare och

billigare batterier, då dessa i dagens läge är dyra (Browning & Unnasch 2001), eller

utveckla alternativa lösningar.

En alternativ lösning är att bygga en infrastruktur som möjliggör fler laddningstillfällen.

Stora tunga batterier kan ersättas med fler laddningsmöjligheter och för att ytterligare

effektivisera och göra systemet smidigt bör användandet av trådlös laddning införlivas.

Med trådlös laddning och en anpassad infrastruktur skulle batteriet kunna laddas då

fordonet är parkerat eller har stannat vid rödljus men även på större landsvägar och på

motorvägar.

Trådlös laddning möjliggör en mer användarvänlig lösning som kan göra elbilen

konkurrenskraftig jämfört med den konventionella bilen. Då inga kablar behövs blir det

säkrare för omgivningen då alla överföringsytor kan täckas med ett skyddande hölje.

Exempel på projekt som fokuserar på trådlös laddning är ett i Sydkorea (Korea

Advanced Institute of Science and Technology 2009) där bilarna laddas under tiden de

körs genom att energin överförs trådlöst från ledningar i vägbanan. En annan prototyp,

som också använder sig av trådlös laddning, finns i Tyskland (Bombardier - PRIMOVE

Catenary-Free Technology 2008). Där har spårvagnar designats så att det inte behövs

några luftledningar utan de drivs induktivt på liknande sätt som bilarna i Korea. Detta är

möjligt på grund av inducerade magnetfält som alstras då det går ström i ledningarna.

2

I dagsläget finns redan trådlösa laddare inom en mängd olika tillämpningsområden som

exempelvis eltandborstar, tv-speltillbehör, datortillbehör och inom mobiltelefoni.

Skillnaden med att ladda upp en elbil är att det krävs mycket större effektöverföring

vilket kräver hög verkningsgrad samt optimerad design.

1.2 Syfte

Detta projekt har för avsikt att utveckla en trådlös laddare för en el-gocart. Av praktiska

skäl ställs krav på laddarens verkningsgrad, där målet är minst 70 %, men även på

laddningstiden som bör understiga 12 timmar.

1.3 Problem och frågeställningar

Huvudproblemet i projektet är att trådlöst överföra energi för uppladdning av batterier

monterade på en el-gocart. Batterierna är två stycken parallellkopplade 48 V nickel-

metallhydridackumulatorer (NiMH). Detta ska utföras genom att använda induktiv

energiöverföring på liknande sätt som i projektet Uppladdning av elcykel via trådlös

energiöverföring (Hedenskog & Winter 2009).

För att möjliggöra denna typ av överföring återstår det att fastställa en del parametar för

laddaren. Exempel på dessa är frekvens, ström, spänning samt storlek på laddaren. Det

ligger stor vikt i att välja rätt värden för att kunna uppnå en acceptabel verkningsgrad,

där målet är över 70 %.

Det krävs en resonanskrets för att effektivt kunna överföra energin. På grund av reaktiva

effekter som uppkommer i spolarna är det viktigt att kompensera dessa effekter, med

kapacitanser, för att minska förlusterna. Storlek på kapacitanserna är beroende på

induktansen i spolarna samt vilken frekvens som används.

3

1.4 Avgränsningar

Projektets huvudfokus är att konstruera en trådlös laddare för en el-gocart. Anledningen

till att trådlös laddning valts framför konventionell trådbunden laddning är framförallt

för att öka användarvänligheten. Inom trådlös laddning finns det ett flertal olika tekniker

där ett antal har studerats. Som nämnts ovan kommer projektet begränsas till samma

teknik för induktiv laddning som använts i projektet med elcykeln.

Eftersom projektet behandlar konstruktion av en prototyp kommer en del

omkringliggande teknik att utelämnas. I stora drag kommer den färdiga konstruktionen

inte innehålla ett komplett säkerhetssystem eller teknik som motverkar snedplacering

vilket krävs i en fullt fungerande prototyp.

Sammanfattningsvis är det funktionen av laddaren som sätts i fokus vilket gör att

användarvänlighet, design och säkerhet bortses från och endast behandlas i mån av tid.

1.5 Metod och genomförande

Vid konstruktion av laddaren var laborationer av stor vikt. Litteraturstudier gjordes

dock för att få bredare förståelse om ämnet och vart tekniken är på väg, men också för

att ge uppslag om hur en eventuell montering på el-gocarten skulle kunna se ut.

Kännedom om mätapparatur, kretselement och spolar från projektet, Uppladdning av

elcykel med trådlös energiöverföring (Hedenskog & Winter 2009) införskaffades

genom att utföra liknande laborationer som de gjort. Med kunskap om

överföringsmetoden utfördes tester och laborationer för att applicera metoden på högre

effektöverföring för att kunna ladda el-gocartens batterier.

När experiment senare utfördes på laddaren tillsammans med batterierna, som togs fram

i projektet Batterisystem för ett litet elfordon - Konstruktion och implementering

(Johanson, Mahmoud, & Maghder 2009), krävdes ytterligare litteraturstudier för att

finna den mest optimala laddningsmetoden. Det gjordes även tester på batterierna för att

undersöka deras kapacitet och hälsa.

Då den grundläggande konstruktionen av laddaren iordningställts inriktades arbetet på

att optimera samt anpassa prototypen för montering på gocarten. Utöver detta

konstruera reglerkretsar för att automatisera och underlätta laddningen.

4

2. Bakomliggande teori för trådlös laddning

Detta avsnitt behandlar olika delar av den teori som berör trådlös laddning. Exempel på

teoretiska begrepp som tas upp är induktion, resonans, hysteres och strömförträngning.

Transformatorn behandlas då den bygger på samma principer som induktiv laddning.

Även val av material motiveras i detta avsnitt.

2.1 Induktion

Då en växelström, I, flyter genom en spole med ett antal varv, N, uppkommer en

magnetisk flödestäthet, B, som omsluter spolen. Detta resulterar i ett magnetiskt

flöde, Φ, som går igenom slingan. Förhållandet mellan det magnetiska flödet och

strömmen kallas självinduktans, L, och är en proportionalitetskonstant med enheten

Henry. I ekvation 1 ses sambandet mellan det magnetiska flödet och strömmen (Cheng,

D. 1989, s 267).

ILN (1)

Enligt Faradays lag, ekvation 2, uppkommer en elektromotorisk kraft (emk) som

inducerar en spänning E, vid varje förändring av det magnetiska flödet. Minustecknet i

Faradays lag betyder att den inducerade spänning har en sådan riktning att ändringen i

det magnetiska flödet motverkas (Manning, K. 2010).

dt

dNE (2)

Med förhållandet mellan det magnetiska flödet och strömmen, samt förhållandet mellan

den inducerade spänningen och det magnetiska flödet, fås ett uttryck för inducerad

spänning och ström (Eriksson, T. 2010). Enligt ekvation 3 skapas en inducerad spänning

på 1 Volt när strömmen genom spolen ändras med 1 Ampere/sekund vid en induktans

på 1 Henry.

dt

dILE (3)

5

2.2 En transformators funktion

En transformator är uppbyggd av en kärna med två eller fler spolar, som illustreras i

figur 2. Transformatorns funktion är att omvandla spänningen mellan olika nivåer vilket

då även omvandlar strömmens styrka. Denna förändring sker med hjälp av

elektromagnetisk induktion mellan två spolar. Med olika antal lindningsvarv

uppkommer spänningsskillnader. Den sida där strömmen kopplas på kallas primärsidan

medan den sidan där strömmen induceras kallas för sekundärsidan. När en växelström

flyter genom primärspolen uppstår ett magnetiskt fält runt denna spole. På grund av att

det är en växelström växlar magnetfältet ständigt riktning vilket i sin tur påverkar

sekundärspolen och en ström induceras. I ekvation 4 beskrivs förhållandet mellan antal

lindningsvarv, N, och spänningsförändringen.

(4)

Figur 1. Illustration av induktion mellan två spolar

När växelströmmen, I1, leds i spole (a) ger det upphov till ett varierande

magnetiskt flöde, Φ1

En annan spole (b) som finns i närheten omsluts av en del av Φ1 vilket

resulterar i det ömsesidiga magnetiska flödet Φ12.

Variationer av det magnetiska flödet Φ12 ger upphov till en inducerad

spänning som i sin tur gör att det leds en ström, I2, i spole (b).

