Podwójna pętla sterowania PI dla dynamicznego bezprzewodowego systemu ładowania pojazdów elektrycznych z podwójnymi nadajnikami wykorzystującą modelowanie 3D cewek DD

Podsumowanie

Praca ta przedstawia oparty na symulacji system dynamicznego bezprzewodowego transferu mocy (DWPT) wykorzystujący strukturę cewki podwójnej D (DD) w topologii podwójnego nadajnika i pojedynczego odbiornika (DTSR) oraz strategii sterowania proporcjonalno-całkowitej (PI) z podwójną pętlą, demonstrując regulowane napięcie i dostawę mocy przy zmiennościach sprzężenia, efektach niewyrównania oraz szczelinie powietrznej o średnicy 150 mm.

Streszczenie

Dynamiczny bezprzewodowy transfer energii (DWPT) to nowa technologia dostarczająca energię pojazdom elektrycznym (EV) podczas jazdy; jednak jego wydajność jest znacząco wpływana przez zmienność sprzęgła, niewyrównanie cewek oraz wahania obciążenia. Aby sprostać tym wyzwaniom, badanie przedstawia protokół oparty na symulacji, który integruje modelowanie elektromagnetyczne, współsymulację na poziomie obwodu oraz skoordynowaną ewaluację sterowania dla systemu DWPT z dwoma nadajnikami i pojedynczym odbiornikiem (DTSR). Metodologia rozpoczyna się od trójwymiarowego elektromagnetycznego modelowania konfiguracji cewki podwójnej D (DD) z wykorzystaniem solvera elementów skończonych do charakteryzowania zmian indukcyjności własnej i wzajemnej w warunkach niewyrównania. Parametry te są następnie włączane do modelu obwodu rezonansowego, aby zoptymalizować wydajność transferu mocy. Kompletny system DTSR jest następnie implementowany w środowisku symulacyjnym na poziomie systemu, gdzie stosuje się strategię sterowania proporcjonalno-całkowego (PI) z podwójną pętlą do regulacji napięcia wyjściowego i mocy w warunkach zmiennego sprzężenia czasowego. Wyniki pokazują stabilne dostarczanie mocy i efektywną wydajność regulacji w dynamicznych scenariuszach eksploatacji, w tym stałą szczelinę powietrzną 150 mm oraz zmienne warunki niewyrównania. Proponowane ramy umożliwiają systematyczną ocenę dynamiki systemu, reakcji na sterowanie oraz stabilności zasilania. Protokół ten zapewnia uporządkowany i powtarzalny przepływ pracy do analizy i walidacji systemów DWPT opartych na DTSR oraz wspiera rozwój solidnych strategii sterowania dla dynamicznych aplikacji ładowania EV.

Wprowadzenie

Pojazdy elektryczne (EV) stały się konkurencyjną alternatywą dla transportu ze względu na swoje zalety w zakresie przyjazności środowiska, izolacji i bezpieczeństwa ^1,2. Jednak pojazdy elektryczne napotykają na kilka ograniczeń, przede wszystkim ograniczoną autonomię baterii, co skutkuje ograniczonym zasięgiem, wysokimi kosztami^{oraz długim} czasem ładowania ^3,4. Technologia bezprzewodowego transferu energii (WPT) jest uważana za kluczowy czynnik umożliwiający przezwyciężenie tych ograniczeń poprzez zapewnienie wygodnego i ciągłego dostarczania energii. Technologię ładowania można podzielić na dwie grupy: ładowanie statyczne, gdzie pojazd stoi nieruchomo nad ładowarką, oraz dynamiczny bezprzewodowy transfer mocy (DWPT), który umożliwia transmisję energii podczas jazdy pojazdów^{elektrycznych 5–8}. DWPT wyłonił się jako obiecujące podejście do redukcji zależności od baterii, poprawy mobilności i oszczędności czasu⁹.

