Control PI de doble bucle para un sistema dinámico inalámbrico de carga de vehículos eléctricos con transmisores duales utilizando modelado 3D de bobinas DD

Resumen

Este trabajo presenta un sistema de transferencia dinámica inalámbrica de potencia (DWPT) basado en simulación utilizando una estructura de bobina doble D (DD) en una topología de doble transmisor y receptor único (DTSR) y una estrategia de control proporcional–integral (PI) de doble lazo, demostrando la regulación de tensión y entrega de potencia bajo variación de acoplamiento, efectos de desalineación y un espacio de aire de 150 mm.

Resumen

La transferencia dinámica inalámbrica de energía (DWPT) es una tecnología emergente para suministrar energía a vehículos eléctricos (VE) mientras están en movimiento; sin embargo, su rendimiento se ve significativamente afectado por variaciones de acoplamiento, desalineación de bobinas y fluctuaciones de carga. Para abordar estos desafíos, este estudio presenta un protocolo basado en simulación que integra modelado electromagnético, cosimulación a nivel de circuito y evaluación coordinada de control para un sistema DWPT de doble transmisor y receptor único (DTSR). La metodología comienza con un modelado electromagnético tridimensional de una configuración de bobinas doble-D (DD) utilizando un solucionador de elementos finitos para caracterizar variaciones de inductancia propia y mutua bajo condiciones de desalineación. Estos parámetros se incorporan luego en un modelo de circuito resonante para optimizar el rendimiento de transferencia de potencia. El sistema DTSR completo se implementa posteriormente en un entorno de simulación a nivel de sistema, donde se aplica una estrategia de control de doble bucle proporcional–integral (PI) para regular la tensión y la potencia de salida bajo condiciones de acoplamiento variables en el tiempo. Los resultados demuestran una entrega de potencia estable y un rendimiento efectivo de regulación en escenarios de operación dinámica, incluyendo una separación fija de aire de 150 mm y condiciones variables de desalineación. El marco propuesto permite una evaluación sistemática de la dinámica del sistema, la respuesta de control y la estabilidad energética. Este protocolo proporciona un flujo de trabajo estructurado y reproducible para analizar y validar sistemas DWPT basados en DTSR y apoya el desarrollo de estrategias de control robustas para aplicaciones de carga dinámica de vehículos eléctricos.

Introducción

Los vehículos eléctricos (VE) han surgido como una alternativa competitiva para el transporte debido a sus ventajas en respeto medioambiental, aislamiento y^{seguridad 1,2}. Sin embargo, los vehículos eléctricos se enfrentan a varias limitaciones, destacando especialmente la autonomía limitada de la batería, lo que resulta en autonomía limitada, alto coste y tiempos de carga^{largos 3,4}. La tecnología de transferencia inalámbrica de energía (WPT) se considera un factor clave para superar estas limitaciones, proporcionando un suministro de energía cómodo y continuo. Esta tecnología de carga puede clasificarse en dos grupos: carga estática, donde el vehículo permanece parado sobre el cargador, y transferencia dinámica inalámbrica de energía (DWPT), que permite la transmisión de energía mientras los vehículos eléctricos están en^{movimiento 5–8}. DWPT ha surgido como un enfoque prometedor para reducir la dependencia de baterías, mejorar la movilidad y ahorrar^{tiempo 9}.

En la tecnología EV-DWPT, las principales áreas de investigación incluyen el diseño de bobinas y la topología del sistema. Se han propuesto diversas estructuras de bobinas, entre las cuales la bobina doble D (DD) es ampliamente adoptada para aplicaciones EV-DWPT¹⁰. El dimensionamiento y optimización de las bobinas en relación con el coeficiente de acoplamiento, coste y eficiencia han sido estudiados^{extensamente 11,12}. Además, se han investigado topologías modulares EV-DWPT con diferentes configuraciones para mantener una alta eficiencia^13–16. La eficiencia de los sistemas EV-DWPT está fuertemente influenciada por el diseño de las almohadillas de transmisor y receptor^{10, 17 y 18}, ya que la geometría de la bobina afecta al coeficiente de acoplamiento, la autoinductancia, la tolerancia a la desalineación, la exposición al campo electromagnético (EMF) y las características de transmisión^{de potencia 19}. Los parámetros de diseño incluyen la geometría de la bobina, el apantallamiento, los materiales, la desalineación axial y lateral, y las dimensiones. Aunque existen varias geometrías de plataformas (circular, rectangular, DD, DDQ, etc.), las plataformas DD se utilizan ampliamente debido a su alta inductancia mutua (M) y su adopción industrial, como recomienda la Society of Automotive Engineers (SAE J2954)²⁰. Estudios recientes han investigado el cálculo de la inductancia propia y mutua bajo condiciones de desalineación utilizando enfoques analíticos, numéricos, experimentales y de^{simulación 21–25}.