Strömmen i spole (b) ger, på samma sätt som tidigare beskrivet, upphov

till ett magnetiskt flöde, betecknat Φ2.

Det optimala är att Φ1 = Φ12, vilket dock inte är praktiskt möjligt att

uppnå på grund av att det flödet som inte sammanlänkas mellan spolarna

ger upphov till en läckinduktans, vilket i sin tur bidrar med förluster.

6

I figur 2 visas den enklaste varianten av en transformator och kan beskrivas till utseende av en järnkärna

med två lindningar, en primärlindning och en sekundärlindning.

Vid induktiv laddning är principen liknande, dock har kärnan kapats så att ett luftgap

uppstår mellan de två kärndelarna. Induktion kommer att ske även i detta fall enligt

samma principer som en vanlig transformator. Dock måste förlusterna, som uppkommer

på grund av läckinduktans, kompenseras och med luftgap blir dessa förluster avsevärt

större.

2.3 Resonans

En svängningskrets består av en spole och en kondensator som skapar en elektrisk

svängning vid tillförsel av elektrisk energi. Då all energi finns i kondensatorn bildas ett

elektriskt fält och då energin finns i spolen bildas ett magnetiskt fält

(Nationalencyklopedin, Elektrisk svängning, 2010). Detta tillstånd kallas resonans och

uppnås då reaktansen i spolen och kondensatorn är lika stora vilket sker vid en speciell

frekvens, resonansfrekvensen, f0. Resonansfrekvensen kan beräknas med värdet på

spolens induktans, L, och kondensatorns kapacitans, C, enligt ekvation 5.

f01

2 LC (5)

Då resonans uppnåtts blir de elektriska fälten mycket små vilket innebär att

konstruktionen blir säkrare för närliggande elektronisk utrustning. Istället sker denna

energiöverföring med magnetiska fält.

Resonans är av intresse vid trådlös energiöverföring eftersom en elektrisk

svängningskrets reagerar med maximal amplitud då den utsätts för resonansfrekvensen.

Om den primära kretsen har ett magnetiskt fält med samma frekvens som den sekundära

kretsens resonansfrekvens kommer energin att överföras effektivare (Kurs, A 2010)

(Eriksson, T, Nilsson, J 2010).

Primärspole Sekundärspole

7

Tekniken som används i transformatorer, trådlösa el-tandborstar och induktionshällar är

inte svängningskretsar då det inte finns en kondensator inkopplad, kretsarna är istället

helt induktiva. På en sådan krets blir förlusterna mycket stora då avståndet mellan

spolarna blir större än diametern på spolen. Detta beror till stor del på grund av att det

elektromagnetiska fältet snabbt blir svagare på grund av fältets spridning (Kurs, A

2010)

2.4 Ferromagnetiska material och funktion

En del material har atomära magneter, då dessa stationerar sig åt samma riktning i ett

material uppstår en stark kraft, den ferromagnetiska kraften. Material med dessa

egenskaper är järn, kobolt, nickel, gadolinium, ferrit och en del legeringar. Den

magnetiska kraften är beroende av temperaturen vilket gör att det för alla dessa material

finns en temperaturgräns då kraften avtar, curietemperaturen TC. När temperaturen

överstiger curietemperaturen visar materialet endast magnetiska egenskaper då det

utsätts för magnetiska fält (Encyclopedia Britannica, Crystal, 2010)

Ferromagnetiska material har låg elektrisk ledningsförmåga (konduktivitet) samt hög

magnetisk ledningsförmåga (permeabilitet). Positivt för dessa material är att vid

närheten av magnetiska fält leds magnetfältet lättare genom materialet, vilket illustreras

i figur 3. Därmed är ferromagnetiska material bra att använda sig av vid syfte att skölda

eftersom då inte magnetfältet kan komma i kontakt med omgivningen.

Figur 3. Illustration av magnetfältets beteende i ferromagnetiska material

8

2.4.1 Hysteres och dess behäftade förluster

I figur 4 visas en allmän bild av hur en hystereskurva ser ut. Det som visas är vad som

händer med ferromagnetiska material vid pålagt magnetiskt fält. Det är ett bra verktyg

för att ge förståelse för de (värme)förluster som uppstår i ferromagnetiska material vid

höga frekvenser.

Fig. 4 Hystereskurva

Ett ferromagnetiskt material befinner i sitt "grundtillstånd" (P1) innan något magnetiskt

fält påverkar dess egenskaper. Vid ökande fältstyrka följer materialet den streckade

linjen. Då fältstyrkan har nått sitt maximum kan det symboliseras med punkten (P2).

När magnetfältet sedan avtar händer något speciellt, vilket förklarar egenskaperna hos

permanentmagneter. När det ferromagnetiska materialet inte längre är i ett magnetfält

(P3) finns det en kvarvarande flödestäthet, vilket motiverar uppkomsten av magnetiska

egenskaper hos materialet. För att flödestätheten ska avta helt krävs det ett pålagt

magnetfält med motsatt riktning jämfört med det ursprungliga, vilket resulterar i att

kurvan går från punkten (P3) till (P4), för att senare nå (P5) då det lades på ett

magnetfält lika stort som det första, bortsett från motsatt tecken.

För att förklara hur förlusterna uppkommer vid ett växlande magnetfält är det möjligt att

ta hjälp av elektromotorisk kraft. Som tidigare förklarats (2.1.1 Teorin bakom induktion)

ger förändring i flödestäthet upphov till emk. Då fältstyrkan ökar förändras

flödestätheten mellan de två olika nivåerna (a) och (b) i figur 5. Därmed är det en viss

mängd emk som utnyttjas för att skapa det elektriska fältet. Då magnetfältet avtar, på

grund av riktningsbyte, sjunker flödestätheten vilket återigen ger upphov till emk. Detta

resulterar i att ytan som omsluts av hystereskurvan påvisar de förluster som uppkommer

och är märkbara genom ökande temperatur i det ferromagnetiska materialet.(Clark, R

2008)

9

Fig. 5 Förklaring av förlusterna som uppkommer vid hysteres. Figuren till vänster visar den använda

energin och figuren till höger illustrerar den energin som återfås.

2.4.2 Ferritkärna

Ferrit är ett keramiskt material som är en modifikation av järn. Den vanligaste kemiska

betäckningen är MOFe2O3 där M är en tvåvärd jon som exempelvis; järn, mangan,

kobolt, nickel, koppar eller zink (Nationalencyklopedin, Ferrit 2010). Därmed är

ferritkärnor mer användbara som magnetiska kärnor vid högfrekventa sammanhang då

de motverkar energiförlusterna på grund av den låga konduktiviteten. (Encyclopedia

Britannica, Crystal 2010)

Ferrit har hög magnetisk permeabilitet, vilket gör det till ett lämpligt materialval till

utformningen av transformatorkärnor. Att det har hög permeabilitet betyder att

magnetfältet lättare leds igenom materialet. Därmed bidrar det till ett lägre läckflöde

som i sin tur ger en lägre läckinduktans.

2.5 Luftkärnor (eng. Air-core coils)

Då resonansfrekvenserna (se kap. 2.1.6) blir mycket höga, ca 10 MHz, är det

fördelaktigt att använda luftkärnor även om många ferromagnetiska kärnor klarar av

frekvenser upp till ca 100 MHz. Vid så höga frekvenser blir förlusterna stora hos de

ferromagnetiska kärnorna. Dessa förluster är i form av virvelströmmar och hysteres (se

kap. 2.1.3) som inte förekommer i luftkärnor. Däremot är permeabiliteten mycket lägre

för luftkärnor (µ = 1 för luft) jämfört med ferritkärnor vilket innebär att läckflödet är

större för luftkärnor. En luftkärna kan helt sakna kärnor eller så är spolen lindad runt ett

material som saknar magnetiska egenskaper, till exempel plast eller keramik.(Clark, R

2010)

10

2.6 Strömförträngning (eng. skin effect) och litztråd

Då en växelström flyter i en ledare trycks strömmen ut mot ledarens ytor, detta fenomen

benämns strömförträngning. Detta ger en mindre tvärsnittsarea för strömmen vilket

leder till en högre effektiv resistans i ledarens mitt. Exempelvis är resistansen i en ledare

ungefär 4 ggr högre vid en växelström med frekvensen 10 MHz än vid likström

(Benson, F 2010). Det är även möjligt att beskriva strömförträngning genom att

induktansen i ledarens mitt är högre än vid ytorna då växelströmmen skapar magnetisk

flödestäthet, B, som ger upphov till magnetiskt flöde, ϕ. I centrum av ledaren är det ett

högre magnetiskt flöde vilket bidrar till en större induktans. Därmed är det lättare för

strömmen att flyta vid utkanten av ledaren, där djupet i ledaren där strömmen leds

benämns skindjupet.

