TRÅDLØS KRAFTOVERFØRING I FREMTIDIG ELEKTRISK TRANSPORT. Av Ole Christian Spro, Institutt for elkraftteknikk, NTNU

Transkript

1 TRÅDLØS KRAFTOVERFØRING I FREMTIDIG ELEKTRISK TRANSPORT Av Ole Christian Spro, Institutt for elkraftteknikk, NTNU Sammendrag Denne rapporten tar for seg prinsippene for hvordan trådløs kraftoverføring fungerer, og muligheten teknologien representerer for elektrifisering av transportsektoren. Den elektriske kretsen for et trådløst overføringssystem presenteres for å analysere hvilke parametere som påvirker virkningsgraden. Deretter diskuteres hvilken verdi teknologien kan ha for deler av landtransport. Elbil i personbilmarkedet og elektriske ferger studeres i større detalj. Avslutningsvis kommenteres forventet innvirkning på belastningen av kraftsystemet. Rapporten viser at trådløs lading er en muliggjørende teknologi for bredere etablering av elektriske transportmidler. 1. INTRODUKSJON Som del i verdens plan med å begrense utslipp av drivhusgasser, vil transportsektoren måtte stå for sin del av fremtidige kutt. Elektrifisering av transportmiddel har fått stort fokus det siste tiåret. I Norge har det vært en stor økning elbiler, og utgjorde 3,8% av personbilparken i 2016 [1]. I tillegg ble verdens første elektriske bilferge introdusert i vanlig rutedrift (trafikkerer strekningen Lavik Oppedal), med flere nye helelektriske ferjer under planlegging og bygging. Et viktig premiss for elektriske transportmidler er utvikling av batteriteknologi, og fallende priser på batterier med høy energikapasitet utfyller det premisset. En annen fellesnevner for disse batterisystemene er lading som foregår ved en fysisk tilkobling av ladekabel med en plugg. Med økende grad av elektriske fremdriftssystem i bruk, så har det vært økende forsknings- og utviklingsinnsats på trådløs kraftoverføring. Teknologien gjør at lading av transportmiddelet kan gjøres uten at ladekabelen må plugges inn i transportmiddelet. Dette forbedrer og utvider antall applikasjoner enn ved kablet lading, og vil dermed kunne til økt innfasing av elektrisk transport. Denne artikkel vil forklare teknikken bak trådløs kraftoverføring samt belyse fordeler for elbil- og fergemarkedet. Avslutningsvis kommenteres forventet påvirkning mot kraftnettet.

2 2. TRÅDLØS KRAFTOVERFØRING Trådløs kraftoverføring har fått økt interesse fra forskning og i økende grad interesse fra industri. Trådløs energioverføring i radio-domenet bruker konseptet om maksimal overførings effekt for sine design. Slike design vil aldri kunne ha høyere virkningsgrad enn 50%. Dette vil ikke være akseptabelt i kraftoverføringssystem med effekter større enn noen watt. For høy virkningsgrad brukes induktiv kraftoverføring der energioverføring skjer mellom to spoler med luftgap imellom. Trådløs kraftoverføring deles inn etter forholdet mellom størrelsen på spolene og lengden av luftgapet mellom spolene. Kortdistanse overføring inkluderer system der luftgapet mellom spolene er mindre enn radien til spolene. I mellomdistanse overføring er avstanden mellom spolene opptil mange ganger radien av spolene. De fleste applikasjonene i transportsektoren vil være kortdistanse-overføring, hvor virkningsgraden er bedre. Et forenklet kretsskjema for induktiv kraftoverføring vises i Figur 1. En høyfrekvent AC spenning, U, påtrykkes resonanskretsen på sender-siden. Denne består typisk av en vekselretter basert på kraftelektronikk. Den magnetiske koblingen fører til en indusert spenning i spolen på mottaker-siden og en strøm går i lasten. Kondensatorene er nødvendige for å lage resonanskretser på begge sider. Ekvivalente tap i kondensator og spole er aggregert i ac-motstander i hver krets. MM 12 = κκ 12 LL 1 LL 2 C 1 C 2 R ac,1 R ac,2 U R last Sender-siden L 1 L 2 Mottaker-siden Fysisk avstand mellom spolene (luftgapet) Figur 1: Forenklet kretsskjema for et system for trådløs kraftoverføring.

