Utvecklingsläget för trådlös energiöverföring (IA-HEV task 26)

skrivet av Conny Börjesson (Viktoria Swedish ICT)
Trådlös energiöverföring över ett större luftgap (markfrigången) är en högintressant teknik i ett nästa steg för att öka bekvämligheten vid laddning av elfordon genom att man då inte längre behöver använda en laddsladd.
Arbeten pågår runt om i världen inför en stundande introduktion på marknaden och nedan avspeglar utvecklingsläget.
International Agreement Hybrid and Electric Vehicle (IA-HEV) är en del av arbetet inom International Energy Agency (IEA) där Sverige är representerat av Energimyndigheten. Ett antal arbetsgrupper jobbar med olika frågeställningar och en av flera är task 26.
Task 26 leds av Burak Ozpineci, Electric Drive Technologies Program Manager vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) USA. Initiativtagare till arbetsgruppen är energimyndigheten i USA (Department Of Energy – DOE) och målet med arbetet är att utveckla en större global förståelse för trådlös energiöverföring (Wireless Power Transfer – WPT ) och samverkan genom en fokuserad studie av WPT tekniker som utvecklas i de deltagande länderna
Det senaste arbetsmötet ägde rum den 28 och 29 juni i Rotterdam. Temat var Interoperability & Standards och det kom cirka 20 deltagare från USA och Europa.
Nedan är ett referat av vad som sas och för att få en bra förståelse så läs först gärna tidigare nyhetsbrev där jag skrev om en konferens i Utah USA. 
Referat
Oak Ridge National Laboratory – ORNL
Har fortsatt utveckla sin teknik och når nu en total verkningsgrad på 94% vid 6,6 kW. Nyckeln har varit att klara en mycket hög verkningsgrad 98% i överföringen över luftgapet och åstadkoms genom matchade spolar för att erhålla en stark koppling och resonans. Fortsatta försök görs vid 22 kW men i nuläget har man svårt att bibehålla den höga verkningsgraden vid lägre effektuttag. ORNL använder 22 kHz som systemfrekvens då man strävar efter att uppnå laddeffekter på 100 kW framöver.
Idaho National Lab – INL
Har ett uppdrag från Department Of Energy (DOE) att genomföra en stor mätmatris med kombinationer av master- och referensspolar specificerade av SAE-standarden J2954. Spolarna kommer från Toyota/Witricity, Nissan/Witricity och Daimler/Jaguar/Qualcomm i effektklasserna 3,7 (3,3 vid 210 V AC) kW och 7,4 (6,6) kW i 8 matchade varianter. Primärt kommer verkningsgrad, EM-fält och effektfaktor mätas och då även för kombinationer med olika fabrikat på primär- och sekundärspolen.
Mätdriven standardisering förespråkas av flera deltagare. Först siktas det på att få till den fysikaliska överföringen och senare kommunikationen. Det återstår dock en hel del arbete eftersom dubbelriktad kommunikationen kommer att krävas och mätningarna görs därför med manuell tuning av variabler.
Witricity
Täcker effektområdena 3,7–11 kW med ett utförande på primärspole och tre olika stora sekundärspolar. Total verkningsgrad är 91-94% vid luftgap på 100-250 mm enligt utsaga från Witricity.
Ett intressant förslag som presenterades är att inte detaljspecificera spolarna i standarden och istället ange impedanser vilket ökar frihetsgraden för konstruktörerna hos leverantörerna. I nuläget finns det t.ex. tre olika varianter på geometrier specificerade och fler kommer att tillkomma framöver:

• En cirkulär eller kvadratisk.
• Två rektangulära bredvid varandra eller med överlapp. Kallas allmänt DD p.g.a. utseendet.