W technologii EV-DWPT główne obszary badawcze obejmują projektowanie cewek oraz topologię systemów. Zaproponowano różne struktury cewek, wśród których cewka podwójna D (DD) jest szeroko stosowana w zastosowaniach EV-DWPT¹⁰. Wielkość cewek i optymalizacja pod względem współczynnika sprzężenia, kosztów i sprawności zostały szeroko przebadane ^11,12. Ponadto badane są modułowe topologie EV-DWPT o różnych konfiguracjach, aby utrzymać wysoką efektywność^13–16. Wydajność systemów EV-DWPT jest silnie zależna od konstrukcji padów nadajnika i odbiornika^{10, 17, 18}, ponieważ geometria cewki wpływa na współczynnik sprzężenia, indukcyjność własną, tolerancję na niewyrównanie, ekspozycję na pole elektromagnetyczne (EMF) oraz charakterystyki transmisji mocy¹⁹. Parametry projektowe obejmują geometrię cewek, osłony, materiały, niewyrównanie osiowe i boczne oraz wymiary. Chociaż istnieje kilka geometrii klocków (okrągła, prostokątna, DD, DDQ itd.), klocki DD są szeroko stosowane ze względu na wysoką indukcyjność wzajemną (M) oraz zastosowanie w branży, zgodnie z zaleceniami Society of Automotive Engineers (SAE J2954)²⁰. Najnowsze badania analizowały obliczanie indukcyjności własnej i wzajemnej w warunkach niewyrównania, stosując podejścia analityczne, numeryczne, eksperymentalne i^{symulacyjne 21–25}.

Większość istniejących badań koncentruje się na konwencjonalnych systemach EV-DWPT z pojedynczym nadajnikiem i pojedynczym odbiornikiem (STSR), które napotykają ograniczenia w zastosowaniach o dużej mocy oraz możliwości szybkiego ładowania^16,26. Aby sprostać tym ograniczeniom, zaproponowano konfiguracje z dwoma nadajnikami i pojedynczym odbiornikiem (DTSR), które zwiększają pojemność transferu mocy poprzez zapewnienie wielu ścieżek transmisji. Opracowano zoptymalizowane projekty DTSR z użyciem cewek DD z kompensacją LCC w celu zwiększenia efektywności transferu mocy²⁷, natomiast teoretyczne modelowanie i techniki dopasowywania impedancji zostały zbadane w celu dalszej poprawy wydajności w warunkach dynamicznych²⁸. Jednak redukcja niewyrównania w systemach wielonadajnikowych pozostaje istotnym wyzwaniem, dlatego zaproponowano różne strategie projektowe mające na celu^{rozwiązanie tego} problemu. Dodatkowo wprowadzono i^{eksperymentalnie} zweryfikowano systemy DTSR pracujące na wspólnej częstotliwości rezonansowej z technikami oszczędzającymi energię.

Pomimo tych postępów, optymalna wydajność systemu w EV-DWPT nie może być osiągnięta bez skutecznych strategii kontroli. Metody kontroli są zazwyczaj dzielone na podejścia po stronie pierwotnej, wtórnej i dwustronnej³¹. Na przykład po stronie wtórnej stosowano przetwornicę DC–DC z regulatorem proporcjonalno-całkowym (PI) do regulacji napięcia wyjściowego przy zmiennych warunkach obciążenia i sprzężenia³². Po stronie pierwotnej kąt przesunięcia fazy falownika pełnego mostka jest zwykle kontrolowany w celu regulacji transferu mocy przy zachowaniu przełączania zerowego napięcia (ZVS) przy rezonansach 33,34,35. Jednak istniejące badania DTSR DWPT zazwyczaj dotyczą projektowania elektromagnetycznego, kompensacji rezonansów lub strategii sterowania oddzielnie. Natomiast prace integrują te komponenty w ramach jednolitych ram na poziomie systemu, aby ocenić ich łączny wpływ w dynamicznych warunkach operacyjnych.