3 Virkningsgraden for kraftoverføring mellom de to kretsene er gitt av følgende likninger i forenklet form [2]: ηη mmmmmm 1 2 kk 12 QQ hvor magnetisk kobling mellom de to spolene, κκ 12, er gitt av [3] og godhetsfaktor, Q, er gitt ved: 1 κκ 12 = [ /2 (dd/ rr 1 rr 2 ) 2 ] 3/2 QQ ωω 0LL RR aaaa Den første likningen viser at virkningsgraden blir høyere med større magnetisk kobling og godhetsfaktor. Likning for koblingskoeffisienten viser at lenger avstand mellom spolene gir dårligere virkningsgrad. Som konsekvens, ønsker designeren å minimere luftgapet mellom spolene. Men en minste avstand vil måtte opprettholdes av praktiske grunner. For å øke virkningsgraden kan systemet søke å minske resistive tap eller å øke resonansfrekvensen. Førstnevnte blir begrenset av kostnadsrammer. Men å øke frekvens kan føre til økte tap i form av økte resistive tap. Tapene i kraftelektronikkomformeren ved høyere frekvens kan motvirkes ved å bruke ny halvlederteknologi. Nye transistorer basert på bredbåndgaps-halvledere har vist stort potensiale for høy virkningsgrad selv på høye frekvenser [4]. Et viktig punkt for design av slike system er resonansfrekvens. Koblingsfaktoren, og dermed også virkningsgraden, kan forbedres ved å operere med magnetisk resonans. Det vil si at kretsene på hver side av luftgapet har samme resonansfrekvens og vil dermed svinge i takt. Ulempen med et slikt system er at resonansspenningene vil bli mye høyere, og komponentene må dimensjoneres for dette. For høyeffektssystemer kan spennings- og strømnivåene bli av betraktelig størrelse og går etter hvert over til å være dimensjonerende faktorer [5]. 3. FORDELEN AV INDUKTIV LADING OG MULIGE MARKEDSOMRÅDER På generell basis vil ikke trådløs kraftoverføring kunne oppnå samme virkningsgrad som fysisk kobling som ved bruk av ladekabel. Men høye virkningsgrader er mulig. For elektriske biler, har det blitt vist at induktive ladesystemer kan oppnå høyere virkningsgrad enn 90% [6]. De ytterligere tapene ved induktiv lading vil måtte rettferdiggjøres for hver type applikasjon. Det er i hovedsak tre fordeler ved induktiv lading:

