Controllo PI a doppio loop per un sistema dinamico di ricarica wireless per veicoli elettrici con trasmettitori doppi utilizzando modellazione 3D delle bobine DD

Sommario

Questo lavoro presenta un sistema DWPT (Dynamic Wireless Transfer Power) basato su simulazione che utilizza una struttura a bobina double-D (DD) in una topologia a doppio trasmettitore a ricevitore singolo (DTSR) e una strategia di controllo a doppio ciclo proporzionale–integrale (PI), dimostrando tensione e distribuzione di potenza regolate sotto variazione di accoppiamento, effetti di disallineamento e un gap d'aria di 150 mm.

Abstract

Il trasferimento dinamico di energia senza fili (DWPT) è una tecnologia emergente per fornire energia ai veicoli elettrici (EV) mentre sono in movimento; tuttavia, le sue prestazioni sono significativamente influenzate dalla variazione dell'accoppiamento, dal disallineamento delle bobine e dalle fluttuazioni del carico. Per affrontare queste sfide, questo studio presenta un protocollo basato su simulazioni che integra modellazione elettromagnetica, co-simulazione a livello di circuito e valutazione coordinata del controllo per un sistema DWPT a doppio trasmettitore singolo (DTSR). La metodologia inizia con la modellazione elettromagnetica tridimensionale di una configurazione a bobina doppia D (DD) utilizzando un risolutore a elementi finiti per caratterizzare le variazioni di auto- e mutua induttanza in condizioni di disallineamento. Questi parametri vengono quindi incorporati in un modello di circuito risonante per ottimizzare le prestazioni di trasferimento di potenza. L'intero sistema DTSR viene successivamente implementato in un ambiente di simulazione a livello di sistema, dove viene applicata una strategia di controllo proporzionale–integrale (PI) a doppio ciclo per regolare tensione e potenza in uscita in condizioni di accoppiamento variabili nel tempo. I risultati dimostrano una consegna di potenza stabile e prestazioni di regolazione efficaci in scenari operativi dinamici, inclusa una distanza d'aria fissa di 150 mm e condizioni di disallineamento variabili. Il quadro proposto consente una valutazione sistematica della dinamica dei sistemi, della risposta al controllo e della stabilità energetica. Questo protocollo fornisce un flusso di lavoro strutturato e riproducibile per l'analisi e la validazione dei sistemi DWPT basati su DTSR e supporta lo sviluppo di strategie di controllo robuste per applicazioni di ricarica dinamica di veicoli elettrici.

Introduzione

I veicoli elettrici (EV) sono emersi come un'alternativa competitiva per il trasporto grazie ai loro vantaggi in termini di rispetto dell'ambiente, isolamento e^{sicurezza 1,2}. Tuttavia, i veicoli elettrici affrontano diversi limiti, tra cui l'autonomia limitata della batteria, che comporta un'autonomia di guida limitata, costi elevati e tempi di ricarica^{lunghi 3,4}. La tecnologia di trasferimento di potenza wireless (WPT) è considerata un fattore chiave per superare queste limitazioni, fornendo un apporto di energia comodo e continuo. Questa tecnologia di ricarica può essere suddivisa in due gruppi: carica statica, in cui il veicolo è fermo sopra il caricabatterie, e trasferimento dinamico di energia wireless (DWPT), che consente la trasmissione di energia mentre i veicoli elettrici sono in^{movimento 5–8}. DWPT si è affermato come un approccio promettente per ridurre la dipendenza dalle batterie, migliorare la mobilità e risparmiare tempo⁹.

