Contrôle PI à double boucle pour un système dynamique de recharge sans fil pour véhicules électriques avec doubles émetteurs utilisant la modélisation 3D des bobines DD

Résumé

Ce travail présente un système de transfert dynamique de puissance sans fil (DWPT) basé sur la simulation, utilisant une structure de bobine double-D (DD) dans une topologie à double transmetteur à récepteur unique (DTSR) et une stratégie de contrôle à double boucle proportionnelle–intégrale (PI), démontrant la tension et la distribution de puissance régulées sous variation de couplage, des effets de désalignement et un espace d’air de 150 mm.

Résumé

Le transfert dynamique d’énergie sans fil (DWPT) est une technologie émergente pour fournir de l’énergie aux véhicules électriques (VE) en mouvement ; cependant, ses performances sont fortement affectées par les variations de couplage, le désalignement des bobines et les fluctuations de charge. Pour relever ces défis, cette étude présente un protocole basé sur la simulation qui intègre la modélisation électromagnétique, la co-simulation au niveau du circuit et l’évaluation coordonnée du contrôle pour un système DWPT à double transmetteur et récepteur unique (DTSR). La méthodologie commence par la modélisation électromagnétique tridimensionnelle d’une configuration de bobine double-D (DD) utilisant un solveur d’éléments finis pour caractériser les variations d’auto-inductance et mutuelles dans des conditions de désalignement. Ces paramètres sont ensuite intégrés dans un modèle de circuit résonant pour optimiser la performance de transfert de puissance. Le système DTSR complet est ensuite implémenté dans un environnement de simulation au niveau du système, où une stratégie de contrôle proportionnelle-intégrale (PI) à double boucle est appliquée pour réguler la tension et la puissance de sortie sous des conditions de couplage variables dans le temps. Les résultats démontrent une livraison de puissance stable et une régulation efficace dans des scénarios d’exploitation dynamiques, incluant un écart d’air fixe de 150 mm et des conditions de désalignement variables. Le cadre proposé permet une évaluation systématique de la dynamique du système, de la réponse de contrôle et de la stabilité de la puissance. Ce protocole offre un flux de travail structuré et reproductible pour analyser et valider les systèmes DWPT basés sur DTSR et soutient le développement de stratégies de contrôle robustes pour les applications de recharge dynamique de VE.

Introduction

Les véhicules électriques (VE) se sont imposés comme une alternative concurrentielle pour le transport en raison de leurs avantages en matière d’environnement respectueux de l’environnement, d’isolement et^{de sécurité 1,2}. Cependant, les VE font face à plusieurs contraintes, notamment une autonomie limitée de la batterie, qui entraîne une autonomie de conduite limitée, un coût élevé et des temps de recharge^{longs 3,4}. La technologie de transfert d’énergie sans fil (WPT) est considérée comme un élément clé pour surmonter ces limitations en fournissant un approvisionnement énergétique pratique et continu. Cette technologie de recharge peut être classée en deux catégories : la recharge statique, où le véhicule est stationnaire au-dessus du chargeur, et le transfert dynamique sans fil d’énergie (DWPT), qui permet la transmission d’énergie pendant que les VE sont en^{mouvement 5 à 8}. DWPT s’est imposé comme une approche prometteuse pour réduire la dépendance aux batteries, améliorer la mobilité et gagner du temps⁹.

Dans la technologie EV-DWPT, les principaux domaines de recherche incluent la conception des bobines et la topologie des systèmes. Diverses structures de bobine ont été proposées, parmi lesquelles la bobine double-D (DD) est largement adoptée pour les applications^{EV-DWPT 10}. Le dimensionnement et l’optimisation des bobines, en ce qui concerne le coefficient de couplage, le coût et l’efficacité, ont été largement^{étudiés 11,12}. De plus, des topologies modulaires EV-DWPT avec différentes configurations ont été étudiées afin de maintenir une haute efficacité^13–16. L’efficacité des systèmes EV-DWPT est fortement influencée par la conception des patins émetteur et^{récepteur 10, 17, 18}, car la géométrie de la bobine influence le coefficient de couplage, l’auto-inductance, la tolérance au désalignement, l’exposition au champ électromagnétique (EMF) et les caractéristiques de transmission^{de puissance 19}. Les paramètres de conception incluent la géométrie des bobines, le blindage, les matériaux, le désalignement axial et latéral, ainsi que les dimensions. Bien que plusieurs géométries de rampe existent (circulaire, rectangulaire, DD, DDQ, etc.), les plaques DD sont largement utilisées en raison de leur forte inductance mutuelle (M) et de leur adoption industrielle, comme recommandé par la Society of Automotive Engineers (SAE J2954)²⁰. Des études récentes ont étudié le calcul de l’inductance auto- et mutuelle sous des conditions de désalignement en utilisant les approches analytiques, numériques, expérimentales et^{de simulation 21–25}.

