Công nghệ truyền điện không dây

Giới thiệu công nghệ truyền điện không dây và ứng dụng sạc không dây cho ô tô điện

Thứ tư, 17 Tháng 5 2017 11:16

1. Giới thiệu về công nghệ truyền điện không dây

Ý tưởng về truyền năng lượng điện không dây (Wireless power transfer: WPT) được đề xuất lần đầu vào năm 1890 bởi Nikola Tesla. Ông đã tạo ra các cuộn dây tesla khổng lồ để thực hiện việc truyền năng lượng điện không cần dây dẫn vào những năm 1900. Sau đó từ những năm 1960 đến nay là sự phát triển của công nghệ truyền điện không dây hiện đại, có thể chia làm hai giai đoạn. Giai đoạn đầu là những năm 1960-1970 với sự bắt đầu là các nghiên cứu của NASA cơ quan hàng không và vũ trụ của Mỹ [1]. Những chủ đề thu hút nhiều sự quan tâm của NASA như thu thập năng lượng mặt trời trong không gian và truyền về trái đất, hay dự án cung cấp năng lượng điện không dây trong không gian,…  Giai đoạn này tập chung chủ yếu phát triển công nghệ truyền không dây dùng sóng điện từ phát xạ (sóng radio hoặc viba)  để truyền năng lượng điện không dây với khoảng cách truyền xa tới vài trăm km. Cho đến ngày nay, công nghệ này vẫn đang tiếp tục được phát triển, tuy nhiên do sử dụng sóng với tần số rất cao nên giá thành rất cao, hiệu suất truyền thấp và ảnh hưởng không tốt đến môi trường nên công nghệ này chỉ dùng trong một số lĩnh vực đặc thù như các thiết bị sử dụng trong công nghệ vũ trụ, trong quân đội, hoặc khi công suất rất nhỏ, giá thành thấp hơn và không ảnh hưởng đến môi trường xung quanh như trong các thiết bị y tế dùng để cấp điện không dây cho các thiết bị được đưa vào trong cơ thể người.

 Giai đoạn phát triển thứ hai của công nghệ truyền điện không dây hiện đại bắt đầu từ cuối những năm 1970 cho đến nay với các nghiên cứu về công nghệ truyền điện không dây không phát xạ, hay còn gọi là truyền điện không dây trường gần (near-field WPT). Công nghệ này sử dụng điện trường (capacitive coupling) hoặc từ trường (inductive coupling) để truyền năng lượng điện. Khoảng cách truyền không dây đạt được từ vài milimet đến vài mét. Với việc sử dụng tần số làm việc thấp từ kHz đến MHz nên công nghệ truyền điện không dây trường gần dễ dàng đạt được công suất truyền lớn, hiệu suất truyền cao, giá thành rẻ và an toàn với con người. Vì vậy hiện nay, công nghệ này đang được nghiên cứu và phát triển rất mạnh mẽ để ứng dụng vào công nghiệp cũng như cuộc sống hàng ngày. Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta đã từng thấy công nghệ này được thương mại hóa trên những chiếc bàn chải đánh răng bằng điện được sạc không dây, hay các bộ sạc Qi không dây trên các mẫu điện thoại di động cao cấp, và gần đây là các bộ sạc không dây cho ô tô điện đã có những sản phẩm hoàn thiện đầu tiên như bộ sạc không dây của Witricity, Nissan, Toshiba,... Công nghệ truyền điện không dây đem lại nhiều tiện lợi và sẽ thay đổi cuộc sống con người một cách mạnh mẽ trong tương lai gần. Trong bài viết này, tác giả sẽ giới thiệu tới bạn đọc về công nghệ truyền điện không dây trường gần bằng từ trường, một công nghệ đang được tập trung nghiên cứu rất mạnh và đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể trên thế giới.

