การชาร์ตพลังงานไฟฟ้าแบบไร้สาย(WPT)ระหว่างที่รถยนต์ไฟฟ้ากำลังเคลื่อนที่ ได้ถูกทำการทดลองที่ Oak Ridge National Laboratory(ORNL) โดยการใช้ Electrochemical Capacitors ติดตั้งที่ Grid Side และที่รถยนต์ไฟฟ้าทำให้สัญญาณไฟฟ้ามีความราบเรียบ ลด Pulsation ด้าน Grid Side ลงไปได้ 81% และ 84%ที่รถยนต์
เทคโนโลยีการชาร์ตพลังงานไฟฟ้าแบบไร้สายมีขึ้นตั้งแต่ปี 1950 ถูกนำมาใช้กับรถยนต์ในงานเหมืองแร่และรถรางเพื่อแก้ปัญหาาการเชื่อมต่อที่แตกต่างกันงานวิจัยชิ้นนี้นำเสนอการชาร์ตพลังงานไฟฟ้าแบบไร้สายในขณะที่รถยนต์ไฟฟ้ากำลังเคลื่อนที่ปัญหาที่พบคือ Couplings power over large gaps อันเกิดจากความสูงระหว่างพื้นถนนและใต้ท้องรถยนต์ ความไม่ได้ตำแหน่งตรงกันของอุปกรณ์ทั้งสองฝั่งซึ่งอาจเกิดการคลาดเคลื่อนได้สูงระหว่างรถยนต์กำลังเคลื่อนที่
ORNL ได้ทำการทดลองโครงการ ORNL’s WPT เพื่อชาร์ตพลังงานไฟฟ้าในขณะที่รถยนต์กำลังวิ่ง ดังแสดงในรูปที่ 1. ในระหว่างที่รถยน์มีการเคลื่อนที่จะทำให้เกิด Power Pulsation เป็นผลมาจาก Coil ติดตั้งอยู่ที่ตัวรถยนต์วิ่งผ่าน Coil ที่ติดตั้งอยู่บนพื้นถนน ส่งผลกระทบต่ออายุของแบตเตอร์รีและคุณภาพของไฟฟ้าของแหล่งจ่าย (Grid Supply) สถาบันวิจัย ORNL ได้แสดงวิธีการที่จะทำให้สัญญาณไฟฟ้ามีความราบเรียบขึ้น โดยทดสอบกับรถยนต์ไฟฟ้าขับผ่าน Coil จำนวน 6 ชุด ติดตั้งบนพื้นถนน กับแหล่งจ่ายกระแสความถี่สูง (High Frequency Current) และติดตั้ง Cabon Ultra Capacitor และ Litium Capacitor กับ Battery Pack ทั้งฝั่ง Grid Side และ ฝั่งรถยนต์ไฟฟ้า ภาพรวมของระบบแสดงในรูปที่ 2
Circular Coil และคุณลักษณะติดตั้งบนพื้นถนนแสดงในรูปที่ 3 และถูกออกแบบให้ทำงานได้ที่ความถี่ 48kHz ระยะห่างระหว่าง Primary Coil บนพื้นถนน และ Secondary Coil(Gap) ติดตั้งที่ตัวรถยนต์ฟ้า มีขนาด 100 มิลลิเมตร เส้นผ่านศูนย์กลางของ Primary Coil ควรจะมีขนาด 4 เท่าของของ Gap หรือประมาณ 400 มิลลิเมตร
WPT ออกแบบจาก High Frequency Inverter แสดงในรูปที่ 2 ประกอบด้วย IGBTs ต่อกันเป็น Full H-Bridge มีค่า rated voltage ที่ 600V ทำงานที่ความถี่ 23 kHz การต่อ IGBT หลายตัวขนานกันทำให้ชุดขับมีขนาดใหญ่ดังนั้นทีมงานจึงเลือก IGBT ที่เป็น Silicon Carbide มาสร้างเป็น Power Converter ดังแสดงในรูปที่ 5 เพื่อทำหน้าที่ปรับเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าและความถี่ตามสมการ (2) นอกจากนี้เพื่อระบายความร้อนจึงใช้การหล่อเย็นด้วยอของเหลว
จากการทดลองกับรถยนต์ไฟฟ้าขณะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 15 ไมล์/ชั่วโมง จะมี Charger Rate เฉลี่ยอยูที่ 1.5kW ทีมวิจัยได้ติดตั้ง High Power Capacitor ชนิด Lithium Capacitor ที่ฝั่ง Primary Coil ดังแสดงในรูปที่ 12 ผลปรากฏว่าระหว่างช่วงที่ขับรถยนต์ไฟฟ้าผ่าน Primary Coil ช่วงสภาวะ Transient ตัวควบคุมจะใช้พลังงานจาก Capacitor ผ่านวงจน dc-dc converter เพื่อทำการชาร์ตไปยัง Secondary Coil ที่ติดตั้งอยู่กับตัวรถยนต์ไฟฟ้า ส่วนช่วงเวลาอื่นๆ วงจร converter จะถูกใช้เพื่อประจุ Lithium Capacitor
รูป 13(a) แสดงแรงดันไฟฟ้าฝั่ง Grid Side ที่ต่อขนาดกับ Lithium Capacitor ขณะที่รถยนต์ไฟฟ้าวิ่งผ่าน Primary Coil รูป 13(b) แสดงกระแสไฟฟ้าจากเหตุการณ์เดียวกัน โดยมี Lithium Capacitor ต่อขนานแบบ passive รูปที่ 14 แสดงแรงดันไฟฟ้า และ กระแสไฟฟ้าโดยมี Lithium Capacitor ต่อขขนานแบบ Active จะเห็นว่า Large Peak Current ทางฝั่ง Grid Side ได้ถูกกำจัดหายไปและด้วยความสามารถของระบบควบคุมจะปรับระดับของกระแสให้เหมาะสมกับโหลดที่จะต้องทำการรีชาร์ต Lithium Capacitor นอกจากนี้ High Frequency Harmonics ที่ฝั่ง Grid Side ก็หายไปเช่นกัน
ตารางที่ 1 แสดงการลดลงของ Current Pulsation โดยที่ Grid Side จะติดตั้ง Lithium Capacitor และ ที่รถยนต์ไฟฟ้าจะทดลอง 2 แบบ ทดลองติดตั้ง Lithium Capacitor และ Carbon Ultra capacitor จากตารางที่ 1 จะเห็นว่าเมื่อยังมิได้ติดตั้ง Smooth Capacitor มี Peak Current เกิดขึ้นที่ Primary Coil สูงถึง 53 A และเกิดอินดักชั่นไปยัง Secondary Coil สูงถึง 16 A แต่เมื่อติดตั้ง Smooth Capacitor แล้ว peak current ที่ primary coil ลดลงมาเป็น 10 A และที่ Secondary Coil ลดลงมาเป็น 2.6 A ซึ่งลดลงมากถึง 81% ทั้งสองฝั่ง
เรียบเรียงจาก
Demonstrating Dynamic Wireless Charging of an Electric Vehicle , The benifit of electrochemical capacitor smoothing, IEEE Power Electronics Magazine, March 2014