För att motverka den energiförlust som strömförträngning ger upphov till är det möjligt

att använda litztråd. Den består, till skillnad från sedvanlig kopparledning, av flera

enskilt isolerade kopparkardeler som tvinnats ihop, vilket leder till att strömförträngning

uppstår separat i kardelerna. Därmed blir den tvärsnittsarea där strömmen flyter större

än hos en vanlig kopparledning. Detta gör litztråd mycket användbar i högfrekventa

sammanhang och det är vanligt att använda litztråd vid lindningarna hos

transformatorkärnor.

För att få en bättre förståelse kring litztrådens egenskaper kan en jämförelse mellan 60

Hz och 100 kHz göras. Vid 60 Hz är skindjupet 9,81 mm vilket betyder att det inte finns

någon anledning till användandet av litztråd eftersom det endast är fördelaktigt för en

ledare med en diameter som är större än 20 mm vilket sällan används. Däremot är

skindjupet 0,24 mm vid 100 kHz vilket gör användandet av en solid kopparledning med

diametern 1,549 mm mer effektiv. Eftersom den effektiva tvärsnittsarean där strömmen

leds är 0,963 mm2. Skillnaden vid användandet av litztråd är att varje enskild

kopparkardel, med diametern 0.1 mm, kommer leda ström över hela tvärsnittsytan. För

en litztråd med 240 kardeler ger det en tvärsnittsarea på 1,885 mm2 som leder

strömmen.

11

3. Konstruktion av induktiv laddare

Systemets primärsida består huvudsakligen av ett nätaggregat, en växelriktare samt en

kondensator och sekundärsidan består av en kondensator, en diodlikriktare och ett

batteripaket uppkopplat enligt figur 6. Mellan nätaggregatet och växelriktaren finns en

15 A säkring för att skydda litztråden i spolarna. Växelriktaren gör om likspänningen,

som matas från nätaggregatet, till en fyrkantsvåg med en justerbar frekvens.

Likspänningen från nätaggregatet bestäms efter önskad utspänning, dock

begränsar växelriktaren inspänningen till maximalt 40 V på grund av växelriktarens

egenskaper. I figur 6 illustreras även att spolarna är parallellkopplade på primärsidan

och seriekopplade på sekundärsidan vilket teoretiskt innebär att spänningen

transformeras upp till det dubbla medan strömmen halveras. På grund av förluster, som

uppkommer av läckinduktanser, i överföringen blir transformeringen inte optimal.

Kondensatorerna används för kompensering av reaktiva effekterna. På den sekundära

sidan likriktas spänningen och strömmen för att möjliggöra laddning av batteriet. En

säkring på 10 A är kopplad mellan batteripaketet och likriktaren. Denna säkringen

skyddar laddaren om batteriet kortsluts. Som figur 6 visar är en glättningskondensator

monterad efter likriktaren. Glättningskondensatorn har egenskapen att den minimerar

ripplet i den likriktade strömmen. Dock har den ingen funktion när batterierna laddas

eftersom att batterierna är kapacitiva men kondensatorn är av vikt när effektöverföring

sker mot en last som inte är kapacitiv.

Figur. 6 Översiktligt kopplingsschema för laddningssystemet.

12

3.1 Laddningsobjektet (Batterispecifikationer)

Batterierna som kopplas till el-gocarten är två paket som består av fyra NiMH-batterier

vardera. Varje batteri består av 20 celler med en nominell spänning på 1.2 V/cell.

Spänningen för varje batteripaket blir 48 V innehållande 18 Ah, dock parallellkopplas

de båda batteripaketen vilket totalt ger en spänning på 48 V och 36 Ah. Spänningen är

av stor betydelse för laddningen eftersom laddning av batterier i allmänhet inte sker

med märkspänning utan med något högre spänning. Uppkopplingen visas i figur 7.

Figur 7. Kopplingsschema över laddningsobjektet

3.1.1 Laddning av batteriet

Som tidigare nämnts så krävs det högre spänning än märkspänningen för att ladda

batterierna. Enligt specifikationerna ska spänningen per cell vara mellan 1,35-1,45 V då

batteriet är fulladdat och det anses, av tillverkaren, vara urladdat då spänningen är 1.17

V/cell. Beräknat för hela batteriet, sett som två batteripaket, är spänningen mellan 54

och 58 V vid full laddning samt 46.8 V urladdat. Dock kommer spänningen att sjunka

mer vid urladdning eftersom att batterier av den här typen har en högre inre resistans än

vanliga blybatterier. Därmed sjunker spänningen till under 1 V/cell då den urladdas

under körning med el-gocarten.

Batteriets laddningsnivå, ”state of charge” (SOC), är en parameter som är viktig att ta

hänsyn till. Laddning över 80 % SOC bör göras med försiktighet då batteriet lätt kan

överladdas, vilket minskar batteriets kapacitet och livslängd.

Det finns många olika strategier att använda sig av vid laddning av batterierna och dessa

finns utförligt beskrivna i databladen för batterierna (Nilar 2008). I detta projekt har

laddningsmetoden "float charge" applicerats. Den går ut på att under

laddningsprocessen ladda batterierna med en förhållandevis låg ström, till skillnad mot

de andra metoderna, och samtidigt undersöka batteriernas inre tryck med tryckgivaren.

Med float charge är det möjligt att ladda batteriet så att det uppnår över 80 % av dess

kapacitet samtidigt som batteriets livslängd är hög, över 500 laddningscykler. (Nilar

2008).

13

Nedan beskrivs laddningsalgoritmen float charge anpassad för den konstruktion av

trådlös laddare som utnyttjas i detta projekt.

1. Ladda batterierna tills det inre trycket uppnått 172 kPa. 2. Avsluta laddningen och låt trycket sjunka till 69 kPa. 3. Fortsätt att ladda batterierna tills trycket uppnått 172 kPa. 4. Upprepa sedan steg 2 och 3 upp till tre gånger för att uppnå färdigladdat batteri.

3.1.2 Tryckmätning

Vid laddning av NiMH-batterier ökar spänningen i cellerna fort under startskedet av

processen, för att senare under laddningen öka mer stegvis tills batterierna är fullt

laddade. När batteriet är fulladdat och cellerna når sin toppkapacitet ökar temperaturen

inuti batterierna. Denna uppvärmning har sitt ursprung i den kemiska process som sker

under laddning, då det bildas syrgas. Andelen syrgas ökar kontinuerligt vilket leder till

en tryckökning i batteriet.

Tryckökningen som sker i batterierna motiverar en kontroll av de signaler som

tryckgivarna avger. Tryckgivarna, modell P51-100A-B-I36-4.5V, är tillverkade av SSI

Technologies, Inc och monterade på vardera batteripaket. Dessa tryckgivare avger en

likspänning, mellan 0.5 Vdc och 4 Vdc, som utsignal vilken sedermera ska omvandlas till

tryck, enligt tabell 1.

Tabell 1. Omvandlingstabell för tryckgivarens utsignaler

Tryck- och spänningsomvandling

psi kPa V

0 0 0.5

12.5 86,18 1.0

25 172,36 1.5

37.5 258,54 2.0

50 344,72 2.5

62.5 430,9 3.0

75 517,08 3.5

87.5 603,26 4.0

14

En matningsspänning på 5 Vdc kopplas till tryckgivarens röda kabel (C) och

referensspänning (jord) kopplas till den svarta kabeln (A). Detta leder till att utsignalen

ges ur den vita kabeln (B).

Figur 8. Tryckmätaren och dess givarkablar.

3.2 Tillverkning av laddaren samt de ingående komponenterna

I konstruktionen av prototypen är uppsättningen av spolarna den del som är av störst

vikt. Dessa utgör grunden i den trådlösa energiöverföringen. Komponenter samt

kopplingsschema utformades för att maximera verkningsgraden. De reaktiva effekterna

som uppkommer i kretsen kompenseras med konduktanser. Reglerkretsar konstruerades

för att automatiskt kontrollera laddningsförloppet och samtliga delar kapslades in i

skyddande hölje.