4 1. Distribuert lade-anledning for offentlig transport (buss, taxi og trikk) [2]. Med trådløs lading fjernes tiden det tar å koble systemet til laderen, da trådløs lading starter så snart spolene er nærme nok hverandre. Dette er tidsbesparende og utvider dermed ladetiden betydelig. Klattlading kan dermed gjøres på hvert stoppested selv om stoppet kun er i størrelsesorden ett til flere minutter. Dette forminsker nødvendig batterikapasitet og påvirker plass- og investeringsbehov for batteriene om bord i transportmiddelet. 2. Forbedret pålitelighet og/eller sikkerhet forbedres da systemet ikke har bevegelige mekaniske deler. Videre så vil sikkerheten bedres ved at systemene kan full-automatiseres og minsker sjanse for brukerfeil. 3. Brukervennlighet ved systemet øker når oppgaven å plugge enheten til en lader faller bort. For elektriske personbiler vil trådløs lading representere en forenkling eller service for forbrukeren. I de følgende underseksjoner vil mulighetene og konsekvensene for to markeder bli diskutert i større detalj: trådløse ladere for personbilmarkedet og for elektriske ferger. 3.1 Elektriske biler Det er nylig blitt publisert en standard for et trådløst ladesystem for elbiler, SAE J2954 [7]. Systemet er spesifisert med overføringseffekt på 3,7 eller 7,7 kw, med fremtidig planlagte utvidelser til 11 og 22 kw ladeeffekt. Standarden inkluderer overordnet topologi, kommunikasjon og spoledimensjoner. Målet er å øke brukeropplevelsen av elbiler og mane opp til industri-adopsjon av trådløs lading. Som eksempel ser gruppen for seg at brukeren kun behøver å parkere på en plass som er forberedt etter standarden. Dette åpner for lading mens forbruker oppholder seg på for eksempel kjøpesentre. En kvalitativ studie av Toyota [8] gjorde en detaljert studie av hvordan lade-mønsteret forandret seg for to typer bilbrukere når de gikk fra plugg til trådløs lading. Den ene brukeren hadde typisk mange småturer og ladet bilen ofte. Den andre brukeren hadde én lang tur på hverdager til jobb i tillegg til noen småturer i løpet av uken. De to brukerne representerer veldig forskjellige bruksmønstre. Studien avslørte at lademønsteret til begge brukerne gikk mot økt antall ladinger per dag, fra 3,3 til 3,9 gjennomsnittlige ladinger per dag for den første brukeren og fra 1,5 til 2,1 gjennomsnittlige ladinger per dag for den andre brukeren. Begge

5 brukerne hadde en oppstartsperiode hvor parkering av bilen tok lenger tid enn vanlig. Dette fordi bilen må plasseres i forhold til laderen innenfor en viss margin. Begge brukerne lærte etter hvert hvor bilen måtte stå og parkeringstiden normaliserte seg. Konklusjonen og tilbakemeldinger viser at brukerne satte pris på hvor enkelt det nå var å lade med det trådløse systemet. Trådløs lading er også en muliggjørende teknologi for dynamisk lading. I dette konseptet vil transportmiddelet lades mens det er i bevegelse. For eksempel vil større motorveier kunne utstyres med ladeinfrastruktur til fordel for elektrisk varetransport og personbiltrafikk. Slik teknologi vil kunne øke rekkevidden til elektriske kjøretøy. Dog, denne fremtidsvisjonen forutsetter store investeringer i infrastruktur, som sannsynligvis forutsetter en standardisering for at investorene godtar risikoen i et slikt prosjekt. Denne teknologien forutsetter derfor mer forskning og modning. 3.2 Elektriske ferger Lader El-ferje Aker Brygge Nesodden 23 min overfart 10 min 4 min Figur 2: Use case for nytteanalyse av ladeteknologi for elektrisk ferje. Trådløs lading av ferger er allerede blitt visst på prototype-stadiet med opptil 1 MW ytelse [9]. Trådløs lading vil kunne øke ladetiden for ferger som har korte stop ved land. I tillegg vil ladesystemet kunne bygges inn for å beskytte mot et marint klima. Dermed har trådløs lading en verdi i form av nødvendig batterikapasitet og pålitelighet. Derimot, for større skip som skal ligge til kai i en lengre periode så er det lite aktuelt, da tiden det tar å koble til kabelen er neglisjerbar i forhold til ladetiden. Enkel analyse er gjort for å vise fordelen av trådløs lading for fergedrift. Eksempelet ser på en passasjerferje i Oslo som går mellom Aker Brygge og Nesodden, og er vist grafisk i Figur 2. Med utgangspunkt i dagens ruteskjema ble en rutetabell for én elektrisk ferge laget for en hverdagsrute. Rutetabellen legger opp til at fergen gjør så mange krysninger som mulig med de samme avgangstider som i dag. Krysningen på dagtid er