La plupart des recherches existantes portent sur les systèmes EV-DWPT conventionnels à récepteur unique et à un seul émetteur (STRSR), qui rencontrent des limitations dans les applications à haute puissance et la capacité de charge^{rapide 16,26}. Pour répondre à ces limitations, des configurations à double émetteur et récepteur unique (DTSR) ont été proposées afin d’augmenter la capacité de transfert de puissance en fournissant plusieurs chemins de transmission. Des conceptions DTSR optimisées utilisant des bobines DD avec compensation LCC ont été développées pour améliorer l’efficacité de transfert^{de puissance 27}, tandis que des techniques théoriques de modélisation et d’adaptation d’impédance ont été étudiées pour améliorer encore les performances dans des conditions^{dynamiques 28}. Cependant, la réduction du désalignement dans les systèmes multiémetteurs reste un défi important, et diverses stratégies de conception ont été proposées pour atténuer ce^{problème 29}. De plus, des systèmes DTSR fonctionnant à une fréquence de résonance commune avec des techniques d’économie d’énergie ont été introduits et validés^{expérimentalement à 30}.

Malgré ces avancées, la performance optimale du système dans EV-DWPT ne peut être atteinte sans stratégies de contrôle efficaces. Les méthodes de contrôle sont généralement classées en approches de contrôle côté primaire, côté secondaire et double^{côté 31}. Par exemple, un convertisseur DC–DC avec un contrôleur proportionnelle-intégrale (PI) a été utilisé du côté secondaire pour réguler la tension de sortie sous des conditions de charge et de couplage variables³². Du côté primaire, l’angle de décalage de phase de l’onduleur à pont complet est généralement contrôlé pour réguler le transfert de puissance tout en maintenant la commutation zéro tension (ZVS) à la résonance^{33, 34, 35}. Cependant, les études DTSR DWPT existantes traitent généralement séparément la conception électromagnétique, la compensation résonante ou les stratégies de contrôle. En revanche, ce travail intègre ces composants dans un cadre unifié au niveau du système afin d’évaluer leur impact combiné dans des conditions opérationnelles dynamiques.

La procédure proposée combine la modélisation tridimensionnelle par éléments finis et l’optimisation magnétique des bobines DD, la co-simulation au niveau du circuit pour la conception de réseaux de compensation et l’évaluation de l’efficacité, ainsi qu’une mise en œuvre coordonnée de contrôle utilisant une structure PI à double boucle. La boucle de contrôle interne régule le convertisseur DC–DC côté secondaire pour stabiliser la tension de charge dans des conditions variables, tandis que la boucle extérieure ajuste le décalage de phase de l’onduleur à pont complet côté primaire pour obtenir un transfert de puissance adaptatif en réponse aux variations de couplage.

Le système adopte un réseau de compensation série-série (SS) pour minimiser la puissance réactive à la résonance et améliorer l’efficacité globale, avec la fréquence de fonctionnement fixée à 85 kHz pour assurer une évaluation cohérente des^{paramètres 36}. Plutôt que de proposer un nouvel algorithme de contrôle, la contribution de cette étude réside dans l’intégration systématique d’un contrôleur PI conventionnel à double boucle dans un cadre complet de co-simulation électromagnétique-circuit-contrôle pour les systèmes DTSR DWPT, permettant une régulation coordonnée de la tension et du courant.

Le cadre résultant démontre une livraison de puissance stable dans des conditions de recharge dynamique représentatives et étend l’applicabilité des stratégies de contrôle PI à double boucle établies aux systèmes de recharge DTSR pour VE. La méthodologie proposée convient particulièrement aux systèmes de recharge inductive résonante de VE avec des géométries et conditions de fonctionnement similaires, bien qu’une adaptation puisse être nécessaire pour des architectures non résonantes ou des charges fortement non linéaires et variables dans le temps. Un diagramme de flux de travail illustrant les étapes de simulation est fourni à la Figure 1.

Protocole

Les outils de recherche utilisés sont listés dans le Tableau des matériaux.

1. 3D Modélisation par éléments finis des bobines DD

La modélisation électromagnétique et l’optimisation des bobines DD de l’émetteur et du récepteur ont été réalisées à l’aide d’un solveur électromagnétique 3D à éléments finis. Les dimensions des bobines de l’émetteur étaient optimisées en balayant la longueur et la largeur, tandis que les dimensions des bobines de récepteur et la distance entre les bobines étaient maintenues fixes. Le couplage magnétique entre les deux côtés a été mesuré, et sa représentation mathématique est donnée par³¹ :

(1)

où représente le coefficient de couplage décrivant le couplage magnétique entre les bobines, désigne l’auto-inductance de la bobine émetteuse, et représente l’auto-inductance de la bobine réceptrice.

