Uppladdning av elcykel - Chalmers tekniska högskola

FörordDetta kandidatarbete omfattar 15 högskolepoäng och utfördes på institutionenför energi och miljö på Chalmers tekniska högskola. Examensarbetet har varitmycket intressant att utföra och vi anser att konceptet med trådlös laddning harstor potential inom flera användningsområden. Vidare verkar forskargrupper runtom i världen återigen anammat tekniken och det torde dyka upp flerakommersiella produkter inom snar framtid.Vi vill även passa på att tack vår examinator Sonja Lundmark samt handledareRobert Karlsson för goda råd och synpunkter.

SammanfattningÅteruppladdning av hemelektronik såsom till exempel mp3-spelare, mobiltelefonersamt hushållsapparatur sker traditionellt med en trådburen transformator.Detsamma gäller för eldrivna fordon så som elbilen och elcykeln vilka idagsläget ökar i popularitet. Utgående från elcykeln så skulle ett ökat användandeleda till större behov av laddningsmöjlighet. Detta skulle i sin tur medför enviss problematik med kabelhärvor i gemensamma cykelutrymmen då laddningeni dagsläget sker trådburet. Utöver detta så finns det även en potentiell risk föratt användaren skadar sig själv, eller elektroniken på elcykeln då den i många fallstår utomhus i väta. Dessa problem skulle kunna elimineras med hjälp av trådlösenergiöverföring där all elektronik kan inneslutas i isolerande plasthölje. Utgåendefrån detta scenario har möjligheten att överföra energi trådlöst via en induktionskopplingundersökts. Med hjälp av en nätdriven sändarkomponent och annantillhörande passiv elektronik har en resonanskrets konstruerats. Resonanskretsensuppgift är att möjliggöra maximalt strömflöde genom induktionskopplingen samtatt minska dess förluster. Detta i syfte att ladda ett batteri som en elcykel ärbestyckad med. Prototypen av det trådlösa laddningssystemet visade sig kunnaleverera en ström genom batteriet på 0.814 A med en verkningsgrad på 77 %.AbstractHome electronics, such as MP3-players, mobile phones and kitchen appliances,are often recharged with a transformer that is connected to the power grid by acord. This is also true for electrically-driven vehicles, such as the electric cars andbikes that are gaining popularity. A growing number of bike users will create agreater demand for public bicycle parking areas with electrical recharge facilities.Using the traditional recharging approach of wired cables will prove problematicin high-use settings, as bikes and bikers are snarled in a mess of cables. In addition,since public bicycle areas are often located outdoors, users can be exposedto electrical shortage hazards in wet weather conditions. This scenario could beavoided with the use of wireless power transmission, whereby cables are excludedfrom the recharging process. With this goal in mind, a prototype which is basedon the principles of induction has been constructed to effect wireless power transmission.The prototype employs an electronic transmitter with some other passivecomponents to build a resonant induction coupling. This resonant circuit permitsmaximum current flow through the induction coupling, where high power is demandedon the receiving side. A battery substitute was chosen for the purpose,where as the prototype successfully deliver a total current of 0.814 A to the load.The resulting power efficiency was calculated at 77 %.

3.1 Tekniska överföringslösningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.1.1 Resonant induktionskoppling . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.1.2 Mikrovågor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2 Realisering av en prototyp för trådlös laddning . . . . . . . . . . . 183.2.1 Konceptuell bild av det trådlösa laddningssystemet sombaseras på en resonant induktionskoppling . . . . . . . . . 183.2.2 Konstruktion av prototyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.3 Mätning och beräkning av mätvärden . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Resultat 305 Diskussion 31Appendix A: Apparatförteckning 35Appendix B: Inventarielista 36Appendix C: Matlab© -beräkningar 37

1 Inledning1.1 BakgrundFöljande kapitel ger grundläggande bild av elcykeln som transportfordon. Föroch nackdelar med brukandet av elcykeln och dess eldrift förklaras i kapitel 1.1.1& 1.1.2 i syfte att exemplifiera vardagliga situationer som kan uppstå.Kapitel 1.1.3 beskriver vilka fördelar som möjligheten att ladda elcykeln trådlöstinbringar. Relevanta frågeställningar tas upp ur ett ekonomiskt perspektiv samtur användarsynpunkt.1.1.1 Elcykeln som transportmedelElcykeln kan ses som en naturlig utveckling av den traditionella trampcykeln därtanken är att elcykeln ska komplettera den konventionella cykeln med en elmotor.Elmotorn bidrar vidare med en framdrift när arbetsbelastningen ökar på trampornavilket vanligtvis sker i en uppförsbacke. För att särskilja elcykeln från ettmotorburet fordon som till exempelvis en moped, så får ej motorns nettoeffektöverstiga 250 Watt, utöver detta så måste även cykelpedalerna gå runt då framdriftenär aktiv. Ett annat kriterium är att framdriften inte får tillföra någotkraftöverskott vid hastigheter över 25km / h. (Vägverket. 2008)Elcykeln är naturligtvis dyrare än en konventionell cykel på grund av elmotornoch batteripaketet. Det som framförallt håller uppe priset är batteriet med dessmiljöavgifter. Det senaste inom batteritekniken är Nickel Metall-Hydrid-batteriersom inte innehåller några miljöfarliga ämnen så som kvicksilver, kadmium ellerbly vilket gör att batteriet inte är belagt med någon miljöavgift. Dessa batterierär dock fortfarande mycket dyra i inköp och flera elcyklar är fortfarande utrustademed blyackumulatorer. En elcykel bestyckad med blyackumulator går i dagslägetatt köpa för cirka 6000 kr medan en med Litiumjon-batteri kostar runt 10.000 kr.Dock så är det sällsynt att elcyklar är bestyckade med batterier av typen NickelMetall-Hydrid. Som för konventionella cyklar finns det modeller i alla prisklasseroch de prisklasser som nämnts är i nedre skalan. Allmänt tar det cirka 6-8 timmaratt ladda batteriet och på fulladdat batteri går det att åka någonstans mellan 25och 45 kilometer lite beroende på batterityp. Grovt räknat på elförbrukningenför uppladdning ger detta en milkostnad på cirka 20 öre per mil.1

Utöver de tekniska fördelarna så finns det andra skäl till att elcykeln har förutsättningaratt slå igenom på marknaden ur ett samhällsperspektiv. Det är inteorimligt att en del av Sveriges befolkning drar sig från att använda cykeln somtransportmedel till arbetet enbart på grund av terrängen. En uppförsbacke efteren lång arbetsdag är exempelvis ett avskräckande exempel.Om cykeln i scenariot ovan varit utrustad med en elmotor så hade säkerligenpremisserna varit annorlunda. Det kanske till och med är så att cykeln utrustadmed elmotor hade blivit det givna transportalternativet till arbetet i detta falldär tonvikten istället läggs på fördelarna av att få frisk luft, slippa bilköer samtuppleva välmående som ett resultat av motionen som erhålls.1.1.2 Eldriftens fördelarEn elmotor har betydligt högre verkningsgrad än en förbränningsmotor.Elmotorn omvandlar cirka 90 % av den elektriska energin till mekanisk energimedan förbränningsmotorn endast klarar att omvandla runt 15 % av bensinensenergiinnehåll till rörelseenergi (Kommunikationsforskningsberedningen, 2000).Dessa värden är dock inte absoluta i någon mening om hänsyn tas tillenergiåtgången som krävs för att framställa elektrisk energi. För att jämförelsenskall bli rättvis måste alla led från framställning av energikällan till levereradmekanisk energi på hjulen beaktas. Om electriciteten framställs i ett moderntgaseldat kombikraftverk beräknas 31 % av naturgasens energiinnehåll kommadet eldrivna fordonets hjul tillgodo. För ett fordon drivet av förbränningsmotorberäknas endast 13 % av råoljans energiinnehåll komma fordonets hjul tillgodo.I denna jämförelse går att utläsa att ett eldrivet fordon är cirka 2 1/2 gånger såeffektivt som ett bensindrivet.Vetskapen om elmotorns fördelar gentemot förbränningsmotorn har funnits länge.Problemet har dock varit, och är delvis fortfarande, lagringen av elektrisk energiför att försörja motorn med ström. Batterier har varit stora och klumpiga ochmånga gånger innehållit starkt miljöfarliga ämnen. Under det senaste decenniethar utvecklingen tagit ett stort steg framåt i att tillverka miljövänligare, mindreoch framförallt energieffektivare batterier. Den nya generationens batterier gårrelativt snabbt att ladda och saknar ”minne” vilket var ett problem med tidigarebatterier. Batteriets så kallade minnesfunktion innebär att om batteriet inte ärhelt tömt vid laddningstillfället så går det vid användande endast att utnyttjaenergin till och med den gränsen. På det sättet minskas batteriets kapacitetsuccessivt.2