6 oppgitt til 23 minutter mellom første avgang frem til ca. kl I løpet av én time gjør ferjen i gjennomsnitt én tur-retur med 10 minutters venting ved Aker Brygge og 4 minutters venting ved Nesodden. Analysen forutsetter lading kun på Aker Brygge. Antall turer ble variert mellom 8 til 13, noe som representerer drift fra 0530 om morgenen til på ettermiddagen. Induktiv lading gjør det mulig å lade så snart ferga legger til kai. Kablet lading ble modellert ved at ladetiden blir trukket tilsvarende tid det tar å koble til kabelen (1,2 eller 3 minutter). Videre så ble ladeeffekten satt slik at batteriet kan lades fra 0 til 100% i løpet av 8 timer. Denne forutsetningen forsvares ved at et ladesystem burde kunne gjøre en full opplading over natten. I tillegg så varieres batteriets energikapasitet slik at med 100% ladenivå så vil ferga ha akkurat nok batterikapasitet om bord til å kunne gjennomføre det oppgitte antall turer per dag. Forutsetningene om ladeeffekt og batterikapasitet betyr at ladeeffekt og batterikapasitet øker med antall dimensjonerende turer. Batterinivå etter antall turer 40% 30% 20% 10% 0% Dimensjonerende antall turer Trådløst 1 min 2 min 3 min Ingen lading Figur 3: Gjenværende batterinivå for forskjellig ladeteknologi etter use case av elektrisk ferje mellom Nesodden og Aker Brygge i Oslo. Resultatet av analysen er gitt i Figur 3. Y-aksen viser gjenværende batterinivå på slutten av dagen. Uten lademulighet er batteriet helt utladet på slutten av dagen. Analysen viser at induktiv lading gir mest ladetid. Med kablet lading vil noe ladetid forsvinne avhengig av tiden det tar å koble til og fra systemet (1, 2 eller 3 minutter). Dette fører da til mindre batterinivå på slutten av dagen. Ettersom antall dimensjonerende turer går opp, vil ladeeffekten øke (grunnet krav om full opplading over natten). Dette gir ytterligere fordel for trådløst ladesystem over kablet sys-

7 tem. Konklusjonen er at et ladesystem har en stor verdi nesten uavhengig av teknologi. Videre kan det konkluderes at et trådløst ladesystem vil gi ytterligere effektiv ladeeffekt, som øker med ladeeffekt og antall ladinger per dag. Avhengig av hvor lang tid det går å plugge i kabel, samt antall dimensjonerende ladinger, ser det ut til å gi en besparelse i batterikapasitet på 1-10 %. Noe av gevinsten fra trådløs lading kan hentes ut gjennom å installere et 1-10 % mindre batteri. Dette kan omsettes direkte i verdi ved at dimensjonerende batterikapasitet og plassbehov blir mindre. Men dette er en investeringsgevinst som må veies mot økte operasjonskostnader grunnet lavere virkningsgrad. Det er sannsynligvis ikke nok til å forsvare bruken av denne teknologien. Derimot er det tre andre aspekt som kan forsvare bruken av trådløs lading. Hvis batterikapasiteten er lik for kablet og trådløs lading, vil batteriene sykles i mindre grad ved trådløs lading. Dette gir lengre levetid for batteriene og dermed mindre operasjonskostnader. Det andre aspektet er brukervennlighet. Siden systemet er fullautomatisert, skal det gi mindre arbeid til ferjemannskapet. Det kan også tenkes at et plugg-system nødvendiggjør at mannskap bemanner ladesystemet under ilandstigning og at mannskapet har nødvendig opplæring. Dette faller bort ved et trådløst system. Det siste aspektet er pålitelighet. Hvis trådløs lading kan vise til bedre pålitelighet vil mindre virkningsgrad kunne forsvares. Påliteligheten er forventet å være høyere siden et trådløst ladesystem vil kunne skjermes mot saltvannsmiljøet, og dermed ha mindre korrosjon. Til sammen vil disse punktene kunne føre til investering i et trådløst ladesystem over et plugg-basert ladesystem. 4. PÅVIRKNING PÅ KRAFTSYSTEMET Uansett hvilken lademetode som brukes, vil energien i de fleste tilfeller komme fra kraftsystemet i den nærmeste fremtiden. Det er gjort mange undersøkelser relatert til påvirkningen av elektrifisering av transportsektoren på kraftsystemet. I denne artikkelen kommenteres kun påvirkning av et fremtidig skifte fra kablet til trådløs lademetode basert på informasjon og analyse presentert tidligere. Den kvalitative undersøkelsen til Toyota indikerer at, uavhengig av brukergruppe av personbiler så ladefrekvensen øke. Med tanke på hvor store laster elbillading representerer så kan det være fordelaktig at de fordeles over døgnet. Men hvis det er ønsket å flytte denne lasten til