2. Nguyên lý cơ bản của công nghệ truyền điện không dây trường gần bằng từ trường

Năm 1819, lần đầu tiên nhà khoa học Hans Christan Oersted khám phá ra hiện tượng dòng điện sinh ra từ trường bao quanh dây dẫn. Và sau đó đến năm 1831, Michael Faraday lại phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ khi làm thay đổi từ trường qua một vòng dây kín thì có một dòng điện sinh ra trong vòng dây đó, được gọi là dòng điện cảm ứng. Các hiện tượng này đã được ứng dụng từ lâu trong kĩ thuật điện để tạo ra các loại máy phát điện, động cơ điện, nam châm điện và máy biến áp điện. Máy biến áp điện chính là một dạng sơ khai nhất của công nghệ truyền năng lượng điện không dây dùng từ trường. Cấu tạo máy biến áp gồm có hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp cùng quấn quanh một lõi thép kĩ thuật điện như mô tả trên hình 1. Sau đó khi cho dòng điện biến thiên (dòng điện có sự thay đổi theo thời gian như dòng điện xoay chiều hoặc dạng xung) chạy qua cuộn sơ cấp của máy biến áp, sẽ sinh ra một từ trường biến thiên xung quanh cuộn sơ cấp, từ trường này được thiết kế để khép vòng trong lõi thép kĩ thuật, sau đó từ trường biến thiên trong lõi thép sẽ sinh ra một dòng điện cảm ứng biến thiên trong cuộn thứ cấp của máy biến áp. Thông qua đó năng lượng điện đã được truyền không tiếp xúc từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp của máy biến áp. Trong trường hợp truyền điện không dây này, cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp phải liên kết với nhau thông qua lõi biến áp, và không tách rời nhau được.

Giống như nguyên lý truyền năng lượng điện trong máy biến áp, các thiết bị gia nhiệt cảm ứng như bếp từ, lò nấu thép trung tần, thiết bị tôi cao tần cũng có cùng nguyên lý như vậy. Tuy nhiên, trong các trường hợp này, không có lõi thép kĩ thuật để dẫn từ trường, và cuộn thứ cấp là một vật dẫn điện (chính là vật cần gia nhiệt). Từ trường biến thiên tần số cao được sinh ra bởi dòng điện tần số cao chạy qua cuộn dây của các thiết bị gia nhiệt cảm ứng, sẽ sinh ra một dòng điện cảm ứng biến thiên trong vật dẫn, dòng điện này là dòng ngắn mạch trong vật dẫn (Dòng Fu-cô) nên sẽ sinh ra nhiệt làm nóng vật dẫn, nguyên lý của công nghệ này được mô tả trên hình 2. Đây là ứng dụng gần hơn với công nghệ truyền năng lượng điện không dây trường gần, khi đó phần sơ cấp và thứ cấp đã tách rời nhau. Ở các ứng dụng này khoảng cách truyền không dây rất ngắn cỡ vài milimet đến vài centimet. Khi khoảng cách truyền tăng lên, hiệu suất truyền sẽ giảm đi rất nhanh.