Proponowana procedura łączy trójwymiarowe modelowanie elementów skończonych i magnetyczną optymalizację cewek DD, współsymulację na poziomie obwodów dla projektowania sieci kompensacyjnej i oceny efektywności oraz skoordynowaną implementację sterowania z wykorzystaniem struktury PI z podwójną pętlą. Wewnętrzna pętla sterująca reguluje przetwornicę DC–DC buck po stronie wtórnej, aby ustabilizować napięcie obciążenia w zmiennych warunkach, podczas gdy zewnętrzna pętla reguluje przesunięcie fazy falownika pełnego mostka po stronie pierwotnej, aby uzyskać adaptacyjne przeniesienie mocy w odpowiedzi na zmiany sprzężenia.

System stosuje sieć kompensacji szeregowo-szeregowej (SS), aby zminimalizować moc bierną w rezonansie i poprawić ogólną efektywność, przy czym częstotliwość pracy jest ustalona na 85 kHz, aby zapewnić spójną ocenę^{parametrów 36}. Zamiast proponowania nowego algorytmu sterowania, wkład tego badania polega na systematycznej integracji konwencjonalnego podwójnego regulatora PI z kompletnym systemem współsymulacji obwodu elektromagnetycznego dla systemów DTSR DWPT, umożliwiającym skoordynowaną regulację napięcia i prądu.

Powstałe ramy demonstrują stabilne dostarczanie mocy w reprezentatywnych warunkach dynamicznego ładowania i rozszerzają zastosowanie ustalonych strategii sterowania PI z podwójną pętlą na systemy ładowania pojazdów elektrycznych DTSR. Proponowana metodologia jest szczególnie odpowiednia dla rezonansowych indukcyjnych systemów ładowania EV o podobnej geometrii podkładek i warunkach pracy, choć może być konieczna adaptacja dla architektur nierezonansowych lub wysoce nieliniowych, zmiennych w czasie obciążeń. Diagram przepływu pracy ilustrujący etapy symulacji przedstawiono na rysunku 1.

Protokół

Wykorzystywane narzędzia badawcze są wymienione w Tabeli Materiałów.

1. 3D modelowanie cewek DD za pomocą elementów skończonych

Modelowanie elektromagnetyczne i optymalizacja cewek DD nadajnika i odbiornika zostały zrealizowane za pomocą trójwymiarowego solvera elektromagnetycznego metodą elementów skończonych. Wymiary cewek nadajnika były optymalizowane poprzez długość i szerokość przesuwania, natomiast wymiary cewek odbiornika i odległość między cewkami były utrzymywane na stałym poziomie. Zmierzono sprzężenie magnetyczne między obiema stronami, a jego matematyczne przedstawienie przedstawia³¹:

   (1)

gdzie oznacza współczynnik sprzężenia opisujący sprzężenie magnetyczne między cewkami, oznacza samoindukcyjność cewki nadawczej, a oznacza samoindukcyjność cewki odbiornika.

Na podstawie zarejestrowanego maksymalnego sprzężenia magnetycznego wybrano długość i szerokość nadajnika. Cewka odbiornika została zaprojektowana z mniejszą szerokością niż nadajnik, aby poprawić tolerancję na niewyrównanie i sprzężenie średniego zakresu²⁹. Zoptymalizowane wymiary i specyfikacje przedstawiono na Rysunku 2 i Tabeli 1.

Podczas modelowania cewki były wzbudzane sinusoidalnymi źródłami prądu przy częstotliwości 85 kHz, a sprzężenie rezonansu magnetycznego umożliwiano za pomocą kondensatorów kompensacyjnych szeregowych. Stosowano adaptacyjne siateczkowanie, z udoskonalaniem skoncentrowanym w obszarach o wysokiej intensywności pola magnetycznego, szczególnie wokół cewek nadajnika i odbiornika. Indukcyjność własna, indukcyjność wzajemna oraz współczynnik sprzężenia były bezpośrednio wyodrębniane z rozwiązań terenowych za pomocą wbudowanych narzędzi do ekstrakcji parametrów.

