DDコイルの3Dモデリングを用いた動的ワイヤレス電気自動車充電システム(デュアルトランスミッター付き)へのデュアルループPI制御

サマリー

本研究は、デュアルトランスミッター単受信機(DTSR)トポロジーおよびデュアルループ比例積分(PI)制御戦略を用いたダブルD(DD)コイル構造を用いたシミュレーションベースの動的ワイヤレス電力伝達(DWPT)システムを提示し、結合変動、ミスアライメント効果、150mmエアギャップの下での調整電圧と電力供給を実証します。

要約

動的ワイヤレス電力転送(DWPT)は、走行中に電気自動車(EV)にエネルギーを供給するための新興技術です。しかし、その性能はカップリングの変動、コイルのずれ、負荷の変動によって大きく影響を受けます。これらの課題に対応するため、本研究は、デュアルトランスミッター単一受信機(DTSR)DWPTシステム向けに、電磁モデリング、回路レベルの共同シミュレーション、協調制御評価を統合したシミュレーションベースのプロトコルを提示します。この手法は、有限要素ソルバーを用いて二重D(DD)コイル構成の三次元電磁モデリングから始まり、ミスアライメント条件下での自己および相互インダクタンスの変化を特徴付けます。これらのパラメータは共振回路モデルに組み込まれ、電力伝達性能を最適化します。完全なDTSRシステムは、その後システムレベルのシミュレーション環境で実装され、二重ループ比例積分(PI)制御戦略を適用して、時間変化する結合条件下で出力電圧と電力を調整します。結果は、150mmの固定空気隙間や様々なミスアライメント条件を含む動的運用シナリオにおいて安定した電力供給と効果的な調整性能を示しています。提案されたフレームワークは、システムの動態、制御応答、電力安定性の体系的な評価を可能にします。このプロトコルは、DTSRベースのDWPTシステムの解析と検証のための構造化かつ再現性のあるワークフローを提供し、動的EV充電アプリケーション向けの堅牢な制御戦略の開発を支援します。

概要

電気自動車(EV)は、環境に優しく、遮断性が高く、安全性といった利点から、輸送手段の競争力のある代替手段として台頭しています ^1,2。しかし、EVにはいくつかの制約があり、特にバッテリーの自律性が制限されており、これにより走行距離が制限され、高コストで^{充電時間が}長^{くなります。}ワイヤレス電力転送(WPT)技術は、便利で継続的なエネルギー供給を提供することで、これらの制約を克服する重要な手段と考えられています。この充電技術は、車両が充電器の上に固定される静的充電と、EVが^5〜8時間の移動中に電力を送る動的ワイヤレス電力転送(DWPT)の2つのグループに分類されます。DWPTは、バッテリー依存度の低減、移動性の向上^、時間の節約に有望なアプローチとして浮上しています。

EV-DWPT技術における主な研究分野は、コイル設計とシステムトポロジーです。さまざまなコイル構造が提案されており、その中でもダブルD(DD)コイルはEV-DWPT^用途で広く採用されています。コイルのサイズ設定と結合係数、コスト、効率に関する最適化は広範に研究^{されています。}さらに^、高効率を維持するために異なる構成を持つモジュラー型EV-DWPTトポロジーも検討^{されています。}EV-DWPTシステムの効率は、送信機および受信機のパッド設計に大きく影響^{されます。コ}イルの形状は結合係数、自己誘導、ずれ許容、電磁場(EMF)曝露、^電力伝送特性に影響します。設計パラメータにはコイル形状、シールド、材料、軸方向および横方向のずれ、寸法が含まれます。いくつかのパッド形状(円形、矩形、DD、DDQなど)が存在するものの、DDパッドは高い相互インダクタンス(M)と業界での採用により広く使われており、これは自動車技術者協会(SAE J2954)²⁰の推奨によりです。最近の研究では、解析的、数値的、実験的、シミュレーション的アプローチ^21–25を用いて、自己および相互インダクタンスのミスアライメント条件下での計算が調査されています。

