Dual-Loop PI-Steuerung für ein dynamisches drahtloses Ladesystem für Elektrofahrzeuge mit Dual-Sendern unter Verwendung von 3D-Modellierung von DD-Spulen

Zusammenfassung

Diese Arbeit präsentiert ein simulationsbasiertes dynamisches drahtloses Leistungsübertragungssystem (DWPT) mit einer Doppel-D-(DD)-Spulenstruktur in einer Dual-Transmitter-Single-Receiver-Topologie (DTSR) und einer Dual-Loop-Proportional-Integral-(PI)-Steuerungsstrategie, die regulierte Spannung und Leistungsabgabe unter Kopplungsvariation, Fehlausrichtungseffekten und einem 150-mm-Luftspalt demonstriert.

Zusammenfassung

Die dynamische drahtlose Energieübertragung (DWPT) ist eine aufkommende Technologie zur Energieversorgung von Elektrofahrzeugen (EVs) während der Fahrt; seine Leistung wird jedoch erheblich durch Kupplungsvariationen, Spulenverschiebungen und Lastschwankungen beeinflusst. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, stellt diese Studie ein simulationsbasiertes Protokoll vor, das elektromagnetische Modellierung, Ko-Simulation auf Schaltungsebene und koordinierte Steuerungsbewertung für ein Dual-Transmitter-Single-Receiver (DTSR) DWPT-System integriert. Die Methodik beginnt mit einer dreidimensionalen elektromagnetischen Modellierung einer Doppel-D-(DD)-Spulenkonfiguration unter Verwendung eines Finite-Elemente-Lösers, um Selbst- und gegenseitige Induktanzvariationen unter Fehlausrichtungsbedingungen zu charakterisieren. Diese Parameter werden dann in ein resonantes Schaltungsmodell integriert, um die Leistungsübertragungsleistung zu optimieren. Das vollständige DTSR-System wird anschließend in einer System-Simulationsumgebung implementiert, in der eine dual-Loop-Proportional-Integral-(PI)-Steuerungsstrategie angewandt wird, um Ausgangsspannung und Leistung unter zeitlich variierenden Kopplungsbedingungen zu regulieren. Die Ergebnisse zeigen eine stabile Leistungsabgabe und effektive Regelungsleistung in dynamischen Betriebsszenarien, einschließlich eines festen Luftspalts von 150 mm und unterschiedlicher Ausrichtungsbedingungen. Der vorgeschlagene Rahmen ermöglicht eine systematische Bewertung der Systemdynamik, der Steuerungsreaktion und der Stromstabilität. Dieses Protokoll bietet einen strukturierten und reproduzierbaren Workflow zur Analyse und Validierung von DTSR-basierten DWPT-Systemen und unterstützt die Entwicklung robuster Steuerungsstrategien für dynamische Elektroladeanwendungen.

Einleitung

Elektrofahrzeuge (EVs) haben sich aufgrund ihrer Vorteile in Umweltfreundlichkeit, Isolation und Sicherheit^als wettbewerbsfähige Alternative zum Verkehr ^etabliert. Allerdings stehen Elektrofahrzeuge vor mehreren Einschränkungen, insbesondere der eingeschränkten Batterieautonomie, was zu eingeschränkter Reichweite, hohen Kosten und langen Ladezeiten^{von 3,4} führt. Die drahtlose Stromübertragungstechnologie (WPT) gilt als entscheidender Ermöglicher, um diese Einschränkungen zu überwinden, indem sie eine bequeme und kontinuierliche Energieversorgung bietet. Diese Ladetechnologie lässt sich in zwei Gruppen einteilen: statisches Laden, bei dem das Fahrzeug über dem Ladegerät steht, und dynamische drahtlose Stromübertragung (DWPT), die die Stromübertragung während der^{Fahrt von Elektrofahrzeugen von 5 bis 8} ermöglicht. DWPT hat sich als vielversprechender Ansatz etabliert, um die Batterieabhängigkeit zu verringern, die Mobilität zu verbessern^{und Zeit zu} sparen.