3.2.1 Val av kärnor samt konstruktion av spolar

Då frekvensen i detta projekt ligger i kHz området finns det inget behov av att använda

luftkärnor och därmed valdes ferritkärnor. Cirkulära p-kärnor används av praktiska skäl,

dels då det ökar flödet för magnetfältet och dels då lindningen av spolarna underlättades

eftersom bobiner användes.

Vid konstruktionen av laddaren användes fyra kärnor, där två kärnor tillsammans med

två spolar utgör en modul, illustration av spole och kärna visas i figur 9. Dessa moduler

är parallellkopplade på primärsidan och seriekopplade på sekundärsidan. Val av

lindningsvarv blev 20 varv per spole, då uppkopplingen av modulerna leder till en

dubblering av spänningen samt en halvering av strömmen (bortsett från förluster vid

överföringen). Detta gör att det inte är aktuellt att transformera upp spänningen mer

eftersom den givna spänningen under laddning är möjlig att uppnå på detta sätt.

B A

A

C

15

a) b) c)

Figur 9. a) bobin samt p-kärna b) bobin lindad med litztråd c) inkapslad bobin och kärna

Den maximala effektöverföringen beror till stor del på kärnornas storlek. Anledningen

till att dessa kärnor samt kopplingen som beskrivits ovan valts är på grund av att det är

problematisk att beställa samt implementera stora kärnor på gocarten. Litztråden som

använts i projektet har 120 stycken kardeler, vardera med en diameter på 0.1 mm.

Eftersom att litztråden har en given maximal strömtålighet på 3.36 A användes

dubbellindad litztråd i spolarna för att de ska klara av en högre strömnivå.

3.2.2 Kompensering av reaktiva effekter under laddning

För att skapa en resonanskrets används två stycken seriekopplade kondensatorer på 220

nF varav en på primärsidan och den andra på sekundärsidan. Med dessa kondensatorer

inkopplade används resonansfrekvensen 81.18 kHz. Värden på kondensatorerna samt

hur hög frekvens som ska användas är möjlig att beräkna genom ekvation 5 som

förklarar sambandet mellan frekvens, induktans och kapacitans.

16

3.2.3 Beskrivning av laddarens utformning

Montering av kärnhalvorna sker genom att två hål borras i en plexiglasskiva. Därefter

monteras två kärnhalvor i hålen och fästs med lim från en limpistol. Detta upprepas med

ytterligare en skiva . Det är viktigt att kärnhalvorna har samma placering på

plexiglasskivorna så att det inte blir någon förskjutning som därmed minskar

effektöverföringen.

Även magneter (av neodym) monterades på båda plexiglasskivorna för att minska

avståndet mellan kärnhalvorna och hålla dem på plats under laddning. Till sist kapslades

skivorna in med teflonplast med en tjocklek på 0,1 mm för att skydda kärnorna mot

smuts och fukt. Anledningen till att teflon valdes var för att det uppstår höga

temperaturer mellan kärnhalvorna vilket kan få andra typer av plaster att smälta. Figur

10 visar de fyra kärnhalvorna där de två övre är sekundärsidan som senare ska monteras

på el-gocarten och den undre delen är primärsidan som är inkapslad i en liten låda för att

skydda komponenterna. Där emellan syns den tunna teflonplasten som skyddar

kärnhalvorna.

Figur. 10. Demonstration av kärnornas placering i plexiglaset där kärnorna ovan är

placerade på sekundärsidan och den nedre halvan är primärsidan.

17

3.2.4 Utökad elektronik för automatisering av laddningsprocessen

Under uppladdning av batterierna är det, som tidigare nämnt, viktigt att övervaka

trycket. Detta för att förhindra överladdning av batterierna. Det är även av vikt att veta

ifall laddaren är ansluten till en last för att inte överföra effekt i onödan. Därför

konstruerades ett antal olika kretsar som tillsammans reglerar och automatiserar, vilket

tar bort den manuella övervakningen.

Med tryckgivarens utsignal är det möjligt att bestämma om batterierna är fulladdade,

och är utsignalen över 1.5 V ska laddningen avbrytas. Denna utsignal skickas in på en

operationsförstärkare av typen LM324AN med Dil-14-kapsel (se bilden), som matar ut

en given spänning tills dessa att värdet överstiger 1.5 V då utmatningen stryps.

Utsignalen från operationsförstärkaren läggs sedan ut till gaten på en MOS-FET som

styr laddningen. När transistorn leder laddas batterierna och när den spärrar blir det ett

avbrott och laddningen avbryts.

Transistorn är monterad direkt efter likriktaren. För att laddaren ska passa olika typer av

batterier går referensvärdet (i detta fall 1.5 V) att ställa mellan 0.1 - 5 V med hjälp av en

potentiometer. Om det inte kopplas in någon givare eller att det inte kommer någon

signal ges 0 V ut mot referensen och laddningen sker kontinuerligt. Vid laddning av

andra typer av batterier, utan tryckgivare, har en spännigsdelare monterats på samma

krets som bryter laddningen då spänningen blir för hög, vilken kan regleras med en

potentiometer.

För att motverka att laddningen fortsätter direkt när givarsignalen sjunker under 1.5 V,

eller då batterispänningen blir för hög, behövs en hystereskrets. Genom att montera ett

motstånd mellan utgången till plus-ingången på operationsförstärkaren skapas den

eftersökta funktionen. Därmed automatiseras laddningen så att batteritrycket tillåts

sjunka innan laddningen fortsätter.

18

Operationsförstärkaren matas med en spänning på 15 V, dessutom behövs 5 V till dess

ingång samt som matning till tryckgivaren. Eftersom denna krets monteras på el-

gocarten måste dessa spänningar tas från batterispänningen. Av detta skäl konstruerades

en krets som seriereglerar ner batterispänningen (varierande mellan 20- 60 V)(se figuren

nedan) och matar ut både 15 V och 5 V till elektroniken på kretskortet. Spänningen på

15 V fås med hjälp av en serieregulator och 5 V fås från 7805:an som reglerar ner 15 V

till 5 V. Hela denna krets har lagts in i en monteringslåda för att skydda den mot fukt

och smuts när den väl monteras på gocarten.

Figur 11: Blockschema för övervakningskretsen, lägg märke till att denna är en kraftig förenkling,

komplett schema återfinns i appendix 1.

För att förbättra växelriktaren konstruerades en enkel oscillator som skapar en

fyrkantspuls på 15 V. Frekvensen för denna signal bestäms genom lämpligt val av en

kondensator. Signalen går att reglera med en potentiometer och kopplas in till

växelriktaren. Då det är en nolla som matas in i porten går laddaren igång, i annat fall

händer ingenting.

19

Bredvid oscillatorn är ett effektmotstånd på 0,094 Ω och en transistor monterat (se

figur). Minuspolen till hela laddaren ligger kopplad genom effektmotståndet, där

transistorn känner av spänningsfallet över motståndet. Blir spänningsfallet för högt leder

transistorn och en nolla läggs ut istället för fyrkantspulsen, då nollan är dominant över

fyrkantspulsen.

Figur 12: Blockschema för oscillatorkretsen, även här återfinns det kompletta schemat i appendix 1.

Detta leder till att växelriktaren gör två försök till laddning per sekund. Ifall den under

försöken drar ström bildas ett spänningsfall över effektmotståndet och en nolla ges till

inporten. Detta resulterar i att laddningen startar och håller igång under den tiden lasten

drar ström. När lasten slutar att dra ström eller inte är kopplad till laddaren försvinner

spänningsfallet över effektmotståndet, därmed tar oscillatorn över igen och

växelriktaren återgår till att försöka ladda lasten.

20

3.2.5 Växelriktare

För att växelriktare ska fungera krävs det två skilda inspänningar till kretsen. Dels är det

en matningsspänning som driver kretsen, vilken ska vara konstant 15 Vdc, samt en

varierbar inspänning vilket ger upphov till en proportionerlig fyrkantspuls. Anledningen

till att fyrkantspulser används är för att det är relativt enkelt att skapa dessa samt att med

pulsviddsmodulation (PWM) få fram andra signaler ur dessa.