1.1.3 Framtiden för elcykeln och trådlös laddningur ett samhällsperspektivEn drivande förutsättning för att marknaden av miljövänliga fordon skaexpandera är, utöver människans vilja att minska utsläppen, att fordonet i sigska vara lätt att bruka. En sak som talar emot elektriskt laddningsbara fordoneller vilken elektriskt laddningsbar apparat som helst är att det alltid ingår ettmoment, vilket är att personen i fråga måste komma ihåg att sätta i samt dra urelkontakten.Detta kan till synes vara en trivial detalj men för att dra en parallell med ettsnarlikt fordon som elbilen där till exempel ägaren glömmer av att sätta bilen iladdningsfas kvällen innan arbetet så kommer personen i fråga eventuellt att fåproblem att ta sig till arbetet nästvarande dag. I dagsläget har dockelektriskt drivna fordon oftast ett alternativt drivmedel som bensin i en hybridbileller människans fysiska arbete på en elcykel, men i slutändan blir det ett slöseripå resurser om inte elfunktionaliteten används till fullo. En annan situation somskulle kunna uppstå är att personen i fråga glömmer bort att koppla ur elkontaktenmed tillhörande kabel vilket skulle kunna resultera i att laddningsutrustningeneller fordonet i sig går sönder, vilket i sin tur leder till oönskadekostnader.Med trådlös laddningsmöjlighet skulle dessa problem kunna undvikas. Beroendepå lösningsmetod skulle det kunna räcka med att parkera fordonet på eller inviden viss laddningsstation där laddningen startar automatiskt efter att fordonetparkerats. Laddningen av batteriet avbryts således även automatisk när batterietär fulladdat eller när bilen/cykeln åter igen lämnar parkeringsytan. På detta vis såfinns det inte någon påtaglig risk för materiella skador då laddningen av batteriethar skett trådlöst. Trådlös laddning av det här slaget underlättar därmed densedvanliga laddningsproceduren avsevärt vilket kan vara skäl nog för bekvämamänniskor att välja ett eldrivet hybridfordon istället för ett som drivs av enbartfossilt bränsle. Med en sådan lösning skulle det till och med bli smidigare attanvända sig av ett eldrivet fordon än ett drivet av endast fossila bränslen. Detkan tänkas att någon vars primära tanke inte är av miljöhänseende ändå skullevälja ett sådant fordon just på grund av enkelheten och kanske till och med varavillig att betala extra för det. Flertalet städer i Sverige har i dagsläget satsat påen infrastruktur för vad det gäller cykel och med dagens högkvalitativa cyklaroch södra sveriges milda vintrar kan man i stort sett cykla året runt. Numerafinns även dubbdäck att köpa till cykeln.3

aktörers investeringar. Med privata aktörers stora vinstintresse i fokus så vill deförst se att folk köper eldrivna fordon innan stora investeringar i laddningsstationerkommer på tal.Koldioxutsläppen skulle kunna minskas om fler personer tog cykeln istället förbilen som går på fossilt bränsle. I samband med detta så skulle även eventuellapartikelutsläpp i storstäder kunna reduceras samt att belastningen på vägarnaminskas.Ur ovan nämnda anledningar är det därför intressant att undersöka möjligheternai att ladda ett batteri trådlåst, både ur ett teoretiskt samt praktiskt perspektiv.1.1.4 Fördelar med induktiv- gentemot konduktiv laddning 1I dagsläget finns det ett antal apparater i hushållet som använder sig av trådlösladdning med hjälp av induktion där ett vanligt förekommande föremål är denelektriska tandborsten. I eltandborstens fall så finns det en orsak utöver detpraktiska att laddningen sker trådlöst. Det är på grund av att tandborstenanvänds i mycket väta och ska gå att skölja av efter användning som det ären stor fördel att elektroniken är inbyggd i ett skyddande vattentätt hölje. Medinduktion kan energi överföras trots att det är ett isolerande lager plast ellerdylikt mellan kontaktytorna. En liknande fördel med inbyggd skyddad elektronikkan även ses vid laddning av en elcykel då cykeln ofta får utstå regn och rusk. Attkapsla in elektroniken på detta sätt ger en säkrare och hållbarare produkt. Dettagäller speciellt i nordliga breddgrader där vägarna saltas flitigt och det är viktigtatt elektroniken inte kommer i kontakt med saltvatten som leder ström vilket kanresultera i en kortslutning. En annan aspekt är personsäkerheten då risken attkomma åt spänningsförande delar blir obefintlig på grund av det isolerandeplasthöljet.1 Anslutning via sladd.5

1.2 SyfteSyftet med projektet är att ta fram en prototyp för trådlös laddning av elcykelmed tillhörande batteri. Tonvikten i konstruktionsmomentet ligger i attkonstruera en kompakt laddningsannordning med hög verkningsgrad. Metod attuppnå detta kommer vara en resonant induktionskoppling med tillhörandeelektronik.1.3 MetodEn prototyp för trådlös laddning av elcykeln kommer att konstrueras frångrunden med hjälp av aktiva samt passiva komponenter. När väl denna prototypär klar kommer förluster som uppstår under pågående laddning att observerasoch analyseras. Dessa förluster bör hållas på en minimal nivå då en hög verkningsgradeftersträvas. Det batteri som ingår i laddningsprocessen består av tvåstycken seriekopplade 12 V blyackumulatorer. De två seriekopplade batteriernafungerar vidare som ett substitut för det batteri som elcykeln är bestyckad med.Batteriutbytet påverkar dock inte funktionaliteten för den konstrueradeprototypen på något vis.1.4 AvgränsningarDen slutgiltiga, fungerande prototypen för trådlös laddning kommer ej att genomgånågra praktiska eller kosmetiska förändringar för att underlätta eller möjliggöraen eventuell montering av mottagardelen på elcykeln. Sändardelen kommervidare inte heller att isoleras eller genomgå några förändringar vilket betyder attsändardelen inte kommer att efterlikna en färdig kommersiell produkt, trots atttekniken fungerar.En förutsättning som är nödvändig för att själva konceptet trådlös laddning avelcyklar ska slå igenom på marknaden är att det behövs en gemensam modell fördebitering. Ett system för att debitera varje enskild individs elektricitetsförbrukningär dock inget som vi har tid eller resurser till utan det skulle i sintur bli en senare fråga.Några praktiska experiment med energiöveröring via mikrovågor kommer ej attgöras. Detta överföringskoncept kommer enbart att genomgås ytligt.6

2 TeoriFöljande kapitel ger en mer detaljerad beskrivning av de fysikaliska fenomen somuppstår i det tillämpningsområde som är aktuellt. Detta i syfte att dels ge läsarenen större teoretisk inblick i materialet och dels för att motivera metodiken somingår i konstruktionsprocessen.2.1 MagnetismElementarpartiklar så som till exempel elektroner och protoner har ett magnetisktmoment som kallas spinn, vilket kan ha positiv eller negativ riktning. Spinn är ettslags rörelsemängdsmoment en partikel har utöver sitt banrörelsemängdsmomentoch benämns ofta som en partikels frihetsgrad. I en atom tar elementarpartiklarnasbidrag till spinnet ofta ut varandra men de kan även samverka varvid spinnetsummeras och atomen i sig erhåller ett visst värde på spinn. På samma sätterhåller molekyler i sammansatta material ett visst värde på spinn då atomernasspinn samverkar. Detta leder till att materialet erhåller magnetiska egenskaper,antingen i form av att materialet kan magnetiseras eller att det uppträder somen permanentmagnet. Magnetiska material brukar därför klassificeras i just dessatvå huvudkategorier, det vill säga material som blir magnetiska när de utsätts förett yttre magnetfält samt de permanentmagnetiska. (J. Jewett, R. Serway, 2004)Vidare så beskriver magnetismen hur ett laddat material påverkar ett eller fleraladdade material i dess omgivning. Påverkan i dess mening, manifesterar sig somen kraft där storlek och riktning varierar beroende på materialets magnetiskaegenskaper samt om materialet i sig är positivt eller negativt laddat. Mer ingåendeså har de mindre beståndsdelarna i materialet ett magnetiskt moment. Dettamagnetiska moment kan som tidigare nämnts, ha olika storlek samt två olikariktningar vilka är attraherande samt repulsiva. Samverkan som sker mellanrespektive beståndsdel ger upphov till materialets magnetiska egenskaper.Ett material som besitter påtagliga magnetiska egenskaper är järn, vilketvidare är ferromagnetiskt, men ej permanentmagnetiskt. Att ett material är ferromagnetisktinnebär kortfattat att de beståndsdelarna som utgör den magnetiskakraften i materialet kan samverka i parallell riktning.7