La mayoría de la investigación existente se centra en los sistemas convencionales EV-DWPT de un solo transmisor y receptor único (STRSR), que enfrentan limitaciones en aplicaciones de alta potencia y capacidad de carga^{rápida 16,26}. Para abordar estas limitaciones, se han propuesto configuraciones de doble transmisor y receptor único (DTSR) para aumentar la capacidad de transferencia de potencia proporcionando múltiples rutas de transmisión. Se han desarrollado diseños DTSR optimizados utilizando bobinas DD con compensación LCC para mejorar la eficiencia de transferencia^{de potencia 27}, mientras que se han investigado técnicas teóricas de modelado y adaptación de impedancias para mejorar aún más el rendimiento bajo condiciones^{dinámicas 28}. Sin embargo, la reducción de desalineación en sistemas multitransmisores sigue siendo un desafío importante, y se han propuesto diversas estrategias de diseño para mitigar este^{problema 29}. Además, se han introducido y validado experimentalmente sistemas DTSR que operan a una frecuencia de resonancia común con técnicas de ahorro energético^{en 30}.

A pesar de estos avances, el rendimiento óptimo del sistema en EV-DWPT no puede lograrse sin estrategias de control efectivas. Los métodos de control se clasifican generalmente en enfoques de control de lado primario, secundario y de doble lado³¹. Por ejemplo, se ha utilizado un convertidor DC–DC con un controlador de integral proporcional (PI) en el lado secundario para regular la tensión de salida bajo condiciones variables de carga y^{acoplamiento 32}. En el lado primario, el ángulo de desfase del inversor de puente completo se controla comúnmente para regular la transferencia de potencia manteniendo la conmutación de voltaje cero (ZVS) en la resonancia 33,34,35. Sin embargo, los estudios DTSR DWPT existentes suelen abordar por separado el diseño electromagnético, la compensación resonante o las estrategias de control. En cambio, este trabajo integra estos componentes dentro de un marco unificado a nivel de sistema para evaluar su impacto combinado bajo condiciones operativas dinámicas.

El procedimiento propuesto combina modelado tridimensional de elementos finitos y optimización magnética de bobinas DD, co-simulación a nivel de circuito para el diseño de redes de compensación y evaluación de eficiencia, y la implementación coordinada de control utilizando una estructura PI de doble lazo. El circuito de control interior regula el convertidor buck DC–DC del lado secundario para estabilizar la tensión de carga bajo condiciones variables, mientras que el lazo exterior ajusta el desplazamiento de fase del inversor de puente completo del lado primario para lograr una transferencia de potencia adaptativa en respuesta a las variaciones de acoplamiento.

El sistema adopta una red de compensación en serie (SS) para minimizar la potencia reactiva en resonancia y mejorar la eficiencia general, con la frecuencia de funcionamiento fijada en 85 kHz para asegurar una evaluación consistente^{de parámetros 36}. En lugar de proponer un nuevo algoritmo de control, la contribución de este estudio radica en la integración sistemática de un controlador PI convencional de doble lazo en un marco completo de cosimulación electromagnética–circuito–control para sistemas DTSR DWPT, permitiendo una regulación coordinada de voltaje y corriente.

El marco resultante demuestra una entrega de energía estable bajo condiciones representativas de carga dinámica y amplía la aplicabilidad de las estrategias establecidas de control PI de doble bucle a los sistemas de carga DTSR de VE. La metodología propuesta es especialmente adecuada para sistemas de carga inductiva resonante de VE con geometrías y condiciones de funcionamiento similares en plataformas, aunque puede ser necesaria adaptación para arquitecturas no resonantes o cargas altamente no lineales y variables en el tiempo. Un diagrama de flujo de trabajo que ilustra las etapas de simulación se proporciona en la Figura 1.

Protocolo

Las herramientas de investigación empleadas se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. 3D Modelado por elementos finitos de bobinas DD

El modelado electromagnético y la optimización de bobinas DD de transmisores y receptores se implementaron utilizando un solucionador electromagnético de elementos finitos 3D. Las dimensiones de la bobina del transmisor se optimizaron mediante la longitud y anchura de barrido, mientras que las dimensiones de la bobina receptora y la distancia entre las bobinas se mantuvieron fijas. Se midió el acoplamiento magnético entre ambos lados, y su representación matemática está dada por³¹:

(1)

donde representa el coeficiente de acoplamiento que describe el acoplamiento magnético entre las bobinas, denota la autoinductancia de la bobina transmisora y representa la autoinductancia de la bobina receptora.

