Tìm hiểu 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 được các cuộn dây tesla khổng lồ để truyền năng lượng điện không cần dây dẫn vào những năm 1900. Sau đó, từ những năm 1960 tới nay là sự phát triển của công nghệ truyền điện không dây hiện đại. Nó có thể chia thành 2 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. Những chủ đều thu hút nhiều sự quan tâm của NASA như thua thập năng lượng mặt trời trong không gian rồi truyền về trái đất, hoặc dự án cung cấp năng lượng điện không dây trong không gian,… Trong giai đoạn này sẽ tập chung chủ yếu phát triển công nghệ truyền không dây dùng sóng điện từ phát xạ (sóng do radio hoặc viba) để truyền năng lượng điện không dây với khoảng cách truyền xa lên tới vài trăm km. Cho tới ngày nay, công nghệ này vẫn đang được tiếp tục phát triển, nhưng do sử dụng sóng với tần số rất cao nên nó cũng có giá thành rất cao. Hiệu suất truyền thấp và ảnh hưởng không tốt tới mối trường. Chính vì thế nên công nghệ này chỉ sử dụng trong 1 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 tới môi trường xung quanh như: trong các thiết bị y tế sử dụng để cấp điện không dây cho những thiết bị được đưa vào cơ thể người.

Giai đoạn phát triển thứ 2 của công nghệ truyền điện không dây hiện đại được bắt đầu từ cuối những năm 1970 cho tới 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- gield WPT). Công nghệ này sử dụng điện trường (capacitive coupling) hoặc từ trường (inductve coupling) để truyền năng lượng điện. Khoảng cách truyền không dây có thể đạt từ vài milimet tới vài mét. Với việc sử dụng tần số làm việc thấp từ kHz tới MHz nên công nghệ truyền điện không dây trường gần dễ dàng đạt được công suất truyền lớn. Hiệu suất cao, giá thành rẻ và an toàn hơn đối với con người. Vì thế hiện nay, công nghệ này được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ để ứng dụng vào công nghiệp cũng như trong cuộc sống hàng ngày. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta đã từng thấy công nghẹ này được thương mại hóa trên những chiếc bàn chải đánh răng bằng điện được sạc không dây, hay bộ sạc Qi không dây trên các mẫu điện thoại di động cao cấp. Và gần đây là các bộ sạc không day 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 mang lại nhiều tiện lợi cũng như sẽ thay đỏi cuộc sống của con người một cách mạnh mẽ trong tương lai gần.

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

Năm 1819, lần đầu tiên nhà khoa học Hans Christan Oersted đã khám phá ra hiện tượng dòng điện sinh ra từ trường bao quanh dây dẫn. Rồi sau đó tới nam 1831, Michael Faraday lại phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ khi làm tha đổi từ trường qua 1 vòng dây kín thì có 1 dòng điện sinh ra trong vòng dây đó, nó được gọi là dòng điện cảm ứng. Các hiện tượng này đã được ứng dụng từ lâu trong kỹ thuật điện để tạo ra những loại máy phát điện, động cơ điện, nam châm điện và máy biến áp điện. Máy biến áp điện chính là 1 dạng sơ khai nhất của công nghệ truyền năng lượng điện không dây dùng từ trường. Cấu tạo máy biến áp gồm 2 cuộn dây cơ cấp và thứ cấp cùng quấn quanh 1 lõi thép kĩ thuật như mổ 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 tiên xung quanh cuộn sơ cấp. Từ trường này được thiết kế để khép vòng trong lõi thép kỹ thuật, sau đó từ trường biến thiên trong lõi thép sẽ sinh ra 1 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 qua lõi thép biến áp, và không tách rời nhau được.