8 kvelden som er en typisk lavlast-tid i Norge, så vil slike system motvirke denne trenden. En større analyse er nødvendig for å kvantifisere dette skiftet. Hvis trådløs lading brukes til klattlading av for eksempel busser i et bymiljø for bedre rekkevidde eller mindre batteripakker, vil dette bety økte sporadiske laster for kraftsystemet. Det samme gjelder for elektriske ferger. Men for ferger så virker det ikke å være avgjørende om trådløs lading brukes. Ved bruk av enhver lademetode vil fergen representere en sporadisk last av betydelig størrelse. Som motvekt til disse mer sporadiske lastene vil lokal energilagring brukes. For større infrastruktur som busser og ferjer vil større bedrifter måtte være ansvarlig for implementering av slike løsninger. For personbilmarkedet, så er energilagring avhengig av fremveksten av mikronett og plusshus med batterilagring for å dekke effekt- eller energibehovet av transportmiddelet. 5. KONKLUSJON Trådløs lading er en teknologi som muliggjør kraftoverføring over et luftgap, og kan være en teknologi for å hjelpe elektrifiseringen av transportsektoren. En kvalitativ undersøkelse viste at personbileierne satte pris på et enklere system for lading enn å måtte plugge inn ladekabelen. Dette førte til økt ladefrekvens. Videre så tillater trådløs lading lenger ladetid for elektriske ferger, som kan gi en ekstra verdi for slike system. Trådløs lading muliggjør klattlading av elektriske transportmiddel og forventes å føre til mer sporadiske laster for kraftsystemet. 6. REFERANSER [1] Norsk elbilforening, Elbilstatistikk, desember [Online]. Available: [Accessed: 13-Feb- 2017]. [2] R. Bosshard and J. W. Kolar, Inductive Power Transfer for Electric Vehicle Charging: Technical challenges and tradeoffs, IEEE Power Electron. Mag., vol. 3, no. 3, pp , Sep [3] J. O. Mur-Miranda et al., Wireless power transfer using weakly coupled magnetostatic resonators, in 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2010, pp [4] O. C. Spro, O. M. Midtgrd, T. Undeland, and G. Guidi, Development of a full bridge GaN HEMT converter for inductive power

9 transfer application, in 2016 IEEE 4th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), 2016, pp [5] G. Guidi and J. A. Suul, Minimizing Converter Requirements of Inductive Power Transfer Systems with Constant Voltage Load and Variable Coupling Conditions, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. PP, no. 99, pp. 1 1, [6] S. Y. R. Hui, W. Zhong, and C. K. Lee, A Critical Review of Recent Progress in Mid-Range Wireless Power Transfer, IEEE Trans. Power Electron., vol. 29, no. 9, pp , Sep [7] SAE International, AE TIR J2954 Wireless Power Transfer for Light-Duty Plug-In/ Electric Vehicles and Alignment Methodology. Mai [8] T. Nakamura, T. Misawa, Y. Futakuchi, and K. Kamichi, Verification Test Results of Wireless Charging System, [9] Wärtsilä, Wärtsilä and Cavotec to develop world s first marine wireless charging and mooring concept, Jan [Online]. Available: [Accessed: 13-Feb-2017].