2.2 InduktionOm en elektrisk ström i 1 , flyter genom en sluten slinga 2 med antalet varv N 1 samten godtycklig ytarea a 1 så ger detta upphov till en magnetisk flödestäthet, B 1 i detmagnetiska fältet. Den magnetiska flödestätheten resulterar i ett magnetiskt flödeΦ 1 vilket går genom slingan. Självinduktansen, L är vidare förhållandet mellandet magnetiska flödet, Φ 1 och strömmen i 1 (Cheng, D. 1992). Självinduktansenkan därmed uttryckas enligtL 1 = N 1Φ 1i 1(1)Detta gäller för vilken godtycklig spole som helst. Om fallet ovan utökas meden sekundär slinga med antalet varv, N 2 samt en ytarea a 2 så erhålls följandesamband; En ström, i 1 som passerar i den primära slingan kommer att ge upphovtill ett magnetiskt flöde, Φ 1 , i den primära sligan, orsakat av B 1 . En del av flödet,Φ 1 kommer då att länkas med den sekundära slingan (Cheng, D. 1992). Dettaömsesidiga magnetiska flöde, Φ 12 kan vidare uttryckas enligt∫Φ 12 = B 1 · ds 2a 2(2)Enligt Biot-Savarts lag så är B 1 i proportion till i 1 i den primära slingan. Dettager att även Φ 12 är i proportion till i 1 enligt (Cheng, D. 1992). Detta gerproportionalitetskonstanten, L 12 , som även benämns som den ömsesidiga induktansenmellan den primära och den sekundära slingan. Den ömsesidiga induktansen,L 12 definieras vidare enligt̷L 12 = NΦ 12i 1(3)Då sambandet är ömsesidigt så gäller det även att L 12 = L 21 . Detta ger detlänkade flödet mellan den primära respektive sekundära slingan samt dess inverkanpå varandra enligtsamtN 1 Φ 1 = (L 11 i 1 ) + (L 12 i 2 ) (4)2 Denna slinga kan betraktas som en spole.N 2 Φ 2 = (L 21 i 1 ) + (L 22 i 2 ) (5)8

2.3 Reaktiv effektReaktiv effekt är ett fenomen som uppstår i växelspänningssystem dåkomponenterna i kretsen innehar frekvensberoende egenskaper. Detta medför attdet inte längre räcker att beskriva effekt, P effekt , enligtP effekt = UI (6)där U är spänningen över komponenten samt I strömmen genom komponenten.För ett växelspänningssystem är det därför nödvändigt att särskilja på skenbar-,aktiv- samt reaktiv effekt vilka betecknas, S effekt , P effekt och Q effekt . Aktiv effekt ärden effekt i ett system som kan uträtta något arbete medan den reaktiva effektenär ett mått på den momentana effekt som förbrukas på grund av energilagrandekomponenter som är av kapacitiv eller induktiv karaktär. Reaktiv effekt påvisaräven fasförskjutningen mellan strömmen och spänningen i kretsen. Skenbar effektär en sammanställning av båda dessa effekter och ger ett mått på den faktiskaeffekt som en produkt tål eller drar från elnätet. Den skenbara effekten kan vidareuttryckas enligtS effekt =√P 2 effekt + Q2 effekt(7)Den reaktiva effekten bidrar inte till någon nettoenergiöverföring men ändåbelastar den nätet som om den gjorde det. Detta är på grund av att reaktivakomponenter har en momentan energiförbrukning men nettoförbrukningen överlängre tid är noll. I ett växelspänningssystem varierar spänningar och strömmarsinusformigt vilket gör att att induktiva och kapacitiva komponenter växelvislagrar och laddar ur energi. Reaktiv effekt skapad av induktiva komponenterdefineras som positiv, då de antas förbruka reaktiv effekt medan den skapad avkapacitiva komponenter defineras som negativ, då de antas producera reaktiveffekt (Bird, J. 2003).2.4 Skineffekt (strömförträngning)Då en likström flyter genom en ledare fördelar sig strömmen jämnt över heladess tvärsnittsarea. Då det däremot flyter växelström genom ledaren tenderarströmmen att i större grad koncentreras till dess yta, detta kallas skineffekt. Dåväxelström flyter genom en ledare skapas en magnetisk flödestäthet, B, vilketvisar sig i form av koncentriska cirklar. Denna magnetiska flödestäthet ger vidareupphov till ett magnetiskt flöde, Φ. En del av det magnetiska flödet existerar äveninuti ledaren och ger där upphov till virvelströmmar. Vidare koncentreras dessa9

virvelströmmar till ledarens mitt på grund av större antal magnetiska flödeslänkarsom befinner sig där. För en mer grundläggande beskrivning om induktans, sekapitel 2.2. Resultatet blir att induktansen är mycket större i ledarens centrumän vid dess yta. Skineffekt är ett fenomen som framförallt uppstår då spänningengenom ledaren har hög frekvens. Detta beror på att induktiva delen i reaktansen,X L , ökar enligtX L = ωL = 2πfL (8)där f är frekvensen samt L är induktansen för den induktiva komponenten (Bird,J. 2003). Vid hög frekvens på spänningen har ledaren mycket större strömdensitetvid ytan än i dess kärna, det vill säga i stort sett all ström flyter vid ytan avledaren. På så sätt reduceras arean som strömmen kan utnyttja genom ledaren ochresistansen ökar därmed. Kablar avsedda för mycket högfrekventa spänningar görsjust på grund av detta, ihåliga, då kärnan i ledaren i stort sett ändå inte utnyttjasför strömtransport. Ett annat sätt att avhjälpa problemet är att använda såkallad litztråd, vilket oftast är fallet i högfrekventa induktionskopplingar. För endetaljerad beskrivning av litztråd, se kapitel 2.5.2.5 LitztrådLitztråd består av ett stort antal tunna ömsesidigt lackisolerade kardeler. Kardelernaär i sin tur tvinnade i ett bestämt mönster för att på så sätt jämna utmagnetfältets påverkan på respektive ledare och få ett jämnt flöde av strömmen.På grund av att arean ökar med r 2 och omkretsen med r så kommer ytan somströmmen i kan gå i öka, med minskad resistans som följd. Med radien r i dettafall avses radien på respektive kardel. Detta är trots att dess sammanlagda areablir något mindre än på en homogen tråd. Tjockleken på kardelerna i litztrådenväljs så att de överrensstämmer med inträngningsdjupet, som vidare bestämsav frekvensen. På detta sätt elimineras kopparförlusterna som uppstår i lindningarnasom ej används för strömtransport. Litztråd lämpar sig därför att lindatransformatorspolar med, speciellt i högfrekventa sammanhang där litztråden äröverlägsen en homogen tråd i frekvensområdet mellan 10 kHz och 3 MHz.10

2.6 ResonansEn spole bildar tillsammans med en kondensator en svängningskrets 3 . Dennasvängningskrets har en resonansfrekvens, f 0 det vill säga en frekvens därreaktansen för spolen och kondensatorn är lika stora. Eftersom spolen och kondensatornväxelvis lagrar och ger ifrån sig energi så kommer den sammanlagdaimpedansen, vid just denna frekvens att bli så låg som möjligt vid seriekoppling,och som högst vid parallellkoppling. Resonansfrekvensen, f 0 , för en krets bestämsavf 0 =12π √ LC(9)där L samt C är induktansen samt kapacitansen för respektive komponent (Bird,J. 2003). För att bland annat göra en induktionskoppling mer effektiv användsvanligvis detta faktum och strömmen överförs med resonant induktion. En fördelmed den lösningen är att det inte uppstår något elektromagnetiskt fält, som detskulle göra om man använde vanlig induktion. Vanlig induktion används i transformatoreroch för kontaktlös uppladdning av eltandborstar. Eftersom resonantinduktion inte alstrar något elektromagnetiskt fält elimineras risken för störningarpå annan elektronisk utrustning. Det är bara alldeles intill sändare ochmottagare, på några millimeters håll, som det uppstår ett fält.2.7 Q-värdeQ-värde kallas även godhetstal, där Q kommer från den engelska termen”Quality” och är ett enhetslöst mått på en resonant utrustning så som en RLCkrets.I en RLC-krets växelverkar en induktans och en kapacitans genom attcykliskt lagra respektive ge ifrån sig energi. En induktans lagrar energi i sittmagnetfält för att i nästa cykel överföra den till kapacitansens elektriska fältoch sedan åter tillbaka till induktansens magnetiska fält och så vidare. På grundav att de induktiva respektive kapacitiva komponenterna i kretsen förser varandramed energi på detta sätt så behöver spänningskällan idealt sätt inte försekomponenterna med någon extra energi. I praktiken går dock en viss del energitill spillo under varje cykel på grund av komponenternas resistans (Bird, J. 2003).3 Se även kapitel 2.7 om Q-värde.11