Nguyên lý của công nghệ truyền điện không dây trường gần bằng cảm ứng điện từ  ngày nay là một dạng phát triển cao hơn của hai ứng dụng kể trên. Để có thể tách rời cuộn sơ cấp và thứ cấp với khoảng cách xa hơn mà vẫn đạt được hiệu suất truyền cao, hiện tượng cộng hượng đã được ứng dụng kết hợp với hiện tượng cảm ứng điện từ, được gọi là cộng hưởng từ. Khi cuộn thứ cấp được đặt trong từ trường biến thiên tạo ra bởi cuộn sơ cấp, trên cuộn thứ cấp sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng biến thiên, khác với trường hợp dòng ngắn mạch như trong các thiết bị gia nhiệt cảm ứng, trong trường hợp này cuộn thứ cấp được thiết kế kết hợp với mạch tải để tao nên một mạch điện cộng hưởng với cùng tần số của dòng điện cảm ứng đó, giúp cho dòng điện cảm ứng được duy trì dễ dàng hơn ngay cả khi cuộn thứ cấp được đặt ở xa cuộn sơ cấp nơi có từ trường yếu. Và ở chiều ngược lại, dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp cũng sinh ra một từ trường biến thiên xung quanh nó và tác dụng ngược trở lại cuộn sơ cấp, và để đạt được sự cộng hưởng giữa hai cuộn dây thì cuộn sơ cấp cũng được thiết kế kết hợp với các tụ điện để tạo ra một mạch cộng hưởng có cùng tần số. Khi đó từ trường sinh ra bởi hai cuộn dây có cùng tần số và cộng hưởng với nhau, gọi là từ trường cộng hưởng. Nguyên lý này được mô tả trên hình 3. Để tạo ra mạch cộng hưởng cho cả cuộn sơ cấp và thứ cấp, các tụ điện được thêm vào cả hai phía của hệ thống, khi đó các mạch thêm vào được gọi là các mạch bù (compensation network). Về cơ bản có 4 loại mạch bù được mô tả trên sơ đồ tương đương như hình 4(a-d). Hình 4(e) mô tả sơ đồ tương đương tổng quát của hệ thống WPT hai cuộn dây. Trên hình 4(e), hệ số hỗ cảm giữa hai cuộn dây k được định nghĩa theo công thức (1);

Trong đó L1, L2 là giá trị điện cảm tự cảm (self-inductance) của hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp; M: là điện cảm hỗ cảm giữa hai cuộn dây (Mutual inductance).

Khi đó điện áp trên cuộn thứ cấp có thể được tính theo công thức (2):

Công thức (4) thể hiện hiệu suất truyền sẽ tăng lên khi hệ số chất lượng của cuộn dây Q và hệ số hỗ cảm k tăng lên. Vì vậy, để tăng hiệu suất truyền ở khoảng cách xa (đồng nghĩa với việc tăng khoảng cách truyền không dây), tần số làm việc của hệ thống được tăng lên từ vài chục KHz đến hàng chục MHz. Tuy nhiên, khi tần số làm việc của hệ thống tăng lên thì các tổn hao trong mạch điện của hệ thống cũng tăng lên như tổn hao đóng cắt trong các bộ biến đổi làm việc cùng hệ thống, tổn hao trong các cuộn dây do các hiệu ứng của dòng điện tần số cao gây ra (skin effect và proximity effect). Vì vậy, việc lựa chọn tần số làm việc cho hệ thống WPT là sự thỏa hiệp giữa hiệu suất truyền không dây và tổn hao trong các mạch điện để đạt được hiệu suất cao nhất cho hệ thống.

Hiện nay, các nghiên cứu về công nghệ truyền điện không dây trường gần sử dụng hai vùng tần số cho các ứng dụng khác nhau. Với các ứng dụng cần truyền không dây công suất lớn (hàng chục đến vài trăm kW) và khoảng cách truyền ngắn (dưới 25cm) như sạc không dây cho ô tô điện, xe bus điện, cấp điện cho tàu điện,… tần số làm việc thường được chọn từ vài chục kHz đến vài trăm kHz (chuẩn J2954 áp dụng cho hệ thống sạc không dây cho oto điện chọn tần số làm việc trung tâm là 85 kHz). Ở tần số làm việc thấp, hệ thống WPT với hai cuộn dây phía sơ cấp và thứ cấp được sử dụng cùng với các tụ điện cộng hưởng được đưa thêm vào như đã mô tả trên hình 4. Với công nghệ hiện tại công suất của hệ thống này có thể đạt tới hàng MW, hiệu suất trên 90%. Nhưng do tần số việc thấp nên khoảng các truyền không dây chỉ đạt được ở mức xung quanh 20cm, và kích thước các cuộn dây rất lớn [2].