Nella tecnologia EV-DWPT, le principali aree di ricerca includono la progettazione delle bobine e la topologia dei sistemi. Sono state proposte varie strutture di bobina, tra cui la bobina double-D (DD) ampiamente adottata per le applicazioni^{EV-DWPT 10}. La dimensionamento e l'ottimizzazione delle bobine rispetto a coefficiente di accoppiamento, costo ed efficienza sono stati ampiamente^{studiati 11,12}. Inoltre, sono state studiate topologie modulari EV-DWPT con diverse configurazioni per mantenere un'alta efficienza^13–16. L'efficienza dei sistemi EV-DWPT è fortemente influenzata dalla progettazione dei pad trasmettitori e^{ricevitori 10, 17, 18}, poiché la geometria della bobina influisce sul coefficiente di accoppiamento, l'autoinduttanza, la tolleranza al disallineamento, l'esposizione al campo elettromagnetico (EMF) e le caratteristiche di trasmissione^{di potenza 19}. I parametri di progettazione includono la geometria della bobina, la schermatura, i materiali, il disallineamento assiale e laterale e le dimensioni. Sebbene esistano diverse geometrie a rampa (circolare, rettangolare, DD, DDQ, ecc.), le piattaforme DD sono ampiamente utilizzate grazie alla loro elevata induttanza reciproca (M) e all'adozione industriale, come raccomandato dalla Society of Automotive Engineers (SAE J2954)²⁰. Studi recenti hanno indagato il calcolo dell'induttanza auto- e mutua in condizioni di disallineamento utilizzando approcci analitici, numerici, sperimentali e di^{simulazione 21–25}.

La maggior parte delle ricerche esistenti si concentra sui sistemi EV-DWPT convenzionali a singolo trasmettitore singolo e ricevitore (STRSR), che incontrano limitazioni nelle applicazioni ad alta potenza e nella capacità di ricarica^{rapida 16,26}. Per affrontare queste limitazioni, sono state proposte configurazioni a doppio trasmettitore e ricevitore singolo (DTSR) per aumentare la capacità di trasferimento di potenza fornendo percorsi multipli di trasmissione. Sono stati sviluppati progetti DTSR ottimizzati utilizzando bobine DD con compensazione LCC per migliorare l'efficienza di trasferimento^{di potenza 27}, mentre sono state studiate tecniche teoriche di modellazione e adattamento di impedenza per migliorare ulteriormente le prestazioni in condizioni^{dinamiche 28}. Tuttavia, la riduzione del disallineamento nei sistemi multi-trasmettitore rimane una sfida significativa, e sono state proposte varie strategie di progettazione per mitigare questo^{problema 29}. Inoltre, sono stati introdotti e convalidati sperimentalmente sistemi DTSR che operano a una frequenza di risonanza comune con tecniche di risparmio energetico.

Nonostante questi progressi, le prestazioni ottimali del sistema nell'EV-DWPT non possono essere raggiunte senza strategie di controllo efficaci. I metodi di controllo sono generalmente classificati in approcci di controllo lato primario, lato secondario e doppio^{lato 31}. Ad esempio, un convertitore DC–DC con un regolatore proporzionale–integrale (PI) è stato utilizzato sul lato secondario per regolare la tensione di uscita sotto varie condizioni di carico e^{accoppiamento 32}. Sul lato primario, l'angolo di sfasamento dell'inverter a tutto ponte è comunemente controllato per regolare il trasferimento di potenza mantenendo la commutazione a tensione zero (ZVS) alla risonanza 33,34,35. Tuttavia, gli studi DTSR DWPT esistenti generalmente affrontano separatamente la progettazione elettromagnetica, la compensazione risonante o le strategie di controllo. Al contrario, questo lavoro integra questi componenti all'interno di un quadro unificato a livello di sistema per valutare il loro impatto combinato in condizioni operative dinamiche.

La procedura proposta combina modellazione tridimensionale a elementi finiti e ottimizzazione magnetica delle bobine DD, co-simulazione a livello di circuito per la progettazione di reti di compensazione e valutazione dell'efficienza, e l'implementazione di controllo coordinato utilizzando una struttura PI a doppio loop. Il circuito di controllo interno regola il convertitore buck DC–DC secondario per stabilizzare la tensione di carico in condizioni variabili, mentre l'anello esterno regola lo sfasamento dell'inverter full-bridge lato primario per ottenere un trasferimento di potenza adattivo in risposta alle variazioni di accoppiamento.