既存の研究の多くは、高出力用途や急速充電能力に制約がある従来の単送信機単一受信機(STSR)EV-DWPTシステムに焦点を当てています^16,26。これらの制約に対処するため、複数の伝送経路を提供することで電力伝達能力を高めるデュアルトランスミッター単一受信機(DTSR)構成が提案されています。電力^{伝達効率を向上させる}ためにLCC補償付きDDコイルを用いた最適化されたDTSR設計が開発されており、理論的モデリングやインピーダンスマッチング技術も動^{的条件下での}性能向上を図るために検討されています。しかし、マルチ送信機システムにおけるミスアライメントの削減は依然として大きな課題であり、^{この問題を}軽減するためのさまざまな設計戦略が提案されています。さらに、共通共振周波数で動作する省エネ技術を用いたDTSRシステムも導入され、実験的に^{検証されています。}

これらの進歩にもかかわらず、EV-DWPTにおける最適なシステム性能は効果的な制御戦略なしには達成できません。制御方法は一般的にプライマリーサイド、セカンダリーサイド、デュアルサイドコントロールアプローチに分類されます。³¹。例えば、比例積分(PI)コントローラを備えたDC–DCコンバータが二次側で使用され、負荷や^{結合条件の変化}下で出力電圧を調整しています。一次側では、フルブリッジインバータの位相シフト角が制御され、共振^33、34、³⁵でゼロ電圧スイッチング(ZVS)を維持しながら電力伝達を調整するのが一般的です。しかし、既存のDTSR DWPT研究では、通常は電磁設計、共振補償、制御戦略について別々に扱っています。これに対し、本研究ではこれらのコンポーネントを統合し、動的な運用条件下での複合的影響を評価する統一されたシステムレベルの枠組みを構築しています。

提案された手法は、DDコイルの三次元有限要素モデリングと磁気最適化、補償ネットワーク設計と効率評価のための回路レベルの共同シミュレーション、そして二重ループPI構造を用いた協調制御実装を組み合わせています。内側制御ループは二次側のDC–DCバックコンバータを調整し、可変条件下での負荷電圧を安定化させます。一方、外側ループは一次側のフルブリッジインバータの位相シフトを調整し、結合変動に応じて適応電力伝達を実現します。

このシステムは、共振時の無効電力を最小化し、全体の効率を向上させるために直列・直列(SS)補償ネットワークを採用しており、動作周波数は85kHzに固定されてパラメータ評価³⁶の一貫性を確保しています。本研究の貢献は、新しい制御アルゴリズムを提案するのではなく、従来の二重ループPIコントローラをDTSR DWPTシステムの完全な電磁回路制御共同シミュレーションフレームワークに体系的に統合し、電圧と電流の調整を可能にすることにあります。

このフレームワークは、代表的な動的充電条件下での安定した電力供給を示し、確立されたデュアルループPI制御戦略の適用性をDTSRのEV充電システムに拡張します。提案された方法論は、パッドの形状や動作条件が類似した共振誘導型EV充電システムに特に適していますが、非共振アーキテクチャや高度に非線形で時間変動の激しい負荷には適応が必要になる場合があります。シミュレーション段階を示すワークフロー図は 図1に示されています。

プロトコル

使用される研究ツールは 材料表に記載されています。

1. 3D DDコイルの有限要素モデリング

送信機および受信機のDDコイルの電磁モデリングと最適化は、3次元有限要素電磁気ソルバーを用いて実装されました。送信機コイルの寸法は長さと幅をスイープすることで最適化され、受信コイルの寸法とコイル間の距離は固定されました。両側間の磁気結合が測定され、その数学的表現は³¹で表されます。

(1)

ここで はコイル間の磁気結合を記述する結合係数を表し、 は送信コイルの自己インダクタンス、 は受信コイルの自己インダクタンスを表します。

記録された最大磁気結合に基づき、送信機の長さと幅が選ばれました。受信機コイルは送信機よりも幅が狭く設計され、ミスアライメント許容範囲と中音域結合²⁹の改善が図られました。最適化された寸法と仕様は 図2 および 表1に示されています。