Enligt Witricity krävs en tuning på både primär- och sekundärsidan för att uppnå och vidmakthålla den höga verkningsgraden som samtidigt ger tillräcklig robusthet.
Qualcomm
Säger att de har uppnått den egna målsättningen, vilket är en verkningsgrad på mer än 96% i magnetfältet och därmed mer än 90% totalt. Qualcomm, Witricity (och ORNL) talar om matchade spolar vilket de då menar är från samma leverantör.
Två effektnivåer 3,3 kW och 6,6 kW möjliggörs av fyra olika sekundärspolar avsedda för två olika luftgap. DD-geometrin används för primärspolen därför att den skapar ett magnetfält med en utbredning som är gynnsammare på flera sätt. Nackdelen är att den optimala positioneringen av spolarna inbördes blir annorlunda beroende på sekundärspolens geometri. En lösning är Vahles förslag nedan som även är smart vid dynamisk överföring.
Vahle (Paul Vahle GmbH&CO).
Föreslog ytterligare en geometri på primärspolen (quadropole) som input till standardiseringsarbetet, för att uppnå en bättre interoperabilitet med alla nu förekommande sekundärspolar. Man lägger ytterligare en DD-geometri ovanpå och orienterad 90 grader relativt den undre (en ”#harstag”-geometri enligt egen liknelse). Genom att sedan lägga olika kombinationer av polaritet på spolarna vid laddningen kan man anpassa fältet till olika typer av sekundärspolar. Nackdelarna är att det blir mer komplext och känsligare för positioneringen i parkeringsrutan och körfältet, men är i gengäld mer robust för luftgapsvariationer.
Vahle är intresserad av att leverera infrastrukturens framtida primärspolar och lämnar sekundärspolarna åt bilindustrins etablerade leverantörer. Man gör liknelsen med att standardisera ett eluttag som stickkontakter får anpassas till.
SAE
Jesse Schneider hos BMW är ordförande i SAE standardiseringsgrupp och vet vad han vill. Systemfrekvens 85 kHz blir troligen världsstandard för lägre effekter och det krävs ett fortsatt harmoniseringsarbete av exempelvis spolar, verkningsgrad och säkerhet med andra internationella standardiseringsorgan.
Fortsatt arbete kommer att inriktas på 22 kW och en ny effektklass upp till 200 kW men vid en lägre systemfrekvens och två nya placeringar av primärenheten där den yttersta innebär att primärenheten är placerad under markytan vilket ger ca 300 mm max luftgap. I nuläget täcks 100-250 mm av olika klasser i den nyss släppta SAE-standarden.
Studiebesök
Närvarande fick även möjlighet att delta på ett intressant studiebesök i Utrecht. Värd för hela arbetsmötet i Nederländerna var Proov som i ett nära samarbete med teknikleverantören IPT skapar paketlösningar för olika laddbehov.
Vi fick höra en operatörs erfarenheter av en elbusslinje med tre elbussar (Optare) och en induktiv laddplats (Conductix) och därefter åka elbuss till laddplatsen och se när den laddades. Positioneringen vid laddning är kritisk även för erfarna busschaufförer och därför har ett kamerasystem för att guida föraren installerats.
Efter mycket strul har man lärt sig tekniken och planerar nu att byta ut 140 bussar till elbussar. För att optimera drift och underhåll och energieffektivisera har man installerat ett system som hela tiden online mäter ett antal storheter hos de bussar som är i drift via uppkoppling till Internet. Systemet visades och upplevdes ha ett bra användargränssnitt och många kWh har sparats hittills.
Proov är privatfinansierat och leds av en ung dynamisk man med många idéer. En av idéerna som håller på att förverkligas är att medborgare i staden engageras genom att levererar el från sina privata solpaneler till den nyaste laddplatsen (60 kW) som är under pågående installation och där tekniken kommer från IPT.
Betalningen kommer att ske genom billigare bussresor. Nya affärsmöjligheter öppnas med introduktionen av elbusslinjer. Ett framtidsscenario som nämndes är att el kommer att vara såpass billig att överskott kan användas till elbusslinjer där bussbolagen kan ta betalt för att använda elen som förbrukare!?
IPT som idag är fristående har vidareutvecklat sin teknik och har nu övergett den tidigare lösningen med att sänka sekundärspolen för att istället använda en fast monterad med överföring över större luftgap. Tekniken används även i den nyss startade demon (inom EU-projektZeEUS) i London med dubbeldäckarbuss där det inte finns plats för ett stort batteri. Laddeffekten har också ökats till 100 kW från tidigare installationer på 60 kW. Preliminära resultat är att positioneringen vid laddning och förarens körstil har stor påverkan på erhållen laddningsmängd och förbrukning även vid genomgången förarutbildning.
Totalt återstår nu två arbetsmöten innan avslutning och summering våren 2017. Nästa arbetsmöte kommer att vara hos ORNL i Knoxville USA och avhandlar safety conclusions.
Slutkommentarer
OEM:er och systemleverantörer har bråttom att färdigställa kompletta serie-lösningar för hemmaladdning utan sladd och driver därför standardiserings-arbetet inom SAE till att bli färdigt inför kommande lanseringar 2018.
Standarden kommer att framöver påverkas av ny kunskap från semidynamisk och dynamisk laddning (laddning vid körning) vid höga effekter. I september är det kick-off för tunga fordon inom SAE-standardiseringen.
Qualcomm och Witricity trycker på vikten av matchade spolar för att nå den höga verkningsgraden, vilket fungerar på garageuppfarter med ”samma” leverantör av primär- och sekundärspolen.
En annan bransch representerade av företagen IPT, Vahle och SEW fokuserar på primärsidan. De har mångårig kompetens från industriapplikationer och lämnar sekundärsidan åt leverantörer till OEM.
Systemen är fortfarande känsliga för positionering och luftgapsvariationer och föraren behöver därför guidning av hjälpsystem för positionering.
Mitt inlägg på mötet var att robusthet avseende positioneringen är fundamental för användarna. Man skall initialt kunna parkera som vanligt inom parkeringsrutan (utan guidning), innan automatiska parkeringssystem är införda och tar över.
Det återstår en hel del standardiseringsarbete kring den dubbelriktade kommunikationen som kommer att krävas för att bl.a. bibehålla en hög verkningsgrad under hela laddningsförloppet samt automatisk laddning