In der EV-DWPT-Technologie sind die Hauptforschungsbereiche das Spulendesign und die Systemtopologie. Verschiedene Spulenstrukturen wurden vorgeschlagen, unter denen die Doppel-D (DD) Spule für EV-DWPT-Anwendungen^weit verbreitet ist. Die Spulengröße und Optimierung hinsichtlich Kopplungskoeffizient, Kosten und Effizienz wurden umfassend untersucht^11,12. Darüber hinaus wurden modulare EV-DWPT-Topologien mit unterschiedlichen Konfigurationen untersucht, um eine hohe Effizienz^{von 13–16} zu erhalten. Die Effizienz von EV-DWPT-Systemen wird stark vom Design der Sender- und Empfängerpads^{10, 17, 18} beeinflusst, da die Spulengeometrie den Kopplungskoeffizienten, die Selbstinduktivität, die Fehlausrichtungstoleranz, die elektromagnetische Feldbelastung (EMF) und die Leistungsübertragungseigenschaften^beeinflusst. Zu den Konstruktionsparametern gehören Spulengeometrie, Abschirmung, Materialien, axiale und seitliche Fehlstellung sowie Abmessungen. Obwohl es mehrere Pad-Geometrien gibt (kreisförmig, rechteckig, DD, DDQ usw.), werden DD-Pads aufgrund ihrer hohen gegenseitigen Induktivität (M) und der industriellen Akzeptanz weit verbreitet, wie von der Society of Automotive Engineers (SAE J2954)²⁰ empfohlen. Jüngste Studien haben die Berechnung der Selbst- und gegenseitigen Induktivität unter Fehlausrichtungsbedingungen mit analytischen, numerischen, experimentellen und simulativen Ansätzen^21–25 untersucht.

Die meisten bisherigen Forschungen konzentrieren sich auf konventionelle Ein-Sender-Ein-Empfänger-(STSR) EV-DWPT-Systeme, die bei Hochleistungsanwendungen und Schnellladekapazität Einschränkungen haben. Um diese Einschränkungen zu beheben, wurden Dual-Transmitter-Single-Receiver-(DTSR)-Konfigurationen vorgeschlagen, um die Leistungsübertragungskapazität durch Bereitstellung mehrerer Übertragungswege zu erhöhen. Optimierte DTSR-Designs mit DD-Spulen und LCC-Kompensation wurden entwickelt, um die Leistungsübertragungseffizienz^{zu verbessern 27}, während theoretische Modellierungen und Impedanzanpassungstechniken untersucht wurden, um die Leistung unter dynamischen Bedingungen weiter zu verbessern²⁸. Die Reduzierung von Fehlausrichtungen in Multi-Sender-Systemen bleibt jedoch eine erhebliche Herausforderung, und verschiedene Designstrategien wurden vorgeschlagen, um^{dieses Problem zu} mindern. Zusätzlich wurden DTSR-Systeme, die mit einer gemeinsamen Resonanzfrequenz und energiesparenden Techniken arbeiten, eingeführt und experimentell^validiert.

Trotz dieser Fortschritte kann eine optimale Systemleistung bei EV-DWPT ohne effektive Steuerungsstrategien nicht erreicht werden. Kontrollmethoden werden im Allgemeinen in primärseitige, sekundäre und zweiseitige Kontrollmethoden³¹ eingeteilt. Beispielsweise wurde auf der Sekundärseite ein DC–DC-Wandler mit einem Proportional-Integral-(PI)-Regler verwendet, um die Ausgangsspannung unter variablen Last- und Kopplungsbedingungen³² zu regulieren. Auf der Hauptseite wird der Phasenverschiebungswinkel des Full-Bridge-Inverters üblicherweise so gesteuert, dass die Leistungsübertragung reguliert wird, während das Nullspannungsschalten (ZVS) bei Resonanz^{33, 34, 35} aufrechterhalten wird. Bestehende DTSR-DWPT-Studien behandeln jedoch typischerweise elektromagnetische Design-, Resonanzkompensations- oder Steuerungsstrategien getrennt. Im Gegensatz dazu integriert diese Arbeit diese Komponenten in einen einheitlichen Systemrahmen, um ihre kombinierte Wirkung unter dynamischen Betriebsbedingungen zu bewerten.

Das vorgeschlagene Verfahren kombiniert dreidimensionale Finite-Elemente-Modellierung und magnetische Optimierung von DD-Spulen, Ko-Simulation auf Schaltungsebene zur Entschädigungsnetzwerkgestaltung und Effizienzbewertung sowie koordinierte Steuerungsimplementierung mit einer Dual-Loop-PI-Struktur. Die innere Steuerschleife regelt den sekundärseitigen DC–DC-Buck-Wandler, um die Lastspannung unter variablen Bedingungen zu stabilisieren, während die äußere Schleife die Phasenverschiebung des primärseitigen Vollbrückenwechselrichters anpasst, um eine adaptive Leistungsübertragung als Reaktion auf Kopplungsvariationen zu erreichen.