Sur la base du couplage magnétique maximal enregistré, la longueur et la largeur de l’émetteur étaient sélectionnées. La bobine réceptrice a été conçue avec une largeur plus petite que l’émetteur afin d’améliorer la tolérance au désalignement et l’accouplement^{moyen 29}. Les dimensions et spécifications optimisées ont été présentées dans la Figure 2 et le Tableau 1.

Lors de la modélisation, les bobines étaient excitées avec des sources de courant sinusoïdales à 85 kHz, et le couplage par résonance magnétique était rendu possible via des condensateurs de compensation en série. Le maillage adaptatif a été employé, avec un raffinement concentré dans les régions à forte intensité de champ magnétique, en particulier autour des bobines de l’émetteur et du récepteur. L’auto-inductance, l’inductance mutuelle et le coefficient de couplage ont été directement extraits des solutions de champ à l’aide d’outils d’extraction de paramètres intégrés.

2. Co-simulation de circuit WPT

Pour évaluer l’efficacité de transfert de puissance du système (PTE) à la fréquence sélectionnée, les paramètres électromagnétiques extraits ont été importés dans un environnement de simulation de circuit (voir Tableau des matériaux), et une co-simulation de circuit WPT a été réalisée. Un solveur de circuits dans le domaine temporel a été utilisé pour simuler l’interaction entre le convertisseur électronique de puissance et le modèle de bobine couplée dans des conditions de fonctionnement dynamiques. Les éléments de compensation étaient accordés pour satisfaire la condition de résonance définie par :

    .(2)

où représente la composante principale de rémunération .

L’espace d’air entre les bobines était fixé à 150 mm. Le PTE maximal a été estimé à environ 0,0851 MHz comme fréquence d’exploitation sous les contraintes d’espacement données. Le PTE maximal a été estimé à environ 0,0851 MHz à une fréquence de fonctionnement sous les contraintes d’espacement données. Les résultats ont indiqué que le couplage basé sur la résonance magnétique atteignait une efficacité supérieure à des distances moyennes comparé aux approches alternatives de transfert d’énergie sans fil, ce qui soutient son adéquation pour des applications de charge dynamique.

3. Mise en œuvre du système DWPT

Le modèle de bobine 3D du système DTSR implémenté dans le solveur électromagnétique aux éléments finis a été présenté à la Figure 3. Le mouvement de la bobine du récepteur était défini le long de l’axe Y (désalignement latéral), tandis que le déplacement sur l’axe X était supposé nul. L’axe Z représentait l’espace d’air entre les bobines, réglé à 150 mm. L’inductance mutuelle est devenue une fonction du déplacement, exprimée comme .

La bobine du récepteur est passée de (0, −80, 150) mm à (0, 1400, 150) mm dans le système de coordonnées xyz, ce qui a entraîné un déplacement latéral total de 2700 mm le long de l’axe Y. La simulation a été réalisée pour évaluer la variation de avec un désalignement latéral. Les résultats numériques présentés à la Figure 4 et au Tableau Supplémentaire 1 indiquaient une inductance mutuelle maximale aux positions 9 et 22, correspondant respectivement à l’alignement avec l’émetteur 1 et l’émetteur 2.

Le schéma du système DWPT proposé a été illustré à la Figure 5. Le système se composait de deux émetteurs reliés à la terre et , ainsi qu’un récepteur mobile . Les émetteurs étaient alimentés par une source DC connectée à un onduleur à pont complet, qui convertissait la tension DC en courant alternatif haute fréquence nécessaire au couplage par résonance magnétique. La sortie était alimentée dans un réseau de compensation pour atteindre la résonance, améliorer l’efficacité et améliorer le transfert^{de puissance 37}. Les topologies de compensation commune ont été discutées dans des études^{antérieures 38}.

Le système proposé adoptait un réseau de compensation en série (SS), qui minimisait l’impédance à la résonance et réduisait la puissance réactive. Les condensateurs formaient le réseau de compensation principal, tout en représentant la composante de compensation secondaire.

Le système DWPT a été simulé au niveau du système en utilisant les paramètres donnés dans le Tableau 2. La tension induite dépendait de l’inductance mutuelle, qui variait avec le déplacement de la bobine pendant le mouvement. Le comportement du système sous des déplacements latéraux variables a été analysé en observant l’inductance mutuelle, la tension et le courant dans les bobines de l’émetteur et du récepteur. Pour la simulation, une vitesse de véhicule de 27 m s⁻¹ (~60 mph) a été utilisée.