Giống như nguyên lý truyền năng lượng điện trong máy biến áp. Các tiết bị gia nhiệt cảm ứng như bếp từ, lò nấu thép trung tần, thiết bị tối cao tần cũng có nguyên lý như vậy. Nhưng,trong các trường hợp này, không có lõi thép kĩ thuật để dẫn từ trường và cuộn thứ cấp là 1 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 cộn dây của các thiết bị gia nhiệt cảm ứng. Nó sẽ sinh ra 1 dòng điện cảm ứng biến thiên trong vật dẫn, dòng điện này chính 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 được tách rời nhau. Ở các ứng dụng này, khoảng cách truyền không dây rất ngắn, cỡ vài milimet cho tới vài centimet. Khi khoảng cách truyền tăng lên thì hiệu quả truyền sẽ được giảm đi rất nhanh.

Nguyên lý của công nghệ truyền điện không dây trường gân ằng cảm ứng điện từ ngày nay là 1 dạng phát triển cao hơn của 2 ứng dụng kể trên. Để có thể tách rời cuộn sơ cấp và thứ cấp với khoảng cách xa hơn mà vẫn đạt hiệu suất truyền cao. Hiện tượng cộng hưởng 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 tạo nên 1 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. Ở chiều ngược lại, dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp được đặt ở xa cuộn sơ cấp từ trường biến thiên xung quanh nó và tác dụng ngược lại cuộn sơ cấp. Và để đạt được sự cộng hưởng giữa 2 cuộn dây thì cuộn sơ cấp cần được thiết kế kết hợp với các tụ điện để tạo được mạch cộng hưởng có cùng tần số. Khi đó, từ trường sinh ra bởi 2 cuộn dây có cùng tần số và nó 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 2 phía của hệ thống. Khi đó các mạch thêm vào được gọi là các mạch bù (compensation network). Về cơ bản thì có 4 loại mạch vù được mô tả trên sơ đồ tương đương như hình 4 (a-d). Hình 4(e) mô tả swo đồ tương đương tổng quát của hệ thống WPT 2 cuộn dây. Trên hình 4 (e) hệ số hỗ cảm giữa 2 cuộn dây không được định nghĩa theo công thức (1).

Trong đó, L1 L2 là giá trị điện cảm tự cảm (self-inductance) của 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp; M là điện cảm hỗ cảm giữa 2 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 hỡ cảm không tăng lên. Vì thế, để tăng hiệu suất truyền ở khoảng cách xa (cũng đồng nghĩa với việc tăng khoảng cách truyền không dây), tần số làm việc cả hệ thống được tăng lên từ vài chục KHz cho tới hàng chục MHz. Nhưng, khi tần số làm việc của hệ thống tăng lên thì các tổn hao trong mạch 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 proximiti 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 quả cao nhất cho hệ thống.

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

Với những ứng dụng cần truyền thông không dây với công suất thấp (dưới 10Kw). Khoảng cách 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, 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 tới 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 đại, không rheer làm việc ở tần số cùng điện áp cao như vậy. Vì vậy, hệ thống 4 cuộn dây được sử dụng để chế tạo ra các tụ điện cộng hưởng trên cơ sở các tụ điện kí sinh trên các cuộn dây.

Hệ thống này được đề xuất bởi nhóm nghiên cưu của MIT năm 2007 (3). Điểm đặc biệt của nó 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, 6.67Mhz, 13.56Mhz, 27.12Mhz,… (ISM band). Làm việc ở tần số cao, kích thước cùng trọng lượng của các cuộn dây giảm đi đáng kể. Nhưng, với công nghệ hiện tại, hệ thống WPT làm việc ở tần số MHz bị hạn chế về công suất truyền. Do tần số chuyển mạch của các bộ biến đổi làm việc trong hệ thống quá cao dẫn tới tổn hao chuyến mạc rất lớn. Đồng thời, tổn hao này do các hiệu ứng của dòng điện tần số cao gây ra trong các cuộn dây cũng ảnh hưởng rất lớn tợi hiệu suất của hệ thống.

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. Nó có tác dụng như cáp bộ lặp, hay các cầu nối từ trường. Ngoài ra thì hệ thống WPT nhiều cuộn dây cũng được phát triển để ứng dụng trong trường hợp cung cấp năng lượng cùng lúc cho nhiều tài khoản. Khi đó thì các cuộn dây có tác dụng hỗ trợ nhau và cũng có thể làm tăng khoảng cách truyền. Nhưng việc phân tích cùng thiết kế hệ thống rất phức tạp.