Il sistema adotta una rete di compensazione in serie (SS) per minimizzare la potenza reattiva alla risonanza e migliorare l'efficienza complessiva, con la frequenza operativa fissata a 85 kHz per garantire una valutazione coerente^{dei parametri 36}. Piuttosto che proporre un nuovo algoritmo di controllo, il contributo di questo studio risiede nell'integrazione sistematica di un controller PI convenzionale a doppio circuito in un quadro completo di co-simulazione elettromagnetico-circuito-controllo per sistemi DTSR DWPT, consentendo una regolazione coordinata di tensione e corrente.

Il quadro risultante dimostra una consegna di potenza stabile in condizioni di ricarica dinamica rappresentative ed estende l'applicabilità delle strategie di controllo PI a doppio loop consolidate ai sistemi di ricarica DTSR EV. La metodologia proposta è particolarmente adatta per sistemi di ricarica induttiva risonante per veicoli elettrici con geometrie e condizioni operative simili a piattaforme, anche se può essere necessario adattamento per architetture non risonanti o carichi altamente non lineari e variabili nel tempo. Un diagramma del flusso di lavoro che illustra le fasi della simulazione è fornito nella Figura 1.

Protocollo

Gli strumenti di ricerca utilizzati sono elencati nella Tabella dei Materiali.

1. 3D Modellazione agli elementi finiti delle bobine DD

La modellazione elettromagnetica e l'ottimizzazione delle bobine DD di trasmettitore e ricevitore sono state implementate utilizzando un risolutore elettromagnetico 3D a elementi finiti. Le dimensioni della bobina del trasmettitore venivano ottimizzate tramite lunghezza e larghezza a scorrimento, mentre le dimensioni della bobina del ricevitore e la distanza tra le bobine venivano mantenute fisse. Il coppiamento magnetico tra entrambi i lati è stato misurato, e la sua rappresentazione matematica è data da³¹:

(1)

dove rappresenta il coefficiente di accoppiamento che descrive l'accoppiamento magnetico tra le bobine, indica l'auto-induttanza della bobina trasmettitore e rappresenta l'auto-induttanza della bobina ricevitrice.

In base al massimo accoppiamento magnetico registrato, venivano selezionate la lunghezza e la larghezza del trasmettitore. La bobina ricevente è stata progettata con una larghezza inferiore rispetto al trasmettitore per migliorare la tolleranza al disallineamento e l'accoppiamento a media^{gamma 29}. Le dimensioni e le specifiche ottimizzate sono state presentate nella Figura 2 e nella Tabella 1.

Durante la modellazione, le bobine venivano eccitate con sorgenti di corrente sinusoidale a 85 kHz, e l'accoppiamento per risonanza magnetica era abilitato tramite condensatori di compensazione in serie. Veniva impiegato il mesh adattivo, con il raffinamento concentrato in regioni di alta intensità di campo magnetico, in particolare intorno alle bobine del trasmettitore e del ricevitore. L'autoinduttanza, l'induttanza reciproca e il coefficiente di accoppiamento venivano estratti direttamente dalle soluzioni di campo utilizzando strumenti integrati per l'estrazione parametrica.

2. Co-simulazione del circuito WPT

Per valutare l'efficienza di trasferimento di potenza (PTE) del sistema alla frequenza selezionata, i parametri elettromagnetici estratti venivano importati in un ambiente di simulazione del circuito (vedi Tabella dei Materiali) e veniva eseguita la co-simulazione del circuito WPT. Un risolutore di circuiti nel dominio del tempo veniva utilizzato per simulare l'interazione tra il convertitore elettronico di potenza e il modello a bobina accoppiata in condizioni di funzionamento dinamico. Gli elementi di compensazione erano accordati per soddisfare la condizione di risonanza definita da:

    .(2)

dove rappresenta la componente primaria di compensazione.