För att det ska vara möjligt att få ut en fyrkantspuls krävs det två MOSFET- kretsar

(IR2010) som är monterade på kretskortet. Utöver dessa finns det även en IC-krets

(UC3846N) som tillåter frekvensstyrning samt strömbegränsning. Frekvensintervallet

ligger mellan 11,23 och 108,20 kHz.

Strömbegränsningen var dock alltför låg till en början vilket gjorde att det var

nödvändigt att byta en resistans mot ett effektmotstånd (0.047Ω 20 W) och senare även

till ett annat effektmotstånd (0.033Ω 20 W). Denna förändring tillåter en mycket större

strömnivå ut från växelriktare. En kylfläns är placerad på effektmotståndet för att

temperaturen inte ska bli allt för hög då en hög ström leds igenom den.

Kylelementen som syns på baksidan av kretskortet i figur 13 är monterade med två

fläktar för att öka kylningen. Dessa kretsar drivs med samma matningsspänning, 15 Vdc,

som växelriktaren använder.

Fig. 13. Växelriktaren

21

3.3 Mätningar

I kommande stycken redovisas de mätningar gjorda på batterierna såväl som på den

fullständiga prototypen av laddaren. Detta för att det är av stort intresse att veta hur

effektiv energiöverföringen är samt hur kapaciteten i batterierna förhåller sig till de

angivna värdena i databladet.

3.3.1 Verifiering av el-gocartens batterikapacitet

En kontroll på batterierna gjordes eftersom det fanns osäkerheter kring batteriernas

kapacitet jämfört med vad som utlovas i batterispecifikationen. Trots att batterierna inte

är så gamla har de läckt batterivätska. Detta samt att eftersökta resultat vid uppladdning

inte erhölls motiverar mätningar på batterierna för att hitta eventuella fel.

Då tryckgivarna är monterade på vardera batteripaket uppmärksammades det stor

variation i tryckökning under laddning. Denna variation gjorde att laddningen inte blev

optimal för batterierna eftersom när det ena batteripaketet blir fulladdat (>80% SOC)

avslutas laddningen, vilket leder till att det andra batteripaketet inte är uppladdat till sin

maximala kapacitet.

Genom att använda laddningsmetoden ”float charge” på batteripaketen separat

fastställdes att batterierna blev fulladdade. Algoritmen för laddningen återfinns i 3.1.1

Laddning av batteriet.

Urladdningen av batteripaketen gjordes med hjälp av ett motstånd med resistansen 3,9

Ω. Processen avbröts vid låg spänningsnivå då förändringarna inte var påtagliga. För att

verifiera batteripaketens kapacitet beräknades antalet Ah genom att mätvärden, såsom

spänning och ström, antecknats löpande under urladdningsprocessen.

Genom att först beräkna effekten med ekvation 6 beräknades antalet watt-timmar med

hjälp av ekvation 7 där T är intervalltiden mellan mätvärdena som under processen

valdes till två minuter. Då antalet watt-timmar erhållits beräknades medelspänningen

under processen för att dividera dessa värden enligt ekvation 8.

(6)

(7)

(8)

22

Nedan i tabell 2 redovisas de värden som användes för att beräkna antalet Ah som

batteri 1 innehåller, alla mätvärden visas i sin helhet i appendix 2. Figur 13 illustrerar

urladdningen av batteriet och ger en bra överblick över urladdningsförloppet.

Tabell 2. Redovisning av mätvärdena för batteri 1.

Summa spänning [V] 554,0

Medelvärdet av spänningen [V] 36,94

Summan av effekten [W] 5865

Antalet Watt-timmar [Wh] 195,5

Kapaciteten hos batteri 1 [Ah] 5,290

Figur 13 Urladdning av batteri 1

23

I tabell 3 redovisas de värden som användes för att beräkna antalet Ah i batteri 2, alla

mätvärden visas i sin helhet i appendix 3. Figur 14 illustrerar urladdningen av batteriet

och ger en bra överblick över urladdningsförloppet.

Summa spänning [V] 1700,8

Medelvärdet av spänningen [V] 36,970

Summan av effekten [W] 17218

Antalet Watt-timmar [Wh] 573,94

Kapaciteten hos batteri 2 [Ah] 15,520

Tabell 3. Redovisning av mätvärdena för batteri 2.

Figur 14 Urladdning av batteri 2

24

Figur 15 visar en jämförelse mellan de två batteripaketen. Det syns tydligt att batteri

1 har mycket sämre kapacitet än batteri 2. Beräkningarna visar även att från det

utlovade 18 Ah per batteripaket har kapaciteten minskat drastiskt för batteri 1 medan

det för batteri 2 höll vad som utlovats med tanke på att de beräknade Ah för det batteriet

ger en state of charge på 85 %.

Figur 15 jämförelse av batteriernas kapacitet

25

3.3.2 Verifiering av laddarens överföringskapacitet vid laddning av NiMH-

batteri

Det är av stor vikt i projektet att veta hur den fullständiga prototypen fungerar och hur

väl energiöverföringen sker. Därmed utfördes mätningar som visar verkningsgrad,

effektöverföring, och temperatur hos de olika komponenterna samt vid vilka spänningar

och strömmar som laddningen sker. Utförligare tabeller redovisas i appendix 4.

Med resultatet från 3.3.1 Verifiering av el-gocartens batterikapacitet kan det fastslås att

kapaciteten för batteri 1 är såpass mycket sämre att det inte användes vid resterande

mätningar. Då kapaciteten skiljer sig så mycket mellan batteripaketen är det inte

lämpligt att ladda dem parallellt eftersom laddningen avbryts då batteri 1 är fulladdat

trots att batteri 2 ännu inte fulladdat.

De mätningar som redovisas i tabell 4 utfördes under laddning av batteri 2 och är av

vikt för att kunna följa hela laddningsprocessen och därmed se hur ström- och

spänningsnivåerna förändras. Mätningarna är utförda på primär- och sekundärsidan, dvs

vid nätaggregatet samt vid batteripaketet, för att följa utvecklingen på båda sidor samt

att verkningsgraden därigenom beräknades. I figur 16 redovisas laddningsprocessen för

batteri 2 med mätvärdena från tabell 4 som underlag.

Tabell 4. Redovisning av mätvärdena under andra steget av uppladdningen

Uppladdning av batteri 2 - steg 2 (andra uppladdningen)

Tid [min]

Ström [A],

primärsida

Spänning

[V],

primärsida

Ström [A],

sekundärsida

Spänning

[V],

sekundärsida

Verkningsgrad

η [%]

215 5,51 32,00 2,10 55,56 66,17

220 5,11 31,99 1,91 55,97 65,40

225 5,06 31,96 1,99 56,40 69,37

230 4,79 31,85 1,76 56,56 65,25

235 4,71 31,96 1,71 56,77 64,49

240 4,43 31,98 1,58 56,97 63,54

245 4,39 31,88 1,55 57,00 63,11

250 4,22 32,00 1,52 57,10 64,27

255 4,14 32,10 1,45 57,18 62,39

260 4,07 32,07 1,27 57,20 55,66

265 3,54 32,10 1,27 57,18 63,91

270 3,56 32,00 1,28 57,22 64,29

275 3,57 32,00 1,19 57,24 59,63

280 3,63 32,00 1,24 57,29 61,16

285 3,40 32,00 1,15 57,26 60,52

290 3,32 32,03 1,07 57,22 57,58

26

Figur. 16 Graf som visar andra steget vid uppladdning av batteri 2 (batteriet visade sig vara fulladdat då det inte tog emot mer ström)

Under första steget av laddningen blev inte strömmen på primärsidan ordentligt

uppmätt, på grund av den mänskliga faktorn, därmed redovisas inte de mätvärdena i

detta stycke utan bifogas endast i appendix 4 tillsammans med mätvärden från hela

uppladdningen. Den effektiva laddningstiden under steg 1 tar ungefär 210 min och

under steg 2 och 3 kan det ta något längre tid eftersom strömmen sjunker då batteriet är

fulladdat. Anledningen till att en total laddningstid inte har beräknats är på grund av att

det tar för lång tid för trycket i batteriet att sjunka, ofta upp emot 1 dygn. Detta leder till

att det inte är laddarens effektivitet som utgör den totala laddningstiden utan det beror

till stor del på batterierna.