Das System verwendet ein Serien-Serien-Kompensationsnetzwerk (SS), um die Blindleistung bei Resonanz zu minimieren und die Gesamteffizienz zu verbessern, wobei die Betriebsfrequenz auf 85 kHz festgelegt ist, um eine konsistente Parameterbewertung³⁶ sicherzustellen. Anstatt einen neuen Regelungsalgorithmus vorzuschlagen, liegt der Beitrag dieser Studie in der systematischen Integration eines konventionellen Dual-Loop-PI-Reglers in ein vollständiges elektromagnetisch-circuit-control-Co-Simulationsrahmen für DTSR-DWPT-Systeme, was eine koordinierte Spannungs- und Stromregulierung ermöglicht.

Das resultierende Framework zeigt eine stabile Leistungsabgabe unter repräsentativen dynamischen Ladebedingungen und erweitert die Anwendbarkeit etablierter Dual-Loop-PI-Steuerungsstrategien auf DTSR-EV-Ladesysteme. Die vorgeschlagene Methodik ist besonders geeignet für resonante induktive EV-Ladesysteme mit ähnlichen Pad-Geometrien und Betriebsbedingungen, wobei eine Anpassung für nicht-resonante Architekturen oder stark nichtlineare, zeitvariable Lasten erforderlich sein kann. Ein Workflow-Diagramm, das die Simulationsphasen illustriert, ist in Abbildung 1 dargestellt.

Protokoll

Die verwendeten Forschungsinstrumente sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. 3D Finite-Elemente-Modellierung von DD-Spulen

Die elektromagnetische Modellierung und Optimierung von Sender- und Empfänger-DD-Spulen wurde mit einem 3D-Finite-Element-Elektromagnetischen Solver realisiert. Die Abmessungen der Senderspule wurden durch Sweep-Länge und -breite optimiert, während die Abmessungen der Empfängerspule und der Abstand zwischen den Spulen konstant blieben. Die magnetische Kopplung zwischen beiden Seiten wurde gemessen, und ihre mathematische Darstellung ergibt sich durch³¹:

(1)

wobei den Kopplungskoeffizienten darstellt, der die magnetische Kopplung zwischen den Spulen beschreibt, die Selbstinduktivität der Senderspule bezeichnet und die Selbstinduktivität der Empfängerspule darstellt.

Basierend auf der aufgezeichneten maximalen magnetischen Kopplung wurden die Senderlänge und -breite ausgewählt. Die Empfängerspule wurde mit einer kleineren Breite als der Sender konstruiert, um die Toleranz für Fehlausrichtungen und die Mittenbereichskopplung²⁹ zu verbessern. Die optimierten Maße und Spezifikationen wurden in Abbildung 2 und Tabelle 1 dargestellt.

Während der Modellierung wurden die Spulen mit sinusförmigen Stromquellen bei 85 kHz angeregt, und die Magnetresonanzkopplung wurde über Serienkompensationskondensatoren ermöglicht. Adaptive Meshing wurde eingesetzt, wobei die Verfeinerung sich auf Bereiche mit hoher Magnetfeldintensität konzentrierte, insbesondere um die Sender- und Empfängerspulen. Selbstinduktivität, gegenseitige Induktivität und Kopplungskoeffizient wurden direkt aus den Feldlösungen mit eingebauten Parameterextraktionswerkzeugen extrahiert.

2. WPT-Schaltkreis-Kosimulation

Um die Leistungsübertragungseffizienz (PTE) des Systems bei der gewählten Frequenz zu bewerten, wurden die extrahierten elektromagnetischen Parameter in eine Schaltungssimulationsumgebung importiert (siehe Materialtabelle), und eine WPT-Schaltungsco-Simulation durchgeführt. Ein Zeitdomänen-Schaltungslöser wurde verwendet, um die Wechselwirkung zwischen dem Leistungswandler und dem gekoppelten Spulenmodell unter dynamischen Betriebsbedingungen zu simulieren. Die Kompensationselemente wurden so abgestimmt, dass sie die Resonanzbedingung erfüllen, definiert durch:

    .(2)

wobei die primäre Ausgleichskomponente darstellt.