L'intervallo d'aria tra le bobine fu fissato a 150 mm. Il PTE massimo è stato stimato a circa 0,0851 MHz come frequenza operativa secondo i vincoli di spaziatura dati. Il PTE massimo è stato stimato a circa 0,0851 MHz a una frequenza operativa sotto i vincoli di spaziatura indicati. I risultati indicarono che l'accoppiamento basato sulla risonanza magnetica raggiungeva un'efficienza superiore a distanze medie rispetto agli approcci alternativi di trasferimento di potenza senza fili, supportandone l'idoneità per applicazioni di ricarica dinamica.

3. Implementazione del sistema DWPT

Il modello a bobina 3D del sistema DTSR implementato nel risolutore elettromagnetico agli elementi finiti è stato presentato nella Figura 3. Il moto della bobina del ricevitore era definito lungo l'asse Y (disallineamento laterale), mentre lo spostamento sull'asse X si assumeva zero. L'asse Z rappresentava l'intervallo d'aria tra le bobine, impostato a 150 mm. L'induttanza reciproca divenne funzione dello spostamento, espressa come .

La bobina del ricevitore si spostò da (0, −80, 150) mm a (0, 1400, 150) mm nel sistema di coordinate xyz, risultando in uno spostamento laterale totale di 2700 mm lungo l'asse Y. La simulazione è stata eseguita per valutare la variazione di con disallineamento laterale. I risultati numerici presentati nella Figura 4 e nella Tabella Supplementare 1 indicavano l'induttanza reciproca massima nelle posizioni 9 e 22, corrispondenti rispettivamente all'allineamento con il trasmettitore 1 e il trasmettitore 2.

Il circuito elettrico del sistema DWPT proposto è stato mostrato nella Figura 5. Il sistema era composto da due trasmettitori collegati a massa e , e un ricevitore mobile . I trasmettitori erano alimentati da una sorgente DC collegata a un inverter a tutto ponte, che convertiva la tensione DC in corrente alternata ad alta frequenza necessaria per l'accoppiamento a risonanza magnetica. L'output veniva inviato a una rete di compensazione per ottenere risonanza, migliorare l'efficienza e migliorare il trasferimento^{di potenza 37}. Le topologie di compensazione comune sono state discusse in studi^{precedenti 38}.

Il sistema proposto adottò una rete di compensazione in serie (SS), che minimizzava l'impedenza alla risonanza e riduceva la potenza reattiva. Condensatori e costituivano la rete primaria di compensazione, mentre rappresentavano la componente di compensazione secondaria.

Il sistema DWPT è stato simulato a livello di sistema utilizzando i parametri indicati nella Tabella 2. La tensione indotta dipendeva dall'induttanza mutua, che variava con lo spostamento della bobina durante il movimento. Il comportamento del sistema sotto spostamenti laterali variabili è stato analizzato osservando induttanza reciproca, tensione e corrente sia nelle bobine del trasmettitore che del ricevitore. Per scopi di simulazione, è stata utilizzata una velocità del veicolo di 27 m s⁻¹ (~60 mph).

L'induttanza mutua, la tensione del trasmettitore e la corrente sono mostrate nella Figura 6, dove uno sfasamento a zero indica il funzionamento a risonanza. La tensione e la corrente del ricevitore sono state presentate nella Figura 7. La tensione e la corrente di carico sono mostrate nella Figura 8, e la potenza di uscita è mostrata nella Figura 9. Sono state osservate variazioni nelle caratteristiche di carico dovute a variazioni nell'induttanza reciproca e nel coefficiente di accoppiamento, affrontate attraverso la strategia di controllo descritta nella sezione successiva.