モデリング中、コイルは85kHzの正弦波電流源で励起され、直列補償コンデンサを介して磁気共鳴結合が可能になりました。適応メッシュが採用され、特に送信機と受信機コイル周辺の高磁場強度領域に精錬が集中しました。自己インダクタンス、相互インダクタンス、結合係数は、内蔵のパラメータ抽出ツールを用いて場解から直接抽出されました。

2. WPT回路の共シミュレーション

選択した周波数でのシステム電力伝達効率(PTE)を評価するために、抽出された電磁パラメータを回路シミュレーション環境(材料表参照)に取り込み、WPT回路の共同シミュレーションが実施されました。時領域回路ソルバーを用いて、動力電子コンバータと結合コイルモデル間の相互作用を動的動作条件下でシミュレートしました。補償要素は、以下で定義される共鳴条件を満たすように調整されました。

    。(2)

ここで は主要な補償成分を表します。

コイル間の空気隙間は150mmに固定されていました。与えられた間隔制約の下での最大PTEは約0.0851 MHzと推定されました。与えられた間隔制約の下での動作周波数で最大PTEは約0.0851 MHzと推定されました。その結果、磁気共鳴に基づく結合は、他の無線電力伝送方式と比べて中距離でより高い効率を達成し、動的充電用途への適性を支持していることが示されました。

3. DWPTシステム実装

有限要素電磁ソルバーで実装されたDTSRシステムの3Dコイルモデルは 図3に示されています。受信コイルの動きはY軸(横方向のずれ)に沿って定義され、X軸の変位はゼロと仮定されました。Z軸はコイル間の空気隙間を表し、150mmに設定されていました。相互インダクタンス 変位の関数となり、 として表されるようになりました。

受信コイルはxyz座標系で(0, −80, 150) mmから(0, 1400, 150) mmに移動し、Y軸方向の総横変位は2700 mmとなりました。このシミュレーションは、横方向のずれを伴う の変動を評価するために実施されました。 図4 および 補足表1 に示された数値結果は、送信機1および送信機2との位置合わせに対応する位置9および22でピーク相互インダクタンスを示しました。

提案されたDWPTシステムの回路図は 図5に示されています。システムは、接地された送信機 と 、そして移動受信機 1台で構成されていました。送信機は、直流電源をフルブリッジインバーターに接続し、直流電圧を磁気共鳴結合に必要な高周波交流に変換していました。出力は共振を達成し、効率を向上させ、^{電力伝達を強化する}ために補償ネットワークに入力されました。一般的な補償トポロジーについては、^{以前の研究で}議論されていました。

提案されたシステムは、共振時のインピーダンスを最小化し、無効電力を低減する直列・直列(SS)補償ネットワークを採用しました。コンデンサ と が一次補償ネットワークを形成し、 が二次補償コンポーネントを表していました。

DWPTシステムは 表2に示されたパラメータを用いてシステムレベルでシミュレーションされました。誘導電圧は相互インダクタンスに依存し、運動中のコイル変位に応じて変動しました。異なる横方向変位下でのシステム挙動は、送信機と受信機のコイルにおける相互インダクタンス、電圧、電流を観察することで分析されました。シミュレーション目的では、車両速度27 m s⁻¹ (~60 mph)が使用されました。

相互インダクタンス、送信機電圧、電流は 図6に示されており、位相シフトがゼロであることは共振時の動作を示します。受信機の電圧と電流は 図7に示されています。負荷電圧と電流は 図8に示され、出力電力は 図9に示されています。相互インダクタンスと結合係数の変化による負荷特性の変化が観察され、これらは次の節で説明する制御戦略で対処されました。