27

3.3.3 Analys av effektförlusterna

För att analysera var förlusterna sker i effektöverföringen har bilder tagits med hjälp av

en värmekamera (Fluke Ti-45, IR-flexcam Thermal Imager). Då den beräknade

verkningsgraden gäller för hela kretsöverföringen är det intressant att undersöka vilka

komponenter som förbrukar mycket effekt samt vad som kan optimeras eller bytas

ut. Detta resulterade bland annat i att det observerades att kablarna mellan växelriktaren

och primärkärnorna blev varma, vilket var ett tydligt tecken på skineffekt. Därmed

kunde dessa bytas ut mot fyra parallella litzkablar.

Denna analys av effektförluster gjordes mot en resistiv last eftersom det då är möjligt att

erhålla konstant spänning och ström genom kretsen. Detta är önskvärt då samtliga

komponenter kommer upp i arbetstemperatur.

De första två effektmotstånden som visas i figur 17, monterade på oscillatorkretsen, har

en temperatur på 75 °C. Enligt specifikationerna för effektmotståndet är resistansen vid

denna temperatur 0,060 Ω och med effektmotstånden kopplade i serie ger det en total

resistans på 0,119 Ω. Då exempelvis en ström på 10 A leds genom effektmotstånden

uppstår en effektförlust på 12 W. Effektöverföringen i början av laddningsförloppet är

på ca 300 W vilket innebär att effektmotstånden bidrar med en minskning av

verkningsgraden på 4 %.

Figur 17: Effektmotstånden under två olika tillfällen. I bakgrunden syns även växelriktaren.

Temperaturskalan är angiven i Farenheit.

28

I figur 18 visas de okapslade ferritkärnorna (vänster) på sekundärsidan samt

kopplingslådan för säkerhetskretsen (höger). Temperaturen på kärnorna ligger här på 45

grader. Kopplingslådan ligger på 40 grader.

Figur 18: Temperaturen för kärnorna på sekundärsidan, temperaturskalan återfinns i figur 17.

Då likriktarbryggan ämnar likrikta ström med en frekvens på 81.18 kHz krävs snabba

dioder, i detta fall har schottkydioder använts. Dioderna i likriktarbryggan har en

temperatur runt 80 - 90 °C, se figur 19. Då denna temperatur närmar sig den maximala

temperaturen för dioderna visar detta att kretsen maximalt klarar av 350-400W innan

kylning behövs.

Figur 19. Likriktarbryggan under effektöverföring, temperaturskalan återfinns i figur 17.

29

Vissa kontakter och spår på växelriktaren blir varma, detta visas i figur 20 och är ett

tydligt tecken på effektförluster i kretsarna. Dessa kontakter och spår hade möjligen

kunnat förbättras för att uppnå en något högre verkningsgrad.

Figur 20. In och ut kontakterna på växelriktaren, temperaturskalan återfinns i figur 17.

30

4. Resultat

Projektet har resulterat i en fullt fungerande laddare som använder sig av tekniken

induktiv koppling med resonansteknik. Laddarens uppkoppling visas i figur 6 (3.

Konstruktion av en induktiv laddare) och består huvudsakligen av en växelriktare på

primärsidan samt utökad elektronik och diodlikriktare på sekundärsidan.

Energiöverföringen sker med fyra stycken runda ferritkärnor, som tillsammans bildar

två moduler. Dessa kärnor innehåller bobiner, vilka i sin tur används för att på ett

smidigt sätt linda spolarna. Vid lindning av spolarna används litztråd, som lagts

parallellt i två omgångar för att klara högre ström. Tråden har lindats 20 varv i samtliga

kärnor. Modulerna är kopplade så att de är parallellkopplade på primärsidan och

seriekopplade på sekundärsidan. Anledningen till att denna uppkoppling valts är för att

transformera upp spänningen samtidigt som strömmen halveras, vilket är önskvärt för

att ladda batterierna. För att uppnå resonans, vilket är viktigt för att öka

verkningsgraden, används en kondensatorer på vardera sida.

Sekundärsidan är monterad på el-gocarten och primärsidan är utformad så att den

placeras mot sekundärsidan vid laddning. Dessa båda delar fästs i varandra automatiskt

med hjälp av magneter. Vardera sida är även täckt med tunn teflonplast för att varken

fukt eller smuts ska kunna hindra laddningen. Detta innebär att avståndet kärnorna

emellan inte är mer än 1 mm. Frekvensen som används vid överföringen är 81.18 kHz

och anledningen till att det just är denna frekvens är eftersom den tillsammans med

kondensatorerna bildar en väl fungerande resonanskrets.

Laddaren är utrustad med utökad elektronik för att automatisera laddningen och öka

säkerheten och användarvänligheten. Funktionerna som är implementerade innebär att

laddaren automatiskt stänger av laddningen när batteriet är fulladdat eller då primär- och

sekundärsida inte är på ett sådant avstånd att laddaren klarar av att överföra effekt.

Batterierna är utrustade med en tryckgivare som ger ut en spänning. Med denna

spänning känner laddaren av ifall batteriet är fulladdat eller inte. När trycket i

batterierna uppnått ett visst värde, som avbryter laddningen, måste batterierna vila så att

trycket sjunker till en viss nivå innan laddningen återupptas. Det är även möjligt att

justera laddaren för olika spänningar vilket gör att istället för att bryta då tryckgivaren

skickar ut en viss signal så bryter den vid en viss batterispänning. Detta medför att

laddaren går att justera så att den kan, med automation, ladda olika typer av batterier.

Att det är möjligt att ladda olika batterier är en stor fördel med laddaren, speciellt då de

batterierna som skulle användas inte innehar den kapaciteten som det var utlovat. Det

var nödvändigt att byta till blyackumulatorer för att kunna driva el-gocarten vilket inte

gav upphov till några problem tack vare reglerkretsarna.

Verkningsgraden för den tillverkade prototypen ligger kring 67 %, sett över hela

laddaren. En analys av effektförlusterna (3.3.3 Analys av effektförluster) är gjord för att

undersöka var någonstans i laddaren förlusterna inträffar. Ur analysen observerades att

stora förluster förekommer i diodlikriktaren samt effektmotstånden i oscillatorkretsen.

31

Laddningstiden beror till stor del på vilken laddningsalgoritm som används. I detta

projekt används "float charge" (se kap 3.1.1 Laddning av batteriet) vilket innebär en 3-

stegsladdning där det inre batteritrycket måste sjunka mellan stegen. Detta har resulterat

i orimliga laddningstider och därför är den totala laddningstiden inte uppmätt.

Problemen ligger i att det tar för lång tid för trycket i batteriet att sjunka, ofta överstiger

det 24 timmar. Den effektiva laddningstiden uppmättes till ca 210 min under första

steget av laddningsalgoritmen. De senare stegen tar lite längre tid eftersom strömmen är

något mindre. Den effektiva laddningstiden visar att laddaren uppfyller de krav som

ställts på laddningstid då batteriet laddas som mest i tre steg. Detta resulterade slutligen

i att den effektiva laddningstiden uppfyller kravet på 12 timmar.

32

5. Diskussion

Som tidigare förklarats har det under projektets gång konstruerats en fungerande

prototyp för trådlös uppladdning av batterier till en el-gocart. Syftet med projektet har

därmed uppnåtts, då det har varit möjligt att åtskilliga gånger ladda upp batterierna.

Tyvärr har batteriernas kapacitet inte varit den önskvärda då det ena batteriet (batteri 1)

hade allt för låg kapacitet för att kunna driva el-gocarten ifråga.

Att batterierna inte håller den utlovade kapaciteten har varit ett återkommande problem

under projektets gång. Det har tagit mycket tid och varit utanför projektets ursprungliga

ramar att kontrollera kapaciteten hos batterierna. Att beställa nya batterier har inte varit

något alternativ under projektets gång då leveranstiden är lång samt att det fanns

alternativa batterier som el-gocarten slutligen kunde köras med.