Der Luftspalt zwischen den Spulen wurde auf 150 mm festgelegt. Die maximale PTE wurde unter den gegebenen Abstandsbeschränkungen auf etwa 0,0851 MHz als Betriebsfrequenz geschätzt. Die maximale PTE wurde auf etwa 0,0851 MHz bei einer Betriebsfrequenz unter den gegebenen Abstandsbeschränkungen geschätzt. Die Ergebnisse zeigten, dass magnetresonanzbasierte Kopplung auf mittleren Entfernungen eine höhere Effizienz erzielte als alternative drahtlose Leistungsübertragungsansätze, was ihre Eignung für Anwendungen mit dynamischem Laden unterstützte.

3. Implementierung des DWPT-Systems

Das 3D-Spulenmodell des DTSR-Systems, implementiert im Finite-Elemente-Elektromagnetischen Löser, wurde in Abbildung 3 dargestellt. Die Bewegung der Empfängerspule wurde entlang der Y-Achse definiert (seitliche Fehlausrichtung), während die Verschiebung der X-Achse als null angenommen wurde. Die Z-Achse stellte den Luftspalt zwischen den Spulen dar, der auf 150 mm eingestellt war. Die gegenseitige Induktivität wurde eine Funktion der Verschiebung, ausgedrückt als .

Die Empfängerspule bewegte sich im xyz-Koordinatensystem von (0, −80, 150) mm auf (0, 1400, 150) mm, was zu einer Gesamtseitverschiebung von 2700 mm entlang der Y-Achse führte. Die Simulation wurde durchgeführt, um die Variation von mit lateraler Fehlausrichtung zu bewerten. Die numerischen Ergebnisse in Abbildung 4 und Ergänzungstabelle 1 zeigten die maximale gegenseitige Induktivität an den Positionen 9 und 22, entsprechend der Ausrichtung mit Sender 1 bzw. Sender 2.

Der Schaltplan des vorgeschlagenen DWPT-Systems wurde in Abbildung 5 dargestellt. Das System bestand aus zwei geerdeten Sendern und , sowie einem beweglichen Empfänger . Die Sender wurden von einer Gleichstromquelle gespeist, die an einen Vollbrückenwechselrichter angeschlossen war und Gleichspannung in hochfrequentes Wechselstrom umwandelte, das für die Magnetresonanzkopplung erforderlich ist. Der Ausgang wurde in ein Kompensationsnetzwerk eingespeist, um Resonanz zu erreichen, die Effizienz zu steigern und die Leistungsübertragung^{zu verbessern}. Gängige Kompensationstopologien wurden in früheren Studien^{diskutiert 38}.

Das vorgeschlagene System übernahm ein Serien-Serien-(SS)-Kompensationsnetzwerk, das die Resonanzimpedanz minimierte und die Blindleistung reduzierte. Kondensatoren bildeten das primäre Kompensationsnetzwerk, während sie die sekundäre Kompensationskomponente darstellten.

Das DWPT-System wurde auf Systemebene unter Verwendung der in Tabelle 2 angegebenen Parameter simuliert. Die induzierte Spannung hing von der gegenseitigen Induktivität ab, die mit der Spulenverschiebung während der Bewegung variierte. Das Systemverhalten unter variabler lateraler Verschiebung wurde analysiert, indem gegenseitige Induktivität, Spannung und Strom sowohl in Sender- als auch in Empfängerspulen beobachtet wurden. Für Simulationszwecke wurde eine Fahrzeuggeschwindigkeit von 27 m s⁻¹ (~60 mph) verwendet.

Die gegenseitige Induktivität, Senderspannung und Strom sind in Abbildung 6 dargestellt, wobei eine Nullphasenverschiebung den Betrieb bei Resonanz anzeigt. Die Empfängerspannung und der Strom wurden in Abbildung 7 dargestellt. Die Lastspannung und der Strom sind in Abbildung 8 dargestellt, die Ausgangsleistung ist in Abbildung 9 dargestellt. Schwankungen in den Lasteigenschaften wurden aufgrund von Veränderungen der gegenseitigen Induktivität und des Kopplungskoeffizienten beobachtet, die durch die im nächsten Abschnitt beschriebene Steuerungsstrategie adressiert wurden.