Enligt ovanstående resonemang definieras Q-värdet vid resonans somQ = 2π( )Maximalt lagrad energiEnergiförlust per cykel(10)där energiförlusten per cykel är medeleffektförlusten multiplicerat med periodtidenT . Om då T = 1/f 0 så kan (10) uttryckas enligt( )Maximalt lagrad energiQ = 2πf 0Medeleffektförlust(11)Enligt (Bird, J. 2003) definieras Q-värdet för en reaktiv komponent som antingenär kapacitativ eller induktiv enligt följandeQ induktiv = ω 0LR(12)för en induktiv komponent samtQ kapacitativ = 1ω 0 CR(13)för en kapacitativ komponent. I detta fall är ω 0 = 2πf 0 där f 0 är resonansfrekvensenenligt (9). När det talas om Q-värde i RLC-kretsar är det så gott somalltid vid resonans detta gäller. Mängden energi lagrad i en RLC-krets vidresonans är konstant. När spänningen över kapacitansen är maximal är strömmengenom induktansen noll och vice versa. Detta samband kan uttryckas enligt12 LI2 max = 1 2 CV 2 max (14)vilket betyder att (12) motsvarar (13) vid resonans. Detta ger oss det allmänauttrycket för Q-värdet enligtQ = 1 R√LC(15)där R, L samt C är resistansen, induktansen samt kapacitansen för den aktuellaRLC-kretsen. Enligt (Bird, J. 2003) kan även Q-värdet vid resonans uttryckasenligtQ = V lV s= V cV s(16)12

där V l , V c samt V s är spänningen över induktansen, kondensatorn samt spänningskällan.Spänningen V l och V c kan vara mycket större än kretsens spänningsförsörjningV s och ett Q-värde vid resonans kan ha ett värde på flera hundra. Avden anledningen kallas ofta Q-värdet för kretsens förstärkningsfaktor och utgörett värde på hur många gånger större V l eller V c är än strömförsörjningen.2.8 Transformatorn och dess behäftade förlusterEn transformator och en induktionskoppling är i princip samma sak. Oftast hardock induktionskopplingen ingen upp- eller nedtransformering av spänningen vidöverföringen, utan överföringen sker med spänningsförhållandet 1:1. En annanskillnad är att det finns ett isolerande material mellan järnkärnorna vid eninduktionskoppling. Det isolerande materialet ökar luftgapet mellan järnkärnornavilket leder till större läckinduktans. För att undvika stora förluster via luftgapetkan frekvensen på spänningskällan ökas. Valet av lämplig frekvens blir enavvägning beroende på de passiva komponenter som ingår i kretsen, detta dåkomponenterna i fråga innehar ett frekvensberoende. En ökad frekvens i kretsenleder dock till andra fenomen, så som ökad resistans i lindningarna på grund avså kallad ”skineffekt”. Större resistans i lindningarna är en oönskad konsekvensav högre frekvens då det leder till ökad värmeutveckling i lindningarna och riskför att det isolerande materialet runt dessa smälter, med kortslutning som följd.Det finns en rad förluster som sker i transformator som beror på olika faktorervilka kommer att redogöras för i kapitel 2.8.1-4.2.8.1 HysteresHysteres resulterar i en förlust av energi vilket yttrar sig i uppvärmning av detmagnetiska material som används. Med magnetiskt material så avses transformatorkärnan.För varje tillfälle det magnetiska fältet ändrar riktning så går enliten del energi till spillo på grund av hysteres i kärnan. Då ett primärtomagnetiserat ferromagnetiskt material utsätts för varierande magnetisk fältstyrkaH, så kommer flödesdensiteten B i materialet att variera enligt figur 1 nedan.13

Figur 1: Magnetisk hysteres som visar sambandet mellan H och B.Hysteresförlusten i ett givet material är proportionell mot frekvensen samt enfunktion av den maximala flödestäthet den utsätts för. När energiförluster itransformatorer beaktas är det arean under hystereskurvan som ger ett mått påförlustens omfattning. Det är därför av intresse att undersöka kurvans utseende.2.8.2 Resistans i lindningarnaBeroende av lindningens material, vilket oftast är koppar, area samt uppbyggnad 4så kommer strömmens flöde genom ledaren att variera på grund av resistansensstorlek. Stor resistans ger upphov till förluster i form av oönskad värmeutvecklingi lindningarna vilket även kan skada dess isolering. Om till exempel R 1 och R 2är den primära och sekundära lindningens resistans så är transformatorns totalakopparförlustdär I 1 samt I 2 är strömmen i respektive slinga.(R 1 I 2 1) + (R 2 I 2 2) (17)2.8.3 VirvelströmmarDå växelström drivs genom en spole lindad runt en ferromagnetisk kärnakommer ett varierande magnetiskt flöde att skapas i kärnan. Detta flöde inducerarförutom det önskvärda elektromagnetiska fältet en oönskad spänningi kärnan. Det inducerade elektromagnetiska fälten skapar cirkulerande strömmari kärnan vilka benämns som virvelströmmar. Då kärnan har relativt låg resistanskan virvelströmmarna anta betydande storlek och resultera i stora effektförlustersamt värmeutveckling i kärnan. En vanlig metod att reducera virvelströmmar är4 Exempelvis homogen- eller litztråd.14

att laminera järnkärnan, där järnkärnan splittas upp i mycket tunna lager varvidde återfogas ihop med ett bindande isolerande material mellan respektive lager.2.8.4 Mekaniska förlusterI transformatorns kärnor skapas ett varierande magnetiskt fält på grund avväxelströmmen som flödar genom kopparlindningarna. Detta magnetiska fältorsakar en varierande elektromagnetisk kraft mellan den primära och sekundäralindningen vilket i sin tur kan leda till vibrationer mellan järnkärnorna. Det ärdessa vibrationer som kan uppfattas som ett surrande ljud utanför till exempelen transformatorstation. Dessa vibrationer leder till viss energiförlust.2.9 MikrovågorMikrovågor definieras som elektromagnetiska vågor som ligger i det övre frekvensbandetdär våglängden, λ är mycket kort. Detta frekvensband startar i en ostriktmening kring 300 MHz och slutar vid det lägre IR-bandet som startar vid 300GHz. Mikrovågor har tillämpats sedan 1940-talet där bland annat mikrovågoranvändes flitigt för telekommunikation under andra världskriget. I dagslägettillämpas mikrovågor inom en stor mängd användningsområden vilket inkluderarallt ifrån satellitkommunikation, meteorologi, medicinteknik, radar & navigation,mobiltelefoni men även inom effektöverföringssammanhang. En vanligtförekommande hushållsapparat inom det sistnämnda området är mikrovågsugnen.Den främsta fördelen med mikrovågsteknik är det går att bestämma riktning avenergipaketen med hjälp av antennteori (Andreasson, K. 1984).15

3 Prototyp för trådlös laddningI kapitel 3.1 & 3.1.1-2 så kommer två tekniska överföringslösningar som är aktuellaatt behandlas ytligt. Dessa överföringslösningar baseras antingen på en resonantinduktionskoppling eller på en konstruktion som nyttjar mikrovågor.3.1 Tekniska överföringslösningarEtt kriterium för att överföra energi trådlöst är att energin har ett medium attfortplanta sig i. Ett magnetfält är ett exempel på medium som energi kan fortplantasig i, detta magnetfält kan vidare induceras genom att föra samman enströmförande spole med en passiv spole där resultatet blir en induktionskoppling.För mer information kring magnetism samt induktion, se kapitel 2.1 & 2.2. Detär nämnvärt att denna överföringsmetod är lämpligare för kortare avstånd därett ökat luftgap innebär att magnetiseringsströmmen måste ökas för att bibehållasamma effektöverföring. Detta kommer vidare leda till större överföringsförluster itrådlindningarna då effektförlusten står i proportion till magnetiseringsströmmen.En annan överföringsmetod är att låta energin fortplanta sig i en elektromagnetiskvåg. Fördelen med denna metod är att det går att överföra energi över betydligtlängre avstånd. En teknisk nackdel med överföring via mikrovågor är att metodenär behäftad med stora överföringsförluster.3.1.1 Resonant induktionskopplingRent konstruktionsmässigt så finns det ett par kriterier som måste uppfyllasför hopparningen av sändar- samt mottagardelen. Mottagardelen ska lämpligtviskunna monteras på en befintlig del av cykeln som till exempel cykelstödet. Enannan möjlighet är att konstruera mottagardelen så att den blir en utökning avden bakre hjulaxeln. Mottagardelen får dock inte på något sätt minska funktionalitethos cykelstödet eller medföra en säkerhetsrisk för cyklisten. Vidare så skullesändardelen kunna bestå av en platt järnspole som i anslutning till ett cykelställresulterar i en stationär laddningsstation.Denna laddningsstation skulle sedan kunna vara en del av ett befintligt cykelrum.En förutsättning med den nämnda lösningen ovan är att cyklisten tvingas ställacykeln på en fix position vilket bidrar till minskade energiförluster då förlusternai induktionskopplingen står direkt i proportion till avståndet mellan respektivespole, i storleksordningen millimeter. Ett större avstånd mellan respektive spoleger därmed sämre verkningsgrad.16