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, nó đang ngày càng phát triển và trở nên phổ biến. Các nhà sản xuất ô tô lớn trên thế giới đều đã phát triển ra những mẫu xe ô tô điện cho riêng mình với nhiều cái tên 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.

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

Cấu trúc của hệ thống sạc điện không dây cho ô tô điện trong nghiên cứu của tác giả được mô tả trong 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 1 chiều bằng việc sử dụng bộ chỉnh lưu có điều chỉnh hệ số công suất (Rectifer PFC). Sau đó, 1 bộ nghịch lưu tần số cao (high frequency inverter) sử dụng để tạo ra nguồn điện xoay tần số cao và cấp điện cho phía sơ cấp của hệ thóng WPT. Năng lượng điện được truyền không dây từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp của hệ thống WPT, rồi dòng điện tần số cao của bên thứ cấp được chuyển biến ngược thành nguồn điện 1 chiều thông qua bộ chỉnh lưu tần số cao. Phía sau của bộ chuyển biến tần số cao là bộ chuyển đổi DC/DC dùng để điều khiển phối hợp trở kháng trong hệ thống WPT để đạt được hiệu suất truyền cao nhất. Đồng thời nó điều khiển quá trình sạc ắc quy trên xe ô tô điện (Impedance catching and charging control).

Các nghiên cứu trong hệ thống bao gồm việc nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi cùng các cuộn dây trong hệ thống WPT. Đây chính là sự kết hợp chặt chẽ 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 được hiệu suất truyền cao nhất. Hiện nay, với hệ thống sạch tĩnh, hiệu suất của nó có thể đạt tới 90%, có thể so sánh với hệ thống sạc có dây thông thường.

Ngoài việc ứng dụng xạc không dây cho ô tô điện khi đứng yên thì hệ thống WPT còn đang được pát triển để xạc cho xe điện ngay cả khi đạng chạy ở trên đường, nó được gọi là sạc tự động. Với hệ thống này thì ô tô điện không cần phải dừng lại để sạc, vì khoảng cách chạy của xe với 1 lần sạc được tăng lên đáng kể cùng số ượng ắc quy cần thiết cho xe cũng 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.

Lời kết

Công nghệ truyền điện không dây sẽ là một công nghệ được ứng dụng phổ biến trong tương lai. Và nó sẽ thay đổi cuộc sống con người mạnh mẽ nhất. Không những ứng dụng trong công nghệ sạc không dây cho ô tô điện thì công nghệ WPT còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong công nghiệp và trong cuộc sống hàng ngày. Trong tương lai thì các thiết bị điện trong gia đình cũng không còn cần phải cắm điện nữa. Các thiết bị di dộng cầm tay cũng sẽ không còn quá nặng do pin và cũng không cần sạc pin mỗi ngày mà nó sẽ được cấp điện trực tiếp hoặc sạc ngay cả khi sử dụng trên tay người dùng.

Các hệ thống robot hay xe tự lái sẽ tự động hóa doàn toàn khi việc sạc năng lượng sẽ dễ dàng được tự động hóa. Trong hệ thống y tế, các thiết bị điện được cấy trong cơ tể con người có thể được cấp điên jtrwcj tiếp từ bên ngoài mà không cần bất kỳ tiếp xúc nào. Đây cũng chính là công nghệ tiềm năng trong tương lai, đòi hỏi cho việc nghiên cứu và phát triển ở mức độ cao.

Với điều kiện tại Việt Nam, nếu như được đầu tư các thiết bị điện 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 tới cho bạn ddowcj 1 cái nhìn cơ bản về công nghệ truyền điện không dây. Đồng thời tác giả cũng hi vọng có nhiều nhà nghiên cứu Việt Nam sẽ quan tâm đồng thời phát triển công nghệ này khi hiện nay tại Việt Nam, công nghệ truyền điện không dây còn rất mới mẻ và chưa có các nghiên cứu bài bản nào được công bố.

Công nghệ truyền điện không dây và ứng dụng truyền điện không dây cho ô tô điện