Với các ứng dụng cần truyền không dây với công suất thấp (dưới 10kW), khoảng các truyền xa hoặc yêu cầu kích thước nhỏ gọn như ứng dụng sạc không dây cho hệ thống xe điện tự hành (AGV) trong công nghiệp, xe điện sử dụng trong sân golf, các ứng dụng gia dụng như tivi, tủ lạnh, các thiết bị nhà bếp, các thiết bị y tế được đưa vào bên trong cơ thể người,… tần số làm việc của hệ thống WPT thường được chọn từ hàng MHz đến hàng GHz. Khi tần số làm việc tăng lên cỡ hàng chục MHz, khoảng cách truyền không dây có thể đạt được vài mét [3].  Ở tần số cao, điện áp làm việc trên các tụ điện cộng hưởng tăng lên rất cao (hàng chục kV), các tụ điện được sản xuất ra với công nghệ hiện tại, không thể làm việc được ở tần số và điện áp cao như vậy, vì vậy hệ thống 4 cuộn dây được sử dụng để tạo ra các tụ điện cộng hưởng trên cơ sở các tụ điện kí sinh trên các cuộn dây.

Hình 5. Hệ thống cuộn dây và tụ cộng hưởng làm việc ở tần số 85 kHz trong nghiên cứu của tác giả tại Viện Công nghệ Shibaura, Nhật Bản 

(Công suất: 10 kW, Khoảng cách truyền không dây tối đa: 20 cm; Hiệu suất truyền không dây: > 90%)

 Hệ thống này được đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của MIT năm 2007 [3]. Điểm đặc biệt là cuộn truyền năng lượng và cuộn nhận năng lượng trong hệ thống thường được thiết kế chỉ 1 vòng dây (link coil), còn lại cuộn dây cộng hưởng phía truyền và phía nhận là các cuộn dây gồm nhiều vòng dây nhưng là cuộn dây hở hai đầu (resonant coil). Tần số làm việc của hệ thống MHz thường được chọn 1MHz, 6,67 MHz, 13.56MHz, 27.12 Mhz,….( ISM band). Làm việc ở tần số cao, kích thước và trọng lượng của các cuộn dây giảm đi đáng kể. Tuy nhiên, với công nghệ hiện tại, hệ thống WPT làm việc ở tần số MHz bị hạn chế về công suất truyền, vì tần số chuyển mạch của các bộ biến đổi làm việc trong hệ thống quá cao dẫn đến tổn hao chuyển mạch rất lớn. Đồng thời tổn hao do các hiệu ứng của dòng điện tần số cao gây ra trong các cuộn dây cũng ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của hệ thống.

Hình 6. Hệ thống truyền điện không dây sử dụng tần 13.56 MHz trong nghiên cứu của tác giả tại viện công nghệ shibaura, Nhật bản 

(Công suất: 1 kW, Khoảng cách truyền không dây tối đa: 1 m; Hiệu suất truyền không dây: > 80%) 

Để tăng khoảng cách truyền không dây của hệ thống WPT, các cuộn dây cộng hưởng cũng được sử dụng đặt vào giữa phía sơ cấp và thứ cấp, có tác dụng như các bộ lặp, hay các cầu nối từ trường. Ngoài ra hệ thống WPT nhiều cuộn dây cũng được phát triển để ứng dụng trong trường hợp cung cấp năng lượng cho nhiều tải cùng một lúc, khi đó các cuộn dây có tác dụng tương hỗ lẫn nhau và cũng có thể làm tăng khoảng cách truyền, tuy nhiên việc phân tích và thiết kế hệ thống rất phức tạp.