3.1.2 MikrovågorAvståndet mellan sändar- respektive mottagardel för induktionskopplingen ärkritiskt för att erhålla en hög verkningsgrad. Detta beroende kan delvis reducerasoch elimineras till en viss del då mikrovågor kan användas för att överföra effektpå längre avstånd. Detta medför också att det kommer vara möjligt att överföraeffekt i en viss riktning, till skillnad från induktionskopplingen där sändarrespektivemottagardel måste angränsa fysiskt. Som det har nämnts tidigareleder dock effektöverföring via mikrovågor till högre effektförluster och en sämreverkningsgrad överlag. Utöver detta så är det även oklart huruvida mikrovågorpåverkar 5 biologisk vävnad (Strålsäkerhetsmyndigheten. 2002).5 Genom inducering av krypströmmar.17

3.2 Realisering av en prototyp för trådlös laddningKapitel 3.2 beskriver realiseringprocessen av den prototyp som har konstruerats.Den överföringslösning som har valts baseras vidare på en resonant induktionskopplingsom beskrivs i kapitel 3.1.1. I syfte att underlätta läsningen så kommerkonstruktion- samt mätningsprocessen behandlas i separata kapitel.3.2.1 Konceptuell bild av det trådlösa laddningssystemet som baseraspå en resonant induktionskopplingDet trådlösa laddningssystemet betraktas som två skilda delar, en aktiv och enpassiv del. Den aktiva delen är den stationära laddningsstation som vidare bestårav en sändardel, en kondensator samt en primär transformatorkärna 6 .Den passiva delen sitter på elcykeln och består av en sekundär transformatorkärna7 , en likriktarbrygga inklusive en glättningskondensator samt batterietsom det är avsett att ladda. Batteriet i den passiva delen antas vara en last medkapacitiva egenskaper. Figur 2 nedan illustrerar en förenklad bild av det trådlösaladdningssystemet där en del passiva komponenter har försummats.Figur 2: Simpel illustration av det trådlösa laddningssystemet.3.2.2 Konstruktion av prototypDet nämndes i kapitel 3.2.1 att det trådlösa laddningssystemet går attbetrakta som två delar, den aktiva delen som ingår i den stationära laddningsstationensamt den passiva delen som elcykeln är bestyckad med. För att underlättasambanden kring själva konstruktionsprocessen och göra det lättare förläsaren att förstå vilken eller vilka funktioner, som respektive komponent bidrar6 Inklusive kopparlindning.7 Denna komplementerar den primära transformatorkärna som den aktiva delen är bestyckadmed, vilket resulterar i en induktionskoppling.18

med så kommer varje konstruktionssteg att genomgås i kronologisk ordning.Sammansättningen av det trådlösa laddningssystemet är egenkonstruerad vilketbetyder att passiva komponenter har valts för ändamålet samt att respektivetransformator är lindad för hand. Sändardelen levererades dock monterad ochkörklar direkt av Robert Karlsson från institutionen energi och miljö på Chalmers.Sändardelen är den komponent som driver den fullständiga kretsen. Sändardelenbestår av ett kretskort 8 som vid en given likspänning på ingångsspänningssidanger en fyrkantspuls på utgången proportionellt mot likspänningen på ingången.För att driva kretsen så krävs en fast matningsspänning på 15 V dc . Pulsviddmodulationensom ger upphov till fyrkantspulsen möjliggörs via två styckenMOSFET-kretsar av typen IR2010 som sitter på kretskortet. Utöver detta ochde passiva komponenterna så innehåller kretskortet 4 stycken effektförstärkareav typen IRFIZ48G samt ett påmonterat kylelement. Sändardelen innehålleräven funktionalitet som strömbegränsning samt frekvensstyrning via en aktiv ICkretsav typen UC3846N. Strömbegränsningen kan exempelvis motverka skadligaströmmar för laddningsobjektet. Frekvensstyrningen tillåter sändardelen attdriva fyrkantspulsen med en given frekvens inom intervallet 11.23 - 108.20 kHz.Figur 3 nedan visar hur sändardelen ser ut.Figur 3: Sändardelen som driver kretsen med en fyrkantspuls.8 Som innehåller både passiva samt aktiva komponenter.19

Parallellt med sändardelen sitter den primära järnkärnan med tillhörandekopparlindning, som tillsammans med den sekundära järnkärnan med tillhörandekopparlindning utgör en induktionskoppling. Det är mellan denna induktivakoppling som energiöverföringen sker via det magnetiska fältet som uppstår när enström drivs i slingan. För mer ingående information kring induktion samt transformatorerså hänvisas läsaren till kapitel 2.2 & 2.8. Hädanefter så går varje enskildjärnkärna inklusive kopparlindning, under benämningen transformatordel.Den ihopsatta transformatorn skulle kunna betraktas som en traditionell transformatorbeståendes av två spolar inklusive järnkärna med spänningsförhållandet1:1. En separation mellan transformatordelarna gör det lättare att föreställa sigden konstruktion som är aktuell för elcykeln och dess laddningsstation.Att konstruera transformatordelarna var en tidskrävande process. Dels då det intefinns en allmän mall för att underlätta lindingen samt fästandet av koppartrådenpå järnkärnan och dels då koppartrådens styva karaktäristik komplicerade lindningsproceduren.Koppartrådens styva karaktär utgjorde bland annat ett problemdå koppartråden ofta hade en tendens att skjuva samt flytta sig ur den fixeradepositionen i järnkärnan. Koppartråden i denna mening är helt homogen tillskillnad från litztråd, vilket kommer att behandlas i nästa stycke. Järnkärnan somanvändes i konstruktionssyftet var av typen ELP, vilken är en platt variant aven traditionell E-kärna. Järnkärnans platta karaktär försvårade trådlindningenytterliggare då lindningen är avsedd att ligga horisontellt i planet kring dencentrerade delen i järnkärnan.Trådlindningen underlättas dock genom användning av litztråd, som kortfattatär en tvinnad tråd, som i sin tur består av ett flertal mindre kardeler. Dennakonstruktion gör att tråden blir mer böjlig och mer formbar kring järnkärnan.Litztrådens främsta fördel är dock att den motverkar ”skineffekt” som uppstår ihögfrekventa tillämpningsområden. Mer om litztråden studeras i teorikapitel 2.5.För att fixera lindningstråden på plats limmades en plastbit fast på ovansidan avjärnkärnan. Denna plastbit lämnade plats på sidorna vilket gav utrymme attlinda tråden kring järnkärnan. Utöver detta så har plastbiten två funktioner vilketär att hålla trådlindningen på plats kring järnkärnan, samt att isolera respektivetransformatordel från varandra.Två transformatoruppsättningar har tillverkats av järnkärnor med dimensionerna64×10×50 mm samt 43×10×28 mm i längd, höjd samt bredd tillsammans medtillhörande litztråd. Litztråden till den förstnämnda, större transformatorkärnanbestår av 60 stycken tvinnade kardeler med en ledararea på 0.47 mm 2 . Litztrådensom har använts till den sistnämnda, mindre transformatorkärnan består av 30stycken tvinnade kardeler med en ledararea på 0.24 mm 2 .20

En uppsättning av två stycken transformatorpar ger vidare möjligheten att eliminerasamt undersöka fenomen som eventuellt uppstår i mätningsstadiet. Antaletlindningsvarv samt tjockleken på litztråden kan till exempel vara en begränsadefaktor för strömflödet, vilket i sin tur resulterar i ett försvagat magnetiskt fält.I kapitel 3.3 där mätningar och beräkningar av respektive transformatpar skerkommer dessa två transformatoruppsättningar benämnas transformator Arespektive transformator B där transformator A än den större transformatorndimensionsmässigt. Figur 3.2.2 nedan visar hur respektive transformator ser ut iverkligheten. Transformor A visas i figur 4(a) och transformator B visas i figur4(b).(a) Transformator A(b) Transformator B21