4. Metodologia di controllo

Un approccio di controllo a doppio lato è stato adottato grazie alla sua efficacia nel migliorare il trasferimento di potenza e l'efficienza del sistema in condizioni di accoppiamento^{variabili 39,40}. Fu adottata una strategia di controllo proporzionale–integrale (PI) a doppio loop per regolare sia la tensione che la corrente.

I parametri del controller venivano selezionati in base ai principi di progettazione dei controlli a cascata piuttosto che sulla messa a punto empirica. L'anello interno di corrente, associato al convertitore buck DC–DC secondario, è stato progettato con una larghezza di banda maggiore per garantire una risposta rapida e un rifiuto di disturbo. Il circuito esterno, che controlla l'inverter full-bridge (PSFB) a spostamento di fase sul lato primario, operava a una larghezza di banda inferiore per mantenere il disaccoppiamento del loop.

La strategia di controllo PSFB prevedeva una misurazione continua della tensione o corrente di uscita al ricevitore, che veniva inviata all'inverter. La potenza di uscita veniva controllata regolando lo sfasamento tra le gambe dell'inverter, con uno sfasamento maggiore che portava a un maggiore trasferimento di potenza. Il controllore PI determinava lo spostamento di fase richiesto e generava segnali di modulazione a larghezza d'impulso (PWM) per il controllo della commutazione. La struttura generale dei controlli è stata illustrata nella Figura 10.

Il sistema di controllo fu implementato in un ambiente di simulazione a tempo discreto con un periodo di campionamento fisso sufficiente a catturare la dinamica di commutazione a 85 kHz. I guadagni del controller furono regolati per garantire un funzionamento stabile con un overshoot minimo e un tempo di assestamento accettabile sotto variazioni di carico e condizioni di accoppiamento, mantenendo al contempo margini di stabilità adeguati.

La validazione del progetto di controllo è stata ottenuta quando la struttura PI a cascata produceva un recupero rapido e fluido della tensione sotto disturbi e quando l'anello interno di corrente rispondeva più rapidamente dell'anello di tensione esterno. Le deviazioni da queste caratteristiche indicavano potenziali incongruenze nell'estrazione dei parametri, nella regolazione della compensazione o nella configurazione dei controller.

Risultati

Sweep di ottimizzazione della bobina
Le dimensioni delle bobine DD primarie e secondarie sono state determinate in base alla procedura di sweeping parametrica descritta nel protocollo. L'accoppiamento magnetico misurato tra entrambi i lati durante lo sweeping della dimensione della bobina primaria indicava che il coefficiente massimo di accoppiamento era raggiunto a una lunghezza del trasmettitore di 500 mm e una larghezza di 370 mm, con valori rispettivamente di 0,34...

Discussione

La principale lacuna di ricerca affrontata in questo lavoro riguardava la limitata stabilità dinamica e accuratezza della regolazione dei sistemi DWPT convenzionali a singolo anello o non controllati, in particolare sotto variazioni di carico e fluttuazioni di accoppiamento causate dal movimento del veicolo, come evidenziato in studi precedenti sui sistemi di ricarica wireless^{dinamica 7,8}. I risultati hanno dimostrato che l'archi...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
ANSYS Electronics Desktop (Maxwell 3D)	Ansys, Inc.Maxwell  (versione 2018)	N/A	Piattaforma elettromagnetica integrata che ospita ANSYS Maxwell & nbsp; Utilizzato per la modellazione elettromagnetica a elementi finiti di bobine DWPT
ANSYS Electronics Desktop (Simplorer)	Ansys, Inc. Simplorer  (versione 2018)	N/A	Simulatore commerciale a livello di circuito utilizzato per implementare il modello DWPT risonante
MATLAB/Simulink	MathWorks, Inc. (versione R2023b)	N/A	progettazione di controllo e ambiente di simulazione utilizzato per l'implementazione dei controllori e la simulazione di sistemi dinamici