En función del acoplamiento magnético máximo registrado, se seleccionaban la longitud y anchura del transmisor. La bobina receptora fue diseñada con un ancho menor que el transmisor para mejorar la tolerancia a la desalineación y el acoplamiento^{de rango medio 29}. Las dimensiones y especificaciones optimizadas se presentaron en la Figura 2 y la Tabla 1.

Durante el modelado, las bobinas se excitaban con fuentes de corriente sinusoidal a 85 kHz, y el acoplamiento por resonancia magnética se habilitaba mediante condensadores de compensación en serie. Se empleó mallado adaptativo, concentrando el refinamiento en regiones de alta intensidad de campo magnético, especialmente alrededor de las bobinas transmisora y receptora. La autoinductancia, inductancia mutua y coeficiente de acoplamiento se extrajeron directamente de las soluciones de campo utilizando herramientas integradas de extracción de parámetros.

2. Cosimulación de circuitos WPT

Para evaluar la eficiencia de transferencia de potencia (PTE) del sistema a la frecuencia seleccionada, los parámetros electromagnéticos extraídos se importaban a un entorno de simulación de circuitos (véase Tabla de Materiales) y se realizaba una co-simulación de circuitos WPT. Se utilizó un solucionador de circuitos en el dominio del tiempo para simular la interacción entre el convertidor electrónico de potencia y el modelo de bobina acoplada bajo condiciones de funcionamiento dinámica. Los elementos de compensación se ajustaron para satisfacer la condición de resonancia definida por:

    .(2)

donde representa el componente principal de compensación.

El espacio de aire entre las bobinas se fijó en 150 mm. La PTE máxima se estimó en aproximadamente 0,0851 MHz como frecuencia de funcionamiento bajo las restricciones de espaciamiento dadas. El PTE máximo se estimó en aproximadamente 0,0851 MHz a una frecuencia de funcionamiento bajo las restricciones de espaciamiento dadas. Los resultados indicaron que el acoplamiento basado en resonancia magnética alcanzó una mayor eficiencia a distancias medias en comparación con otros enfoques inalámbricos de transferencia de energía, lo que respalda su idoneidad para aplicaciones de carga dinámica.

3. Implementación del sistema DWPT

El modelo de bobina 3D del sistema DTSR implementado en el solucionador electromagnético de elementos finitos se presentó en la Figura 3. El movimiento de la bobina del receptor se definía a lo largo del eje Y (desalineación lateral), mientras que el desplazamiento del eje X se asumía que era cero. El eje Z representaba el espacio de aire entre las bobinas, que estaba ajustado a 150 mm. La inductancia mutua pasó a ser función del desplazamiento, expresada como .

La bobina receptora pasó de (0, −80, 150) mm a (0, 1400, 150) mm en el sistema de coordenadas xyz, resultando en un desplazamiento lateral total de 2700 mm a lo largo del eje Y. La simulación se realizó para evaluar la variación de con desalineación lateral. Los resultados numéricos presentados en la Figura 4 y la Tabla Suplementaria 1 indicaron la inductancia mutua máxima en las posiciones 9 y 22, correspondientes a la alineación con el transmisor 1 y el transmisor 2, respectivamente.

El diagrama de circuito del sistema DWPT propuesto se mostró en la Figura 5. El sistema constaba de dos transmisores conectados a tierra y , y un receptor móvil . Los transmisores se suministraban mediante una fuente de CC conectada a un inversor de puente completo, que convertía la tensión DC en corriente alterna de alta frecuencia necesaria para el acoplamiento por resonancia magnética. La salida se alimentaba a una red de compensación para lograr resonancia, mejorar la eficiencia y potenciar la transferencia^{de potencia 37}. Las topologías de compensación común se discutieron en estudios^{previos 38}.

El sistema propuesto adoptó una red de compensación en serie (SS), que minimizaba la impedancia en resonancia y reducía la potencia reactiva. Condensadores y formaban la red principal de compensación, mientras que representaban el componente secundario de compensación.