3. Công nghệ sạc điện không dây cho ô tô điện

 Hiện nay ô tô điện được coi là phương tiện giao thông thân thiện với môi trường, đang ngày càng phát triển và trở nên phổ biến. Các nhà sản xuất ô tô lớn trên thế giới đều đã phát triển các mẫu xe ô tô điện cho riêng mình với các cái tên được nhiều người biết đến như BMW i3, Mercedes B-Class Electric Drive, Volkswagen E-Golf, Ford Focus Electric, Nissan Leaf, Mitsubishi i-MiEV, Chevrolet Bolt, Hyundai Ioniq, Kia Soul EV,… và đặc biệt không thể không kể đến các mẫu xe điện của Tesla. Cùng với việc phát triển không ngừng các công nghệ trên xe điện thì việc xây dựng hệ thống hạ tầng để xạc điện cho xe cũng đang được đầu tư nghiên cứu rất mạnh mẽ.

Hình 7. Cấu trúc hệ thống sạc điện không dây cho ô tô điện trong nghiên cứu của tác giả tại Viện Công nghệ Shibaura, Nhật Bản

Kiểu sạc dùng dây dẫn cho ô tô điện tồn tại nhiều nhược điểm, phải kể đến đầu tiên là vấn đề an toàn, đặc biệt là trong môi trường ẩm ướt. Các bộ sạc lắp đặt tại các hộ gia đình thường sử dụng nguồn điện 110V hoặc 220V, và cần thời gian khoảng 8-10h để sạc đầy cho hệ thống ắc quy của ô tô điện. Ở các trạm sạc nhanh thì với công suất lớn hơn, thời gian sạc được rút ngắn đi nhiều lần, tuy nhiên việc sạc nhanh làm giảm tuổi thọ của ắc quy và các trạm sạc nhanh cần rất nhiều diện tích để sạc cho số lượng lớn các xe tại đây, đồng thời các dây sạc hay đầu cắm có thể dễ dàng bị đánh cắp hoặc làm hỏng bởi các yếu tố chủ quan và khách quan. So với công nghệ sạc thông thường dùng dây dẫn, công nghệ sạc không dây có nhiều ưu điểm vượt trội về tính tiện dụng và an toàn vì không có sự tiếp xúc trực tiếp với nguồn điện, các bộ sạc có thể lắp đặt dưới sàn nhà hoặc nền đường nên tiết kiệm diện tích.

Cấu trúc hệ thống sạc điện không dây cho ô tô điện trong nghiên cứu của tác giả được mô tả trên hình 7. Trong cấu trúc này, nguồn điện xoay chiều từ lưới được đưa vào hệ thống trước tiên sẽ được biến đổi thành nguồn điện một chiều bằng việc sử dụng bộ chỉnh lưu có điều chỉnh hệ số công suất (Rectifier PFC). Sau đó một bộ nghịch lưu tần số cao (high frequency inverter) được sử dụng để tạo ra nguồn điện xoay tần số cao và cấp điện cho phía sơ cấp của hệ thống WPT. Năng lượng điện được truyền không dây từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp của hệ thống WPT, sau đó dòng điện tần số cao bên thứ cấp lại được biến đổi ngược lại thành nguồn điện một chiều thông qua bộ chỉnh lưu tần số cao (high frequency rectifier). Phía sau bộ chỉnh lưu tần số cao là một bộ biến đổi DC/DC dùng để điều khiển phối hợp trở kháng trong hệ thộng WPT để đạt hiệu suất truyền cao nhất, đồng thời điều khiển quá trình sạc ắc quy trên xe ô tô điện (Impedance matching and charging control).

Các nghiên cứu trong hệ thồng bao gồm việc nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi và các cuộn dây trong hệ thống WPT, là sự kết hợp chặt trẽ giữa điện tử công suất để điều khiển/ biến đổi dòng năng lượng điện chạy trong các mạch điện với sự cộng hưởng của từ trường giữa các cuộn dây để đạt hiệu suất truyền cao nhất. Hiện nay với hệ thống sạc tĩnh, hiệu suất của hệ thống có thể đạt trên 90%, có thể so sánh được với hệ thống sạc dùng dây thông thường.