Syftet med den konstruerade prototypen har åstadkommits då det har varit möjligt att

ladda upp batterierna trådlöst. Det finns dock en del punkter där förbättringar kan göras

eftersom verkningsgraden inte nådde upp till det väntade. Den nivå som eftersträvades

var 70 %, dock var verkningsgraden i bästa fall något över 70 % men i genomsnitt låg

den runt 67 %. Detta är den beräknade verkningsgraden sedd över hela prototypen,

vilket betyder att det är beräknat från nätaggregatet till batteriet. Det hade varit av

intresse att i projektet mäta verkningsgraden mellan primär och sekundärsida då det är

där den trådlösa överföringen sker, dock leder en sådan mätning till en del

problem. Uppmätning av verkningsgraden mellan primär- och sekundärsida skulle

innebära stora felmarginaler. På primärsidan kan strömmen endast mätas efter

växelriktaren via avläsning på ett oscilloskop vilket är mycket osäkert ur

mätsäkerhetssynpunkt. Spänningen på primärsidan är en fyrkanstpuls som innehåller

rippel vilket medför svårigheter att få ett exakt värde. På sekundärsidan kvarstår

problemet med spänningens osäkerhet då det kan vara svårt att mäta på en deformerad

fyrkantspuls, därför utförs mätningar först efter diodlikriktaren vilket i sin tur medför

effektförluster. Även mätningen av strömmen på sekundärsidan sker efter

diodlikriktaren. Alla dessa faktorer spelar stor roll vid beräkning av verkningsgraden

som kräver exakta värden då en liten ändring av ett värde ger stort utslag på den

slutgiltiga verkningsgraden.

Dock är det en prototyp som är tillverkad vilket gör det mer intressant att undersöka

verkningsgraden över hela kretsen med reglerkretsarna. Då det kommer att behövas

reglerkretsar i en slutgiltig produkt är det intressant att veta den totala verkningsgraden

för att veta var det kan göras förbättringar. Med detta sagt hade det för fortsatta studier

varit av vikt att undersöka verkningsgraden steg för steg över hela prototypen då det

hade givit en uppfattning om var det går att göra de stora förbättringarna.

33

Det finns en rad faktorer som påverkar verkningsgraden till det negativa och som kan

förbättras i detta projekt. Dels är det inte helt säkert fastställt att kärnorna är rätt

placerade för att minska felplaceringen mellan dem. Förskjutningen mellan kärnorna

skulle kunna minimeras om plexiglasskivorna konstruerats med speciella maskiner och

mätinstrument med låg felmarginal. Även monteringen av teflonplasten kunde gjorts

bättre eftersom det inte är helt optimalt att tejpa då det leder till större luftgap. Enligt

andra projekt (Wallerius, A 2007) utgör resonansen en mycket stor del av

verkningsgraden för energiöverföringen. Därmed kan resonansen vara en källa till låg

verkningsgrad och kort överföringsavstånd för den konstruerade prototypen. Då

inställningen av frekvensen på växelriktaren görs manuellt blir felmarginalen stor och

finjustering inte heller är möjligt. Ett exempel på förbättring är att montera fler

flervarvspotentiometrar vilket hade gjort det möjligt att bättre ställa in frekvensen

manuellt, med högre känslighet. Även kompensering med kondensatorer kan påverka

kretsen och i projektet har olika kopplingsmöjligheter och kondensatorer undersökts för

att uppnå bästa möjliga kompensering. Fler studier på kompensering kan fortfarande

göras då det finns många olika kopplingar att använda.

Eftersom trycket hos NiMH-batterierna måste sjunka mellan uppladdningsstegen är inte

någon laddningstid uppmätt. Det som under projektets gång blivit uppenbart är att det

inte är möjligt att ladda batterierna från helt urladdat till fulladdat på under 12 timmar

med den laddningsalgoritm som valdes i projektet. Dock går det att uppskatta en

effektiv laddningstid, den tid då laddning sker, vilket håller sig under 12 timmar under

förutsättning att antalet laddningsperioder inte överskrider tre gånger. Därmed leder det

till frågor om den laddningsalgoritm som tillämpades i projektet är den effektivaste eller

ifall någon av de andra som beskrivs i databladet för batterierna (Nilar Inc. 2008) hade

varit bättre. Undersökningar av detta gjordes dock inte då det ligger utanför projektets

ramar

Litteraturstudier är gjorda inom flera områden av induktiv laddning men valet föll på

ferritkärnor eftersom växelriktaren som används i projektet genererar frekvenser i kHz-

området. Vid utnyttjande av luft-kärnor krävs frekvenser i MHz-området och på grund

av tidsbrist kunde inte en sådan växelriktare införskaffas. Ferritkärnor är också den

vanligaste och enklaste metoden då den bygger på transformatorns funktion. Det var

även sådana kärnor som användes i projektet Uppladdning av elcykel via trådlös

energiöverföring (Hedenskog & Winter 2009) vilket gjorde valet enkelt att fortsätta

utvecklingen inom denna teknik.

Vidare studier på kärnor med varierande storlek och form samt studier på högre

frekvenser hade varit önskvärt för att ge djupare förståelse för överföringsavstånd samt

verkningsgrad. Dessa studier skulle vara intressanta eftersom den eftersökta

verkningsgraden inte uppnåtts och överföringsavståndet är mycket litet för denna

prototyp. Större kärnor kan även överföra större effekter vilket gör dem mer lämpade

för laddning av en el-gocart. Detta skulle kunna öka verkningsgraden och möjligheterna

för att avståndet mellan spolarna skulle kunna öka. Men överföringar på sträckor som är

kortare än diametern är rimliga utan att verkningsgraden blir alltför låg. Studier på

större kärnor var inte möjligt då det krävde specialbeställning som skulle ta för lång tid

att leverera och studier på högre frekvenser har inte utförts på grund av växelriktarens

begränsningar.

34

Litztråden som används i prototypen medför en strömbegränsning i spolarna. Detta

problem löstes med dubbel litztråd. Det utfördes även tester med tre stycken

parallellkopplade litztrådar, dock gjorde detta lindningen runt bobinerna komplicerad

vilket slutligen resulterade i ett fåtal lindningsvarv. Med tanke på att det inte gick att

linda så många varv som det var önskat minskade den överförda effekten vilket gjorde

att dubbel litztråd slutligen valdes till prototypen. En anledning till att sträva efter en

högre ström är att funktioner som snabbladdning kan implementeras. Snabbladdning

kan vara en mycket användbar och självklar funktion då el-gocarten behöver laddas

under en tävling eller för att göra laddning av el-fordon mer användarvänligt i

framtiden.

Det är inte alla som förespråkar en framtid med trådlös energiöverföring. Oroliga röster

diskuterar en eventuell fara med att utsätta den mänskliga kroppen för magnetiska fält.

(Strålsäkerhetsmyndigheten, 2009) Det är dock inte säkerställt huruvida det skadar

människokroppen eller vad det har för effekter. Det finns en del uttalanden, som säger

emot varandra, från forskare och företag. Dock kan det ibland vara skilda intressen som

leder till att argumenten inte alltid kan stärkas i någon ordentlig grund.

Dock är det inte bara människokroppen som kan ta skada av det magnetiska fältet utan

även elektrisk apparatur. Därmed är det av vikt att starka magnetiska fält, vilket kan

uppkomma vid induktiv laddning med hög effekt, beaktas för att ge skydd åt

omgivningen. Det är emellertid inte så svårt att skölda omgivningen mot magnetiska fält

och en implementering av skydd i framtidens trådlösa laddare för elfordon och bör

därför inte vara något problem.

En stor fördel med just induktiv laddning är potentialen att öka användarvänligheten.

Dock räcker det inte att det endast ska vara enkelt att använda utan det måste också vara

effektivt. Eftersom projekt kring trådlös energiöverföring ligger såpass nära andra

projekt med syfte att göra fordonsparken mer miljövänlig så krävs en ökning av

verkningsgraden. Det gynnar inte miljön i längden ifall förluster som uppkommer vid

överföringen måste kompenseras med en större tillförsel av energi.

En av de viktigaste punkterna för framtidens elbilar och något som nämns ofta av de

som är skeptiska mot dessa fordon är räckvidden på en laddning. Det är där induktiv

laddning kommer in. Tidigare i rapporten (1.1 Bakgrund) nämndes två pilotprojekt som

arbetar med just induktiv laddning för elfordon. I det ena projektet handlar det om

spårvagnar medan det andra handlar om elbilar. Det intressanta med den forskning och

de koncept som projekten behandlar är att det kan leda till ett stort steg i konkurrensen

mot dagens konventionella fordon. Att placera induktiv laddning för elbilar i vägbanan

på motorvägar, vägar med mycket köbildning, parkeringsplatser, vid stoppljus, och

andra liknande platser skapar det gott om laddningsmöjligheter vilket minskar behovet

av stora och dyra batterier i de framtida elfordonen.