4. 制御方法

両側制御方式は、異なる^{結合条件下での}動力伝達とシステム効率の向上に効果的であるため、採用^{されました。}電圧と電流の両方を調整するために、二重ループ比例積分(PI)制御戦略が採用されました。

コントローラのパラメータは、経験的なチューニングではなく、カスケード制御設計の原則に基づいて選定されました。二次側のDC–DCバックコンバータに関連する内側の電流ループは、高速応答と妨害除去を確保するためにより高い帯域幅で設計されました。外側ループは、一次側位相シフトフルブリッジ(PSFB)インバータを制御し、ループのデカップリングを維持するために低帯域幅で動作しました。

PSFB制御戦略は、受信機で出力電圧または電流を継続的に測定し、それをインバータにフィードバックすることでした。出力はインバーターの脚間の位相シフトを調整して制御され、位相シフトが大きいほど電力伝達が増加しました。PIコントローラは必要な位相シフトを決定し、スイッチ制御用のパルス幅変調(PWM)信号を生成しました。全体の制御構造は 図10に示されています。

制御システムは、85 kHzのスイッチングダイナミクスを捉えるのに十分な固定サンプリング期間を持つ離散時間シミュレーション環境で実装されました。制御装置の利得は、負荷や連結条件の変化においてオーバーシュートを最小限に抑え、許容可能な安定時間を確保しつつ、十分な安定余裕を維持するよう調整されました。

制御設計の検証は、カスケードされたPI構造が攪乱下で迅速かつ滑らかな電圧回復を生み出し、内側の電流ループが外側の電圧ループよりも速く応答した際に達成されました。これらの特性からの逸脱は、パラメータ抽出、補償調整、またはコントローラ構成における潜在的な不整合を示していました。

結果

コイル最適化スイープ
一次および二次DDコイルの寸法は、プロトコルで記述されたパラメトリックスイーピング手順に基づいて決定されました。一次コイル寸法掃去時に両側の磁気結合が測定された結果、送信機長500mm、幅370mmで最大結合係数が0.349204および0.337464で達成され、 図11に示されています。これらの結果に基づき、送信機および受信機のDDコイルの最適化された寸法と仕様が確立されました。

PTE評価
最大電力伝達効率(PTE)は 、図12に示される回路共同シミュレーションを用いて推定されました。PTEは動作周波数0.0851 MHzで約97.45%に達し、コイル間に150mmの固定空気ギャップがありました。補償調整が適用され、一次および二次共振コンデンサの最適値は 表2...

ディスカッション

本研究で取り上げられた主な課題は、従来の単ループまたは制御されていないDWPTシステムの動的安定性と調整精度の制限に関するものであり、特に車両の動きによる負荷変動やカップリングの変動において、動的ワイヤレス^{充電システムに関する}過去の研究で指摘されています^7,8.結果は、DTSR構成向けの提案されたデュアルループPI制御アーキテクチャが、異なる動作条件下での過渡減衰と定常状態精度を大幅に向上させることで、この制限に直接解消していることを示しました。

性能の向上は制御理論の観点から説明できます。従来型では、相互インダクタンス変動による電圧および電力の偏差が、特に^{結合条件が}異なるシステムでは、妨害補償が不十分であるため、直接負荷に伝播します。これに対し、提案された構造は調整を内側の電流ループと外部の電圧ループに分けていました。内側ループは動的応答性を高め、効...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
ANSYSエレクトロニクスデスクトップ(Maxwell 3D)	Ansys, Inc.マクスウェル (2018年版)	該当なし	ANSYS Maxwell をホストする統合電磁プラットフォーム;DWPTコイルの有限要素電磁モデリングに使用
ANSYS エレクトロニクスデスクトップ(Simplorer)	Ansys, Inc.Simplorer (2018年版)	該当なし	共振DWPTモデルの実装に使用される商用回路レベルシミュレータ
MATLAB/Simulink	MathWorks, Inc.(バージョンR2023b)	該当なし	コントローラ実装および動的システムシミュレーションに使用される制御設計およびシミュレーション環境。