El sistema DWPT se simuló a nivel de sistema utilizando los parámetros dados en la Tabla 2. El voltaje inducido dependía de la inductancia mutua, que variaba con el desplazamiento de la bobina durante el movimiento. El comportamiento del sistema bajo desplazamientos laterales variables se analizó observando inductancia mutua, voltaje y corriente tanto en bobinas transmisoras como receptoras. Para fines de simulación, se utilizó una velocidad de vehículo de 27 m s⁻¹ (~60 mph).

La inductancia mutua, el voltaje del transmisor y la corriente se muestran en la Figura 6, donde un desplazamiento de fase cero indica operación en resonancia. El voltaje y corriente del receptor se presentan en la Figura 7. La tensión y corriente de carga se muestran en la Figura 8, y la potencia de salida en la Figura 9. Se observaron variaciones en las características de carga debido a cambios en la inductancia mutua y el coeficiente de acoplamiento, que se abordaron mediante la estrategia de control descrita en la siguiente sección.

4. Metodología de control

Se empleó un enfoque de control de doble lado debido a su eficacia para mejorar la transferencia de potencia y la eficiencia del sistema bajo condiciones de acoplamiento variables^39,40. Se adoptó una estrategia de control de doble lazo proporcional–integral (PI) para regular tanto el voltaje como la corriente.

Los parámetros del controlador se seleccionaron en base a principios de diseño de control en cascada en lugar de ajustes empíricos. El bucle de corriente interior, asociado al convertidor buck DC–DC secundario, fue diseñado con un mayor ancho de banda para asegurar una respuesta rápida y un rechazo de perturbaciones. El bucle exterior, que controla el inversor de puente completo con desplazamiento de fase (PSFB) del lado primario, operaba a un ancho de banda menor para mantener el desacoplamiento del bucle.

La estrategia de control PSFB consistía en la medición continua de la tensión o corriente de salida en el receptor, que se devolvía al inversor. La potencia de salida se controlaba ajustando el desplazamiento de fase entre las patas del inversor, con un desplazamiento de fase mayor que resultaba en una mayor transferencia de potencia. El controlador PI determinaba el desplazamiento de fase requerido y generaba señales de modulación de ancho de pulso (PWM) para el control por conmutación. La estructura general de control se ilustró en la Figura 10.

El sistema de control se implementó en un entorno de simulación en tiempo discreto con un periodo de muestreo fijo suficiente para captar la dinámica de conmutación de 85 kHz. Las ganancias del controlador se ajustaron para lograr un funcionamiento estable con un sobrepaso mínimo y un tiempo de asentamiento aceptable bajo variaciones en las condiciones de carga y acoplamiento, manteniendo al mismo tiempo márgenes de estabilidad adecuados.

La validación del diseño de control se lograba cuando la estructura PI en cascada producía una recuperación rápida y suave de voltaje bajo perturbaciones y cuando el bucle de corriente interior respondía más rápido que el bucle de tensión exterior. Las desviaciones respecto a estas características indicaban posibles inconsistencias en la extracción de parámetros, la afinación de compensación o la configuración del controlador.

Resultados

Barrido de optimización de bobinas
Las dimensiones de las bobinas DD primaria y secundaria se determinaron en función del procedimiento de barrido paramétrico descrito en el protocolo. El acoplamiento magnético medido entre ambos lados durante el barrido de la dimensión primaria de la bobina indicó que el coeficiente máximo de acoplamiento se alcanzó a una longitud del transmisor de 500 mm y un ancho de 370 mm, con valores de 0,349204 y 0,337464, respectivamente, como...

Discusión

La principal carencia de investigación abordada en este trabajo se refería a la limitada estabilidad dinámica y precisión de regulación de los sistemas DWPT convencionales de bucle único o no controlados, especialmente bajo variaciones de carga y fluctuaciones de acoplamiento causadas por el movimiento del vehículo, como se destacó en estudios previos sobre sistemas de carga inalámbrica dinámica ^7,8. Los resultados demostraron qu...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
ANSYS Electrónica de sobremesa (Maxwell 3D)	Ansys, Inc. Maxwell & nbsp; (versión 2018)	N/A	Plataforma electromagnética integrada que aloja ANSYS Maxwell & nbsp; Utilizado para modelado electromagnético por elementos finitos de bobinas DWPT
ANSYS Electrónica de sobremesa (Simplorer)	Ansys, Inc. Simplorer  (versión 2018)	N/A	Simulador comercial a nivel de circuito utilizado para implementar el modelo DWPT resonante
MATLAB/Simulink	MathWorks, Inc. (versión R2023b)	N/A	Diseño de control y entorno de simulación utilizado para la implementación de controladores y simulación de sistemas dinámicos