4. Kontrollmethodik

Ein Zweiseitensteuerungsansatz wurde verwendet, da er die Leistungsübertragung und Systemeffizienz unter unterschiedlichen Kupplungsbedingungen^{verbesserte 39,40}. Eine Dual-Loop-Proportional-Integral-(PI)-Regelungsstrategie wurde verfolgt, um sowohl Spannung als auch Strom zu regeln.

Die Reglerparameter wurden anhand von Kaskadenregelungsprinzipien und nicht nach empirischer Abstimmung ausgewählt. Die innere Stromschleife, die mit dem sekundärseitigen DC–DC-Abwärtswandler verbunden ist, wurde mit einer höheren Bandbreite konstruiert, um eine schnelle Reaktion und Störungsunterdrückung zu gewährleisten. Die äußere Schleife, die den primärseitigen Phasenverschiebungs-Vollbrückenwechselrichter (PSFB) steuerte, arbeitete mit einer geringeren Bandbreite, um die Schleifenentkopplung aufrechtzuerhalten.

Die PSFB-Steuerungsstrategie beinhaltete eine kontinuierliche Messung der Ausgangsspannung oder des Stroms am Empfänger, die an den Wechselrichter zurückgeführt wurde. Die Ausgangsleistung wurde durch Anpassung der Phasenverschiebung zwischen den Wechselrichterbeinen geregelt, wobei eine größere Phasenverschiebung zu einer erhöhten Leistungsübertragung führte. Der PI-Controller bestimmte die erforderliche Phasenverschiebung und erzeugte Pulsweitenmodulationssignale (PWM) für die Schaltsteuerung. Die Gesamtsteuerungsstruktur wurde in Abbildung 10 dargestellt.

Das Steuerungssystem wurde in einer diskreten Simulationsumgebung mit einer festen Abtastzeit implementiert, die ausreichte, um die 85-kHz-Schaltdynamik zu erfassen. Die Controller-Verstärkungen wurden so abgestimmt, dass stabiler Betrieb mit minimalem Überschießen und akzeptabler Einsetzzeit unter Schwankungen von Last- und Kupplungsbedingungen erreicht wurde, wobei ausreichende Stabilitätsmargen erhalten bleiben.

Die Validierung des Steuerungsdesigns wurde erreicht, wenn die kaskadierte PI-Struktur eine schnelle, gleichmäßige Spannungsrückgewinnung unter Störungen erzeugte und die innere Stromschleife schneller als die äußere Spannungsschleife reagierte. Abweichungen von diesen Eigenschaften deuteten auf mögliche Inkonsistenzen bei der Parameter-Extraktion, der Kompensationsabstimmung oder der Reglerkonfiguration hin.

Ergebnisse

Spulenoptimierungs-Sweep
Die Abmessungen der primären und sekundären DD-Spulen wurden anhand des im Protokoll beschriebenen parametrischen Sweeping-Verfahrens bestimmt. Die gemessene magnetische Kopplung zwischen beiden Seiten während des Dimensionssweepings der Primärspule zeigte, dass der maximale Kopplungskoeffizient bei einer Senderlänge von 500 mm und einer Breite von 370 mm erreicht wurde, mit Werten von 0,349204 bzw. 0,337464, wie in Abbild...

Diskussion

Die Hauptforschungslücke, die in dieser Arbeit behandelt wurde, betraf die begrenzte dynamische Stabilität und Regelungsgenauigkeit herkömmlicher Single-Loop- oder unkontrollierter DWPT-Systeme, insbesondere unter Lastschwankungen und Kupplungsschwankungen durch Fahrzeugbewegungen, wie in früheren Studien zu dynamischen drahtlosen Ladesystemen^{hervorgehoben wurde 7,8}. Die Ergebnisse zeigten, dass die vorgeschlagene Dual-Loop-PI-St...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
ANSYS Electronics Desktop (Maxwell 3D)	Ansys, Inc.Maxwell  (Version 2018)	N/A	Integrierte elektromagnetische Plattform, die ANSYS Maxwell  hostet; verwendet für die elektromagnetische Modellierung von DWPT-Spulen mit endlichen Elementen
ANSYS Electronics Desktop (Simplorer)	Ansys, Inc.Simplorer  (Version 2018)	N/A	Kommerzieller Schaltungsniveau-Simulator zur Implementierung des resonanten DWPT-Modells
MATLAB/Simulink	MathWorks, Inc. (Version R2023b)	N/A	Steuerungsdesign- und Simulationsumgebung für die Implementierung von Controllern und dynamische Systemsimulationen;