L’inductance mutuelle, la tension de l’émetteur et le courant sont indiqués à la Figure 6, où un décalage de phase nulle indique le fonctionnement à la résonance. La tension et le courant du récepteur sont présentés à la Figure 7. La tension de charge et le courant sont représentés à la Figure 8, et la puissance de sortie est indiquée à la Figure 9. Des variations dans les caractéristiques de charge ont été observées en raison de modifications de l’inductance mutuelle et du coefficient de couplage, qui ont été abordées par la stratégie de contrôle décrite dans la section suivante.

4. Méthodologie de contrôle

Une approche de commande à double côté a été employée en raison de son efficacité à améliorer le transfert de puissance et l’efficacité du système sous des conditions d’accouplement variables^39,40. Une stratégie de contrôle à double boucle proportionnelle–intégrale (PI) a été adoptée pour réguler à la fois la tension et le courant.

Les paramètres du contrôleur ont été sélectionnés selon les principes de conception de contrôle en cascade plutôt que sur un réglage empirique. La boucle interne de courant, associée au convertisseur DC–DC abaisseur secondaire, a été conçue avec une bande passante plus élevée afin d’assurer une réponse rapide et un rejet des perturbations. La boucle extérieure, contrôlant l’onduleur à déphasage à décalage de phase (PSFB) du côté primaire, fonctionnait à une bande passante plus faible pour maintenir le découplage de la boucle.

La stratégie de contrôle PSFB impliquait une mesure continue de la tension ou du courant de sortie au récepteur, qui était renvoyée à l’onduleur. La puissance de sortie était contrôlée en ajustant le décalage de phase entre les branches de l’onduleur, un décalage de phase plus important entraînant un transfert de puissance accru. Le contrôleur PI déterminait le décalage de phase requis et générait des signaux de modulation de largeur d’impulsion (PWM) pour le contrôle de commutation. La structure générale de contrôle a été illustrée à la Figure 10.

Le système de contrôle a été mis en œuvre dans un environnement de simulation en temps discret avec une période d’échantillonnage fixe suffisante pour capturer la dynamique de commutation de 85 kHz. Les gains du contrôleur ont été ajustés pour assurer un fonctionnement stable avec un dépassement minimal et un temps de tasse acceptable sous des variations de charges et de conditions d’accouplement, tout en maintenant des marges de stabilité suffisantes.

La validation de la conception de contrôle a été obtenue lorsque la structure PI en cascade produisait une récupération rapide et fluide de la tension sous perturbations et lorsque la boucle de courant interne répondait plus rapidement que la boucle externe. Des écarts par rapport à ces caractéristiques indiquaient des incohérences potentielles dans l’extraction des paramètres, l’ajustement de compensation ou la configuration des contrôleurs.

Résultats

Balayage d’optimisation des bobines
Les dimensions des bobines DD primaire et secondaire ont été déterminées en fonction de la procédure de balayage paramétrique décrite dans le protocole. Le couplage magnétique mesuré entre les deux côtés lors du balayage de la cooire de la bobine primaire a indiqué que le coefficient de couplage maximal a été atteint à une longueur d’émetteur de 500 mm et une largeur de 370 mm, avec des valeurs de 0,349204 et 0,337464, respectivemen...

Discussion

La principale lacune de recherche abordée dans ce travail concernait la stabilité dynamique limitée et la précision de régulation des systèmes DWPT conventionnels à boucle unique ou non contrôlés, en particulier sous les variations de charge et les fluctuations de couplage causées par le mouvement du véhicule, comme l’ont souligné des études antérieures sur les systèmes de recharge sans fil dynamique ^7,8. Les résultats ont démont...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
ANSYS Electronics Desktop (Maxwell 3D)	Ansys, Inc. Maxwell & nbsp ; (version 2018)	N/A	Plateforme électromagnétique intégrée hébergeant ANSYS Maxwell  ; utilisé pour la modélisation électromagnétique par éléments finis des bobines DWPT
ANSYS Electronics Desktop (Simplorer)	Ansys, Inc.Simplorer  ; (version 2018)	N/A	Simulateur commercial au niveau du circuit utilisé pour implémenter le modèle résonant DWPT
MATLAB/Simulink	MathWorks, Inc. (version R2023b)	N/A	Conception de contrôle et environnement de simulation utilisés pour la mise en œuvre des contrôleurs et la simulation dynamique des systèmes   ;