I serie mellan sändardelen och den primära transformatordelen sitter en kondensatorvars uppgift är att kompensera för den reaktiva effekt som den induktivakopplingen utvecklar. När denna kondensator kopplas i serie med transformatordelenvilket är ett induktivt element går det att bestämma resononansfrekvensen,f 0 , utgående från värdena på respektive komponent. Se kapitel 2.6för mer information kring resonans. Det är givet enligt kapitel 2.7 att Q-värdetvarierar med lasten, som i det här fallet är batteriet som elcykeln är bestyckadmed. I den aktuella kretskonfigurationen blir det komplext om hänsyn behövertas till den varierande lasten. Kondensatorn måste då dynamiskt kompensera förden reaktiva effekt som utvecklas i induktionskopplingen. I det verkliga fallet skerdet dessutom en växelverkan mellan kondensatorn som står för kompenseringenoch batteriet som är av kapacitiv karaktär.I direkt anslutningen till den sekundära transformatordelen, på den passiva sidan,sitter en likriktarbrygga för att erhålla en likström som krävs för att laddabatteriet. Likriktarbryggan består vidare av fyra stycken schottkydioder av typen50SQ100. Denna diod lämpar sig väl inom det aktuella högfrekventa tillämpningsområdetpå grund av dess låga tröskelspänning och snabbhet. Likriktarbrygganär även behäftad med en elektrolytkondensator, som sitter parallellt efter likriktarbrygganoch dess syfte är att eliminera spänningsripplet efter likriktningen.Figur 4 illustrerar det kompletta kretsschemat av aktiv respektive passiv del.Figur 4: Ekvivalent kretschema över laddningsstation samt batteri.Batteriet, med spänningen V batteri , det vill säga lasten i fråga representeras som ettbatteri i ändpunkten. Strömmen genom den primära delen samt genom batterietbenämns I s respektive I batteri . V s är vidare utspänningen, i form av en fyrkantspulssom sändardelen levererar.22

Figur 5 visar hur den fullständiga kopplingen ser ut i verkligheten.Figur 5: Fullständig koppling av det trådlösa laddningssystemet inklusive batteri.3.3 Mätning och beräkning av mätvärdenFör att kompensera för den reaktiva effekt som utvecklas i transformatorn måsteinduktansen vara känd. Uppmätning av induktansen, L för respektive transformatorgjordes med en RLC-mätare. Vid uppmätningstillfället var varje transformatordelavskiljd med en plastskiva med tjockleken 1 mm som i sin tur representerarisolationsmaterialet. Mätningarna på respektive transformator gjordes dåden sekundära sidan var kortsluten. Då induktansen är given kan en kondensatormed kapacitansen, C väljas för att kompensera för den reaktiva effekten vilket isin tur leder till att resonansfrekvensen, f 0 kan lösas enligt ekvation (9).Vidare så är det önskvärt att f 0 ligger kring 100 kHz då det magnetiska fältetblir starkare vid högre frekvens. För ändamålet valdes en plastfilmskondensatorav värdet 11 nF för transformator A samt en plastfilmskondensator av värdet 10nF för transformator B.23

De uppmätta induktanserna med tillhörande kondensator samt den beräknaderesonansfrekvensen presenteras i tabell 1 nedan.Transformator A Transformator BL kortsluten [H] 211.7µ 449.5µC [F] 11n 10nf 0 [Hz] 104.29k 75.01kTabell 1: Induktans för respektive transformator i kortslutet tillstånd.Vid en realisering av den fullständiga kretsen visade det sig att den teoretiskaresonansfrekvsen, f 0 som beräknades fram ur ekvation (9) inte stämde överensmed den verkliga resonansfrekvensen. Q-värdet är som störst vid resonans vilketleder till att resonansfrekvensen kan bestämmas om Q-värdet erhålls. Q-värdetkan vidare erhållas genom att mäta spänningen över utgången på sändardelensamt över kondensatorn som ligger i serie enligt ekvation (16). I detta fall ärspänningen över sändardelen, V s , samt spänningen över kondensatorn i seriemed sändardelen och den primära transformatordelen, V c enligt figur 4. Dettamedför att kurvkarakteristiken för Q-värdet kan erhållas och illustreras grafisktom frekvensen på sändardelen varieras mellan intervallet 11.23 - 108.20 kHz. Vidvarje mätningstillfälle matades sändardelen med 10 V dc . Samtliga spänningsmätningarutfördes genom tvåpolsmätning med multimetrar av märket HP 3468Avilka klarar av att mäta TRMS 9 vilket är fördelaktigt då sändardelen ger en ickesinusformig signal på utgången. Figur 6 ger en grafisk illustration på hur Q-värdetvarierar med frekvensen. Figur 6 är framställd i Matlab © där beräkningarnabifogas i Appendix C.9 True Root Mean Square24

(a) Transformator A(b) Transformator BFigur 6: Q-värde som funktion av frekvens.Ur figur 6 går det att observera att Q är störst i respektive fall då f = 96.61kHz för transformator A samt f = 73.25 kHz för transformator B. Det bör docknoteras att dessa frekvenser är något approximativa då frekvensjusteringen påsändardelen ej sker exakt vilket ger att f ≈ f 0 . Sammanfattningsvis så ligger denverkliga resonansfrekvensen relativt nära det beräknade värdet.25

I nästa steg i mätprocessen inkluderas en last, vilket består av två stycken seriekoppladebatteriackumulatorer med kapacititeten 12Ah vardera. Varje enskiltbatteri har polspänningen 12 V vilket ger en total polspänning på 24 V vilketvidare motsvarar polspänningen över elcykelns orginalbatteri. Denna uppsättninganvänds vid mättillfället som ett substitut för batteriet som elcykeln är behäftadmed. Batterierna som agerar som ett substitut är av typen blyackumulator vilketär en äldre typ av batteri jämfört med elcykelns batteri som är av typen NickelMetal-Hydrid.Kapacitetsmässigt har elcykelns batteri något lägre kapacitet vilken är 8.5 Ah.En annan skillnad är att ett batteri av typen Nickel Metal-Hydrid klarar även avatt snabbladdas vilket är fördelaktigt då batteriet i många fall kanske är i behovatt laddas under korta intervall. Ett scenario skulle kunna vara då det finns engemensam elcykel i ett hushåll där flera familjemedlemmar brukar elcykeln vidolika tider på dygnet.Vid inkopplingskedet av det seriekopplade batteriet ändras resonansfrekvensen,f 0 i kretsen på grund av batteriets egenskaper. Kurvan som representerarQ-värdet som funktion av frekvens kommer därmed dels att förskjutas i sidled pågrund av batteriets kapacitativa egenskaper samt dels variera i magnitud kringresonanspunkten på grund av batteriets resistiva egenskaper.Vid laddning av batteriet eftersträvas ett högt Q-värde för att erhålla maximalström genom induktionskopplingen. För att erhålla en hög ström på mottagarsidanmåste dock inspänningen till sändardelen ökas, från 10 V dc i det tidigarefallet till 30 V dc . En parametermätning på respektive transformator då det seriekoppladebatteriet är inkopplat ger följande värden enligt tabell 2.Transformator A Transformator BQ med last 5.19 9.78V batteri [V] 22.37 22.81C [F] 8.66n 6.8nf 0 [Hz] 107.3k 90.76kTabell 2: Parametrar för respektive transformator då ett seriekopplat batteri ärinkopplat.26

I detta fall är V batteri , spänningen över batteriet i referenssyfte. Q-värdet har vidareberäknats enligt ekvation (16). Med hänsyn till de egenskaper som batterietbidrar med har andra värden på den kompenserande kondensatorn 10 valts.Enligt tabell 2 är dessa värden 8.66 nF för transformator A samt 6.8 nF för transformatorB. Det är även givet enligt tabell 2 att transformator B ger högst Q-värde vilket medför att transformator B är mest lämpad för laddningsändamåletdär maximalt strömflöde eftersträvas. På grund av detta så används ej transformatorA vid ytterliggare mätförsök.För att visa hur Q-värdet varierar under laddningsprocessen så har det seriekoppladebatteriet delvis urladdats och mätvärden har erhållits i tre punkter.De värden som har uppmätts är polspänningen, V batteri , spänningen över denseriekopplade kondensatorn, V c samt inspänningen som sändardelen bidrar med,V s . Vid mätningstillfället har transformator B samt en kondensator av storleken6.8 nF använts. De mätvärden som har erhållits presenteras i tabell 3 nedan.Transformator BV batteri [V] 12.44 18.90 23.47Q med last 3.41 6.87 9.90f 0 [Hz] 83.07k 86.12k 89.63kI batteri [A] 257m 526m 767mTabell 3: Parametrar för transformator B när ett seriekopplat batteri är inkopplat.Ur tabell 3 bekräftas det att resonansfrekvensen, f 0 samt Q-värdet varierar underladdningsprocessens vilket medför att frekvensen på inspänningen måste dynamisktstyras för att uppehålla ett högt strömflöde genom kretsen.För att undersöka förlusterna som uppstår i kretsen mäts strömmen genom denprimära och sekundära sidan av transformatorn. Mätning av strömmen utfördesmed en multimeter av märket HP 3468A då det visade sig att tångamperemeterninte gav tillräckligt hög upplösning vid tidigare mätningsförsök. Strömmen genomden primära delen betecknas I primär samt sekundära delen, I sekundär därI sekundär = I batteri . Utifrån tidigare resonemang ligger fortfarande batteriet på densekundära sidan efter likriktning, enligt figur 4.10 Som sitter i serie med sändardelen på den primära sidan.27