35

6. Slutsats

Den induktiva laddare som i detta projekt konstruerats har en verkningsgrad kring 67 %

då effekten förs över ett avstånd på ca 1 mm. Dock finns det stor potential till att

förbättra den tillverkade produkten så att den håller för kommersiella syften. I dagsläget

pågår otroligt mycket forskning på just trådlös laddning vilket öppnar upp för

alternativa tekniker, högre verkningsgrad samt större avstånd.

Därmed visar detta projekt att induktiv laddning för el-gocarts respektive elbilar är fullt

möjlig och är av stor vikt för elbilens framtid. Trådlös laddning har stor potential att

lösa de problem som batterierna i dagens läge har. Exempel på dessa problem är alltför

kort körsträcka, lång laddningstid, dyra batterier och alltför många laddningsstolpar som

är diskussionsunderlag i dagsläget när det handlar om elbilen.

Anledning till att trådlös laddning är något som eftersträvas för en framtida fordonspark

är främst för att öka användarvänligheten. Samtidigt som det blir smidigare att använda

sig av trådlös laddning öppnar det för stora förändringar och nytänkande. Platser där

trådlös laddning kan appliceras är oändliga; parkeringshus, korsningar med rödljus,

vältrafikerade vägar där det ofta är köbildning, busshållplatser.

36

Referenser

Benson, F (2010) Skin effect. I AccessScience@McGraw-Hill,

http://www.accessscience.com, DOI 10.1036/1097-8542.627200 (2010-04-01)

Bombardier - PRIMOVE Catenary-Free Technology (2008) PRIMOVE

Catenary-Free Operation. pdf-format. Tillgänglig <

http://www.bombardier.com/files/en/supporting_docs/BT-ECO4-PRIMOVE.pdf

> (2010-02-02).

Browning, L. och Unnasch, S. (2001) Hybrid Electric Vehicle

Commercialization Issues. I Battery Conference on Applications and Advances,

2001. The Sexteenth Annual; 9-12 januari 2001, Cupertino, CA, USA. s. 45.

Cheng, D. (1989) Field and Wave Electromagnetics. Second Edition. Reading,

MA: Addison-Wesley Publishing Company. s 267

Clark, R (2010) Air-coils. Department of electronic engineering

http://info.ee.surrey.ac.uk/Workshop/advice/coils/air_coils.html 2010-05-05)

Clark, R (2008) Hysteresis loss Department of electronic engineering

http://info.ee.surrey.ac.uk/Workshop/advice/coils/power_loss.html#hyst (2010-

05-05)

Crystal. (2010). I Encyclopædia Britannica Online:

http://search.eb.com/eb/article-51836 (2010-03-01)

Electric automobile. (2010) Encyclopaedia Britannica Online.

http://search.eb.com/eb/article-9032269 (2010-01-26).

Electrisk svängning (2010)I Nationalencyklopedin. http://www.ne.se/elektrisk-

svängning (2010-05-06)

Eriksson, T (2010) Induktion. I Nationalencyklopedin.

http://www.ne.se/lang/induktion/211235 (2010-03-02)

Eriksson, T, Nilsson, J (2010) Resonans. I

Nationalencyklopedin. http://www.ne.se/lang/resonans/292642 (2010-05-05)

Ferrit(2010) I Nationalencyklopedin.http://www.ne.se/lang/ferrit/168628 (2010-

05-05)

Hedenskog, M och Winter, T. (2009) Uppladdning av elcykel via trådlös

energiöverföring. Göteborg: Chalmers tekniska högskola. (Kandidat arbete inom

Institutionen för Energi och Miljö. Avd Elteknik).

37

Helmersson, D. (2010) Elbil. I Nationalencyklopedin.

http://www.ne.se/lang/elbil (2010-01-26).

Johanson, O., Mahmoud, H och Maghder, Z, (2009) Batterisystem för ett litet el-

fordon – Implementering och konstruktion Göteborg: Chalmers tekniska

högskola. (Kandidat arbete inom Institutionen för Energi och Miljö. Avd

Elteknik)

Korea Advanced Institute of Science and Technology (2009) KAIST's OLEV

Best Model of Creative Growth Engine.

http://www.kaist.edu/english/01_about/06_news_01.php?req_P=bv&req_BIDX

=10&req_BNM=ed_news&pt=17&req_VI=2207 (2010-01-22).

Kurs, A () Midrange wireless power transfer. I AccessScience@McGraw-Hill,

http://www.accessscience.com/content.aspx?searchStr=Midrange+wireless+pow

er+transfer&id=YB090110 (2010-05-04)

Manning, K (2010) Electromagnetic induction. I AccessScience@McGraw-Hill,

http://www.accessscience.com. DOI: 10.1036/1097-8542.222.400 (2010-03-02)

Nilar Inc. (2008) Nickel Metal Hydride (NiMH) Battery Application Manual

Third Edi-tion (pdf ) .

Strålsäkerhetsmyndigheten (2009) Magnetfält och hälsorisker Tillgänglig

<http://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/Global/Publikationer/Broschyr/2009/

Magnetfalt-och-halsorisker-low.pdf> (2010-05-13)

Wallerius, A.(2007) De tänder lampan med radiovågor. Ny Teknik, 8 juni.

http://www.nyteknik.se/nyheter/innovation/forskning_utveckling/article44380.e

ce (2010-03-15)

38

Appendix 1

Säkerhets & Automationskretsar

Krets A: Oscillatorkretsen.

Denna krets skapar en inställbar fyrkantspuls som testar om en last finns. Finns lasten

drar transistorn bort signalen så att en nolla läggs ut i kontakten med 3 hål. Då matar

växelriktaren konstant.

39

Krets B: Säkerhetskretsen.

Kretsen bryter laddingen både då Utsignalen från givaren överstiger 1,5 V eller om

batterispänningen överstiger 57V. Dessa värden går att ställa in och justera med hjälp av

potentiometrerna. Resistenserna R4 och R14 skapar en hysteres på några volt så att

batterierna får vila lite innan de laddas på igen.

40

Appendix 2

Urladdning av Batteri 1. Tid [min] Ström [A] Spänning [V] Effekt [W]

0 14,20 51,60 732,72

2 13,60 51,00 693,6

4 13,34 49,50 660,33

6 13,04 48,40 631,136

8 12,64 46,90 592,816

10 12,18 45,20 550,536

12 11,37 42,00 477,54

14 9,70 36,00 349,2

16 8,46 31,40 265,644

18 7,63 28,20 215,166

20 6,65 24,60 163,59

22 5,98 22,17 132,5766

24 5,61 20,85 116,9685

26 5,21 19,36 100,8656

28 4,97 18,51 91,9947

30 4,93 18,34 90,4162

41

Appendix 3

Urladdning av batteri nr. 2 Tid [min] Ström [A] Spänning [V] Effekt [W]

0 13,37 50,40 673,85 2 13,24 49,60 656,70 4 12,86 48,00 617,28 6 12,19 45,40 553,43 8 11,87 44,40 527,03

10 11,57 43,20 499,82 12 11,38 42,40 482,51 14 11,39 42,50 484,08 16 11,45 42,70 488,92 18 11,49 42,90 492,92 20 11,50 42,90 493,35 22 11,50 42,90 493,35 24 11,49 42,90 492,92 26 11,45 42,70 488,92 28 11,13 41,40 460,78 30 10,82 40,30 436,05 32 10,42 38,80 404,30 34 10,39 38,70 402,09 36 10,37 38,90 403,39 38 10,45 39,20 409,64 40 10,40 39,00 405,60 42 10,45 39,10 408,60 44 10,49 39,30 412,26 46 10,42 39,00 406,38 48 10,30 38,60 397,58 50 10,22 38,20 390,40 52 9,88 36,90 364,57 54 9,66 36,00 347,76 56 9,40 35,10 329,94 58 9,00 33,55 301,95 60 8,84 32,97 291,45 62 8,66 32,31 279,80 64 8,46 31,55 266,91 66 8,25 30,76 253,77 68 8,15 30,38 247,60 70 8,03 29,96 240,58 72 7,90 29,50 233,05 74 7,72 28,79 222,26 76 7,60 28,33 215,31 78 7,44 27,79 206,76 80 7,30 27,25 198,93 82 7,10 26,50 188,15 84 6,72 25,15 169,01 86 6,22 23,38 145,42 88 5,88 22,15 130,24 90 5,38 20,48 110,18 92 4,96 18,63 92,40

42

Appendix 4