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2.5 Avaliação das Emissões EM dos Sistemas de TESC
Nos últimos anos o interesse na TESC, especialmente para o carregamento de baterias de VE, está a aumentar rapidamente. Como resultado da crescente aplicação de TESC nos equipamentos eletrónicos industriais e de consumo, são levantadas mais preocupações sobre a CEM, uma vez que os sistemas de TESC produzem emissões EM no ambiente circundante. Os equipamentos eletrónicos de consumo operam com valores de potência na ordem das dezenas de Watt. Em comparação, o equipamento comercial para carregamento de baterias de VE sem contacto opera com a potência na ordem desde alguns kW até dezenas de kW. Assim, é mais provável que o incremento do valor da energia EM irradiada neste último caso possa afetar adversamente não só os seres vivos, mas também outros equipamentos elétricos e eletrónicos adjacentes [Kong15, Monti18].
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As questões de CEM do sistema de TESC aumentam a necessidade de uma análise detalhada dos processos EM no corpo humano e restantes seres vivos expostos à energia eletromagnética irradiada. Em [Pinto17] é referido que o campo EM produzido pelo sistema de TESC é altamente não uniforme e pode exceder os níveis de referência estabelecidos pelos regulamentos internacionais. Considerando que o estudo "in vivo" da distribuição do campo EM no corpo humano é impossível, a única oportunidade de avaliar o impacto do campo EM nos seres vivos é através da modelação e simulação. Recentemente, alguns artigos foram publicados, discutindo a modelação e simulação de processos eletromagnéticos em sistemas de TESC e exposição humana.
Em [Agarwal15] é apresentado um sistema de TESC por acoplamento indutivo ressonante, que foi desenvolvido utilizando o método dos elementos finitos (Finite
Element Method, FEM). Nesta publicação é apresentada a influência da aplicação
de um material "met", conhecido como condutor magnético perfeito, no rendimento do sistema de TESC.
Em [Isaev16] é apresentado um modelo para a TESC com as bobinas de forma irregular. Os parâmetros do circuito, como indutância e resistência da bobina, são definidos através da avaliação do campo EM produzido pelo sistema, feita pelo FEM. É apresentada a distribuição espacial do campo EM para diferentes distâncias entre as bobinas.
Em [Bosshard14] é apresentada a modelação do protótipo do sistema de TESC por acoplamento indutivo ressonante com uma potência de 5 kW e com a distância entre as bobinas Tx e Rx de 52 mm, usando a aplicação computacional Ansys Maxwell aplicando o FEM. São apresentados os métodos de cálculo para prever as perdas de energia, o campo magnético irradiado e valores de auto-indutâncias, indutância mútua e coeficiente de acoplamento entre as bobinas Tx e Rx. Os resultados da simulação são comparados com os valores do campo magnético irradiado medido do protótipo do sistema de TESC por acoplamento indutivo ressonante, apresentando um erro de cálculo de menos de 5%.
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Em [Jorgetto15] são apresentados a metodologia de modelação por FEM e os resultados da simulação, aplicados ao desenvolvimento de um sistema de TESC. A partir das simulações FEM é obtido o campo magnético, a auto-indutâncias e a indutância mútua do sistema de TESC modelado. Através do uso do programa computacional Comsol foram confirmados os resultados teóricos da modelação proposta para um pequeno VE admitido como o caso de estudo.
Em [Chang14], é apresentado o design das bobinas de um sistema de TESC com análise por FEM e com simulação em Matlab. O coeficiente de acoplamento das bobinas, o rendimento e o melhor valor da energia transferida através do sistema são obtidos com base na simulação. A seguir, protótipo de TESC é implementado usando os dados obtidos da simulação. De acordo com a comparação dos resultados experimentais e de simulação é provado que a modelação baseada na análise de FEM e na simulação do Matlab é razoável e válida.
Em [Kim14c], um sistema de TESC com o valor de 5 kW de potência com topologia do circuito ressonante em série e em paralelo é analisado e implementado. É proposta uma blindagem reativa ressonante que permite reduzir efetivamente o campo magnético induzido por protótipo de TESC sem consumir energia adicional. A blindagem reativa ressonante é baseada no uso de uma bobina associada em série com um banco de condensadores. O sensor magnético dentro da área da bobina de blindagem mede periodicamente o campo magnético total produzido pelas bobinas Tx e Rx e pela bobina de blindagem. Os dispositivos de monitorização ajustam a capacitância do banco de condensadores para alterar o campo magnético induzido pela bobina de blindagem e, assim, minimizar o campo magnético total. A eficácia de blindagem reativa ressonante e seu efeito no rendimento do sistema de TESC são analisados com simulação em FEM e medições. Os resultados demonstram que o campo EM pode ser suprimido em 64 % usando um escudo reativo ressonante. A distribuição do campo magnético simulado sem (a) e com (b) escudo reativo ressonante [Kim14c] é apresentada na Figura 2.8.
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Em [Wen17] o FEM é utilizado para estudar o campo EM produzido pelo sistema de TESC. Os efeitos do campo elétrico induzido no corpo humano pelo sistema de TESC e a taxa de absorção específica (Especifica Absorto Rate, SAR) também são simulados e avaliados.
Figura 2.8 – Distribuição do campo magnético simulado:
(a) sem escudo reativo ressonante; (b) com escudo reativo ressonante.
Em [Mude16] é apresentado o acoplamento indutivo de duas bobinas de um sistema de TESC para carregamento de bateria de um VE urbano. Aplicando uma análise por FEM são investigados os parâmetros indutivos em função da distância entre as bobinas Tx e Rx, do desalinhamento axial e do campo EM. É realizada a verificação da admissibilidade do campo EM para os seres vivos. Finalmente, os valores simulados dos parâmetros indutivos e do campo EM são validados por medições realizadas no protótipo.
Em [Laakso15], é modelado e simulado o campo magnético produzido pelo sistema de TESC considerando um VE real com valor de potência de 7 kW, usando o software Ansys Maxwell. Para validar o modelo, o campo magnético simulado
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é comparado com o medido, mantendo o RMSE (Root-Mean-Squared Error) entre os valores de 0.72 e 0.86, respetivamente. Finalmente, foi avaliado o campo elétrico induzido em um modelo de corpo humano por um campo EM produzido pelo sistema de TESC.
2.6 Conclusões
Neste capítulo são abordados os conceitos associados aos sistemas de TESC. De acordo com a bibliografia disponível, para o sistema de TESC orientado para o carregamento da bateria de um VE, a técnica de acoplamento indutivo ressonante é reconhecida como a mais adequada. No que se refere às emissões EM de alta intensidade irradiadas pelo sistema de TESC, é referido que estas podem influenciar de forma adversa quer os seres vivos quer o canal de comunicação.