Denna uppmätning ger en snabb inblick i hur stora förlusterna är och hur storverkningsgraden är för överföringen. De uppmätta värdena presenteras nedan itabell 4.Transformator BV batteri [V] 23.47Q med last 10.75f 0 [Hz] 88.43kI primär,ac [A] 1057mI batteri,dc [A] 814mTabell 4: Parametrar för transformator B när ett batteri är inkopplat.Med I primär,ac samt I batteri,dc givna går det att lösa verkningsgraden, η enligtη = I batteri,dcI primär,ac(18)vilket ger en verkningsgrad på η = 77.01%. I realiteten är dock verkningsgradeni sammanhanget något relativ då det inte är helt fastställt om den reaktivakomponenten i kretsen är totalt eliminerad. En fullständig kompensering av denreaktiva effekten skulle vidare bidraga till en högre ström genom kretsen ochdärav, högre verkningsgrad.För att erhålla en bredare inblick i var effektförlusterna 11 sker i kretsen så haren värmebilder tagits av den fullständiga kretsuppsättningen. Figur 7 illustrerarvar värmeutvecklingen sker i kretsuppsättningen med transformator B. Urfigur 7(a) går det att uttyda att temperaturen i järnkärnan uppgår till 124.5 ◦Fahrenheit, vilket motsvarar cirka 50 ‰. I figur 7(b) går det att observera atteffektförstärkarna samt NTC-motståndet blir varmast där temperaturen i NTCmotstånduppgår över 230 ◦ Fahrenheit, vilket motsvarar över 110 ‰.11 Vilket är värmeutveckling i det här fallet.28

(a) Transformator B(b) SändardelFigur 7: Värmeutveckling i kretsuppsättningen för respektive komponent29

4 ResultatEn prototyp för trådlös laddning som är baserad på induktionsprincipen harkonstruerats. Prototypen består av en aktiv samt en passiv del. Den aktiva delenkan betraktas som den stationära laddningsstationen inkluderande sändarmodulsamt aktiv transformatorhalva. Den passiva delen kan betraktas som elcykelnmed tillhörande batteri, transformatorhalva samt övrig elektronik. Överföringenav energi sker via det magnetfält som uppstår i induktionskopplingen mellan denpassiva och aktiva delen av laddningsstationen. Den reaktiva effekt som utvecklasi induktionskopplingen kompenseras med hjälp av en kondensator vilket medföratt induktionskopplingen blir resonant. En konsekvens av att detta är att enmaximal energiöverföring genom induktionskopplingen möjliggörs.Den induktionskoppling som är aktuell vid mätning- samt laddningsmomentetbenämns som transformator B enligt kapitel 3.2.2 och består vidare av tvåstycken järnkärnor med tillhörande litztråd. Järnkärnorna är av typen ELP meddimensionerna 43 × 10 × 28 mm i längd, höjd samt bredd. Jämförelsevis är ELPjärnkärnan en platt variant av den traditionella E-kärnan. Denna järnkärnapassar syftet då kompakt utförande eftersträvas vid applicering på elcykeln.Ett lyckat laddningsförsök av elcykelns batteri illustreras i slutet av kapitel 3.3där strömmen genom batteriet uppgick till maximalt 0.814 A. Verkningsgradenför den aktuella kretskonfigurationen beräknades till 77 %. I detta fall har inteeffektförbrukningen som sker i sändardelen inkluderats i beräkningarna.Vid mätningstillfället användes två stycken seriekopplade blyackumulatorer somett substitut för det orginalbatteri som elcykeln normalt är bestyckad med.Batteriet som tillhör elcykeln har enligt specifikation en kapacitet på 8.5 Ah vilketmotsvarar cirka 10 till 11 laddningstimmar, förutsatt att batteriet är fullständigturladdat samt att strömmen kontinuerligt ligger runt 0.8 A.30

5 DiskussionI enlighet med kapitel 3.2.2 har en prototyp för trådlös laddning med två tillhörandetransformatoruppsättningar konstruerats. Respektive transformatoruppsättningbenämns genomgående i rapporten som transformator A samt transformatorB.De två tillverkade transformatoruppsättningarna skiljer sig åt gentemotvarandra, inte bara i storlek utan även i egenskaper. Högst Q-värde uppnåddesmed transformator B varvid störst fokus lades på denna i utförda tester. TransformatorA, som är större rent dimensionsmässigt än transformator B behövermatas med en högre spänning för att förmå leverera en ström av samma storleksom transformator B gör. Vidare når transformator A inte tillnärmelsevis likahög arbetstemperatur som transformator B vid laddningsmomentet. Detta kanvara en fördel gällande effektförlusterna i kopparlindningen då dessa reduceras,medan järnkärnans optimala arbetstemperatur ligger på mellan åttio och hundragrader för att erhålla minimala effektförluster. Tillika blir det en avvägning vidvilken temperatur lägst total effektförlust erhålls och varje transformator är unik,då valet av material spelar in. Med hjälp av en värmekamera har yttemperaturenför transformator B uppmätts till 52 ‰. Värt att notera är att detta inte innebärnågon direkt fara för att den isolerande lacken på litztråden 12 skall smälta. Viden praktisk användning av transformatoruppsättningen på en elcykel måste dockvärmeutvecklingen beaktas då respektive transformatordel byggs in i ettskyddande plasthölje, vilket hindrar kylningen.Den tidsåtgång som går åt att trådlöst ladda ett urladdat batteri till maximalkapacitet är cirka tio till elva timmar med hjälp av den framtagna prototypen.Detta är näst intill dubbla tiden gentemot specifikationen för kommersiell laddningsutrustningavsedd för elcykel. Vi är medvetna om att detta är oacceptabeltoch att förbättringar av modellen måste utföras om den ska ha en chans att slåigenom kommersiellt. Det som framförallt torde begränsa effektöverföringen i vårmodell är den oexakta frekvensstyrningen vilket leder till att maximalt Q-värdeförmodligen ej uppnås. Ett annat sätt att eventuellt påskynda laddningsprocessenoch möjliggöra ett högre effektuttag skulle kunna vara att förse elcykeln med tvåstycken transformatordelar, som vidare kan sitta på vardera sida av ett dubbelsidigtcykelstöd.12 Litztrådens lack är specificerad att tåla temperaturer på upp till 130 ‰.31

Något som talar till modellens fördel är att utöver den sekundära transformatordelenbestår mottagardelen av ett minimalt antal komponenter så somlikriktarbrygga och glättningskondensator vilket underlättar appliceringen påcykeln. Dessa komponenter byggs likt varje enskild transformatordel in i ettskyddande plasthölje för att förhindra att väta kommer i kontakt med dessa. Detillverkade transformatoruppsättningarna har ett cirka två millimeter isolerandeplastlager mellan respektive transformatorhalva, vilket är rimligt även för en isoleradkommersiell produkt. Då luftgapet står i direkt proportion till effektförlustenhålls detta i möjliga mån minimalt. Intressant i sammanhanget är att ett forskarlagfrån MIT har lyckats överföra 60 Watt med ett luftgap på två meter ochändå erhållit en verkningsgrad på cirka 40 % för en induktionskoppling. De haräven producerat ett antal artiklar angående trådlös energiöverföring som byggerpå induktionsprincipen. Se (Joannopoulos, J. D et al. 2007) för mer information.Detta kan jämföras med verkningsgraden i transformator B som antog ett värdeav 77 % vilket kan betraktas normalt för en transformator i den storleken. Småtransformatorer har vanligtvis sämre verkningsgrad än stora.Då transformator B är mycket kompakt i sitt utförande skulle det som tidigarenämnts vara möjligt att montera den på den delen av cykelstödet som är ikontakt med marken. Vidare skulle det på samma sätt gå att lösa vid effektöverföringvia två stycken transformatordelar, genom att förse cykeln med ettdubbelstöd. Dubbelstödet har tillika ännu en fördel då cykeln står stadigare medett sådant. Viktigt i sammanhanget är dessutom att sändardel och mottagardelmöter varandra med stor precision, då det annars medför stora effektförluster.Detta problem skulle kunna avhjälpas genom att placera starka magneteri marken runt omkring sändardelen, vilket fixerar transformatorkärnan pårätt plats. För att ytterligare underlätta för användaren att veta huruvida transformatorhalvornamöter varandra, kan detta förstärkas med markeringar och ellertydliga försänkningar i marken.En funktion som ej beaktats i projektet men som vid kommersiell användningskulle vara önskvärt att bestycka sändardelen med, är en slags avkänninghuruvida mottagardel är ansluten eller ej. Med en sådan ”avkännare” behöverinte kretsen förses med spänning då lasten är ej är ansluten, vilket eliminerartomgångsförlusterna. Praktiskt kan detta lösas på samma sätt som funktionen ien induktionshäll där kretsen sänder ut en puls med jämna mellanrum och på såsätt känner av om en last är ansluten eller ej. Vidare för att veta om ”rätt” last äransluten så kan resonanskretsen matchas att endast leverera spänning då den fårsvar från ett specifikt frekvensområde. Detta hindrar den att leverera spänningdå oönskat föremål så som en metall bit eller liknande hamnat på dockningsytan.32