Hình 8. Các cuộn dây được bố trí bên dưới làn đường dành riêng cho ô tô điện để sạc điện khi ô tô đang di chuyển

(Nguồn: internet) 

Ngoài việc ứng dụng để xạc không dây cho ô tô điện khi đứng yên, thì hệ thống WPT còn đang được phát triển để xạc cho xe điện ngay cả khi đang chạy trên đường, được gọi là sạc động. Với hệ thống này, ô tô điện không cần dừng lại để sạc, vì vậy khoảng cách chạy của xe với một lần sạc sẽ được tăng lên đáng kể cùng với số lượng ắc quy cần thiết cho xe cũng được giảm đi. Để làm được điều đó, nhiều cuộn sơ cấp được bố trí dọc trên đường, và khi xe di chuyển năng lượng điện sẽ được truyền không dây từ các cuộn sơ cấp trên đường đến cuộn thứ cấp trên xe điện để sạc điện cho xe. Trong hệ thống này việc nghiên cứu thiết kế và bố trí các cuộn dây trên đường sao cho đạt được hiệu quả truyền cao nhất là một thách thức. Ngoài ra khi xe di chuyển các thông số trong hệ thống WPT sẽ thay đổi liên tục, việc điều khiển phối hợp dòng năng lượng trong các mạch sơ cấp và thứ cấp của hệ thống để đạt được hiệu quả truyền cao cũng là một thách thức lớn với các nghiên cứu về điện tử công suất.

4. Lời kết

Công nghệ truyền điện không dây sẽ là một công nghệ phổ biến trong tương lai gần và sẽ thay đổi cuộc sống của con người một cách mạnh mẽ. Ngoài việc ứng dụng trong hệ thống sạc không dây cho ô tô điện thì công nghệ WPT còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày. Trong tương lai, các thiết bị điện trong gia đình sẽ không còn cần phải cắm điện nữa, các thiết bị di động cầm tay sẽ không còn phải quá nặng do pin và cũng không cần phải sạc pin mỗi ngày khi mà nó sẽ được cấp điện trực tiếp hoặc sạc ngay cả khi đang sử dụng trên tay người dùng. Các hệ thống robot hay xe tự lái sẽ tự động hóa hoàn toàn khi việc sạc năng lượng dễ dàng được tự động hóa. Trong y tế, các thiết bị được cấy trong cơ thể người có thể được cấp điện trực tiếp từ bên ngoài vào mà không cần bất cứ tiếp xúc nào. Đây là một công nghệ tiềm năng trong tương lai, đòi hỏi việc nghiên cứu và phát triển ở mức trình độ cao. Với điều kiện ở Việt Nam, nếu được đầu tư các thiết bị cần thiết, chúng ta hoàn toàn có thể làm chủ và phát triển công nghệ này trong tương lai. Hi vọng qua bài viết này có thể đưa đến cho bạn đọc có được một cái nhìn cơ bản về công nghệ truyền điện không dây và tác giả cũng hi vọng có nhiều nhà nghiên cứu Việt Nam sẽ quan tâm và phát triển công nghệ này khi mà hiện nay công nghệ này ở Việt Nam còn rất mới mẻ và chưa có các nghiên cứu bài bản nào được công bố.

Tài liệu tham khảo:

[1]. W. C. Brown, “The History of Power Transmission by Radio Waves,” IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 32, no. 9, pp. 1230-1242, Sept. 1984.

[2].S.Li and C.C.Mi, “Wireless power transfer for electric vehicle applications,” IEEE Journal of emerging and selected topics in power electronic, Vol. 3, No. 10, 2015, pp. 4-17.

[3].A. Kurs, A.Karalis, R.Moffatt, J.D.Joannopoulos, P.Fisher, and M. Soljačić, “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances,” in Science Express on 7 June 2007,Vol. 317. no. 5834, pp. 83 – 86.