Utöver denna funktion måste strömmen även brytas då batteriet är fulladdat föratt undvika överladdning och därmed riskera skador på batteriet. Därtillkommer också att eventuell strålning elimineras då kretsen ej är spänningssatt vidviloläge. Ytterligare så eftersträvas resonant induktionskoppling vid drift vilketförutom maximal effektöverföring också minskar strålningen från transformatornoch gör den minimal.Ett problem är dock att bibehålla kretsen resonant vid laddning, eftersom Q-värdet är beroende av lasten. Då lasten består av ett batteri kommer dess egenskaperatt ändras beroende på hur mycket det är laddat. Vid olika laddningsögonblickkommer därmed batteriets resistans samt kapacitans vara olika. I enpraktiskt tillämpad krets skulle även här finnas ett behov av en aktivfunktion vilken dynamiskt kan styra frekvensen eller kapacitansen med avseendepå förändrade egenskaper hos lasten. På så sätt skulle det vara möjligt att kontinuerligterhålla optimalt Q-värde. Tilläggas kan också att detta var ett falltill felkälla i de utförda beräkningarna då sändardelen hade en mycket oprecisfrekvensstyrning. Av detta följer att det var stora svårigheter med att prickain rätt resonansfrekvens eftersom denna är mycket exakt i sitt värde. Q-värdetmåste dock hållas på en rimlig nivå då spänningen annars kan anta så högavärden att det blir överslag mellan kopparlindningarna och transformatorn tillsist smälter ihop. Med scenariot i åtanke är det brukligt att lägga sig något vidsidan av Q-värdes toppen för att erhålla rimliga spänningsvärden.Slutligen kan nämnas att den relativt enkla principen som induktion bygger påbäddar för ett brett användningsområde. Utöver den elektriska tandborsten såfinns det en rad konsumentprodukter på marknaden som använder sig av trådlösinduktionsbaserad laddning. Några exempel på dessa produkter är trådlösa mösssom fungerar utan behov av batterier, trådlösa mixerapparater till köket samthanddatorer. Ett företag som håller på att utveckla en komplett plattform förtrådlös laddning är Splashpower (Splashpower, 2008). Plattformen består vidareav en induktionsplatta samt en mottagardel som skall gå att ansluta mot en godtyckligelektronikenhet.33

ReferenserAndreasson, Krister (1984), Mikrovågsteknik, andra upplaganBetter place (2008). (Elektroniskt), Better Place, Dong Energy Close 103M Euro(770M Danish Kroner) Investment for Denmark Electric Car Network.Tillgänglig: http://www.betterplace.com/press-room/press-releases-detail/better-place-dong-energy-investment-for-denmark-electric-car-network/(2009-02-10).Bird, John (2003), Electrical Circuit Theory and Technology.Cheng, David K. (1989), Field and Wave Electromagnetics.Joannopoulos, J. D., Fisher, Peter, Karalis, Aristeidis, Kurs, André, Moffatt,Robert & Soljacic, Marin (2007). Wireless Power Transfer via Strongly CoupledMagnetic Resonances, Science Express, Vol. 317. Nr. 5834, ss. 83-86.Kommunikationsforskningsberedningen (2000). (Elektroniskt), Batteribilen rullarin.PDF-format. Tillgänglig: http://www.kfb.se/pdfer/R-00-42.pdf (2009-02-09).Strålsäkerhetsmyndigheten (2002). (Elektroniskt), Statens strålskyddsinstitutsförfattningssamling.PDF-format. Tillgänglig: http://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/Global/Publikationer/Forfattning/Stralskydd/2002/ssifs-2002-3.pdf(2009-02-07).Splashpower (2008). (Elektroniskt), Splashpower Gradually Nearing CommercialDeployment.Tillgänglig: http://www.splashpower.com/Press/Press_Reviews.html(2009-05-18).Vägverket (2008). Moped klass I, II och elcykel.PDF-format. Tillgänglig: http://publikationswebbutik.vv.se/upload/1699/88358_moped_klass_i_ii_och_elcykel_utg_10.pdf (2009-02-08).34

Appendix A: ApparatförteckningInstrument Modell/Typ SerienummerDigital multimeter #1 HP 3468A 2137A01438Digital multimeter #2 HP 3468A 2137A01440Likspänningsaggregat GW 6PQ 7094181Digitalt Oscilloskop Tektronix TDS 2004B C020123Analogt Oscilloskop Tektronix 2246A B011810Funktionsgenerator LFG-1300 3090354Värmekamera Fluke Ti45 OkäntRLC-mätare Philips PM 6303 Okänt35

Appendix B: InventarielistaKomponent: Litztråd 30x0,1Datablad: Ej tillgängligt. Se artikelnummer 55-165-39 hos elfa (https://www.elfa.se).Komponent: Litztråd 60x0,1Datablad: Ej tillgängligt. Se artikelnummer 55-165-47 hos elfa (https://www.elfa.se).Komponent: Kondensator 6,8nF/2000V 15mmDatablad: https://www1.elfa.se/data1/wwwroot/webroot/Z_DATA/06556104.pdfKomponent: Kondensator 8,66nF/2000VDatablad: Ej tillgängligt.Komponent: Kondensator 10nF/2000V 15mmDatablad: https://www1.elfa.se/data1/wwwroot/webroot/Z_DATA/06556104.pdfKomponent: Kondensator 11nF/1500VDatablad: Ej tillgängligt.Komponent: Radiell elektrolytkondensator 470uF/50V 2modDatablad: https://www1.elfa.se/data1/wwwroot/webroot/Z_DATA/06701056.pdfKomponent: Transformatorkärna ELP64/10/50Datablad: https://www1.elfa.se/data1/wwwroot/webroot/Z_DATA/05862347.pdfKomponent: Transformatorkärna ELP43/10/28Datablad: https://www1.elfa.se/data1/wwwroot/webroot/Z_DATA/05862321.pdfKomponent: Schottkydiod 50SQ100Datablad: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/irf/50sq.pdf36

Appendix C: Matlab © -beräkningar% Q-värde som funktion av frekvens för respektive transformatorclose allclc% Vi vill ha vektorgrafikset(gcf, ’renderer’, ’painters’);% Transformator Af = [50.81, 60.80, 71.39, 80.95, 87.63, 94.83, 95.90, 96.61, 102.5, 108.3]*1e3;V_s = [9.39, 9.31, 9.23, 9.23, 9.32, 8.63, 9.59, 9.6, 7.69, 8.29];V_c = [11.83, 13.83, 18.08, 27.34, 46.73, 141.51, 215.84, 224.13, 61.37, 31.68];% Q-värde utan last för transformator AQ_A_utan_last = V_c./V_s% Plotta Q-värde utan last som funktion av frekvens för transformator Afigure(1)plot(f, Q_A_utan_last)title(’Q-värde utan last för transformator A’);ylabel(’Q-värde’);xlabel(’Frekvens [Hz]’);% Transformator Bf = [11.28, 30.89, 40.03, 50.4, 60.5, 65.85, 72.28, 72.54, 73.75, 75.25, 83.26, 88.88, 98.07, 106.9]*1e3;V_s = [9.72, 9.46, 9.36, 9.26, 9.19, 9.19, 8.65, 8.72, 6.9, 7.37, 9.2, 9.19, 9.13, 9.01];V_c = [13.65, 11.50, 12.04, 15.47, 24.4, 38.3, 135.3, 145.0, 301.6, 221.5, 32.9, 19.26, 11.12, 7.63];% Q-värde utan last för transformator BQ_B_utan_last = V_c./V_s% Plotta Q-värde utan last som funktion av frekvens för transformator Bfigure(2)plot(f, Q_B_utan_last)title(’Q-värde utan last för transformator B’);ylabel(’Q-värde’);xlabel(’Frekvens [Hz]’);37