2. Współsymulacja obwodów WPT

Aby ocenić efektywność transferu mocy systemu (PTE) przy wybranej częstotliwości, wyodrębnione parametry elektromagnetyczne zostały zaimportowane do środowiska symulacji obwodu (patrz Tabela materiałów), a następnie przeprowadzono współsymulację obwodu WPT. Do symulacji interakcji między konwerterem elektronicznym mocy a modelem cewki sprzężonej w warunkach dynamicznych zastosowano solver obwodów w dziedzinie czasu. Elementy kompensacyjne zostały dostrojone tak, aby spełniały warunek rezonansu określony przez:

.(2)

gdzie reprezentuje główny składnik kompensacji.

Szczelina powietrzna między cewkami została ustalona na 150 mm. Maksymalną częstotliwość PTE oszacowano na około 0,0851 MHz jako częstotliwość pracy przy określonych ograniczeniach odstępów. Maksymalny PTE oszacowano na około 0,0851 MHz przy częstotliwości roboczej przy zadanych ograniczeniach odstępów. Wyniki wskazywały, że sprzężenie oparte na rezonansie magnetycznym osiągało wyższą efektywność na średnich dystansach w porównaniu z alternatywnymi bezprzewodowymi podejściami do transferu mocy, co wspierało jego przydatność do zastosowań dynamicznego ładowania.

3. Implementacja systemu DWPT

Model cewki 3D systemu DTSR, zaimplementowany w elektromagnetycznym solverze elementów skończonych, został przedstawiony na Rysunku 3. Ruch cewki odbiornika definiowano wzdłuż osi Y (boczne niewyrównanie), natomiast przemieszczenie osi X zakładano jako zero. Oś Z reprezentowała szczelinę powietrzną między cewkami, ustawioną na 150 mm. Wzajemna indukcyjność stała się funkcją przemieszczenia, wyrażoną jako .

Cewka odbiornika przesunęła się z (0, −80, 150) mm do (0, 1400, 150) mm w układzie współrzędnych xyz, co skutkowało całkowitym przesunięciem bocznym 2700 mm wzdłuż osi Y. Symulacja została przeprowadzona, aby ocenić zmienność z bocznym niewyrównaniem. Wyniki numeryczne przedstawione na Rysunku 4 i Tabeli Uzupełniającej 1 wskazywały szczytową indukcyjność wzajemną na pozycjach 9 i 22, odpowiadającą odpowiednio wyrównaniu z nadajnikiem 1 i nadajnikiem 2.

Schemat obwodu proponowanego systemu DWPT został przedstawiony na Rysunku 5. System składał się z dwóch uziemionych nadajników i , oraz jednego ruchomego odbiornika . Nadajniki były zasilane przez źródło prądu stałego podłączone do falownika pełnego mostka, które przekształcało napięcie DC w prąd zmienny o wysokiej częstotliwości potrzebny do sprzężenia rezonansowego magnetycznego. Wyjście było wprowadzane do sieci kompensacyjnej, aby osiągnąć rezonans, poprawić efektywność i usprawnić transfer mocy³⁷. Wspólne topologie kompensacji były omawiane w poprzednich badaniach³⁸.

Proponowany system zastosował sieć kompensacji szeregowo-szeregowej (SS), która minimalizowała impedancję przy rezonansu i zmniejszała moc bierną. Kondensatory tworzyły główną sieć kompensacji, a jednocześnie stanowiły wtórny komponent kompensacji.

System DWPT był symulowany na poziomie systemu przy użyciu parametrów podanych w Tabeli 2. Napięcie indukowane zależało od indukcyjności wzajemnej , która zmieniała się wraz z przemieszczeniem cewki podczas ruchu. Zachowanie systemu przy zmiennym przesunięciu bocznym analizowano poprzez obserwację wzajemnej indukcyjności, napięcia i prądu zarówno w cewkach nadajnika, jak i odbiornika. Do celów symulacyjnych zastosowano prędkość pojazdu 27 m s⁻¹ (~60 mph).

Wzajemna indukcyjność, napięcie nadajnika i prąd przedstawiono na Rysunku 6, gdzie przesunięcie fazy zerowej wskazuje pracę w rezonansie. Napięcie i prąd odbiornika przedstawiono na Rysunku 7. Napięcie i prąd obciążenia pokazano na Rysunku 8, a moc wyjściowa na Rysunku 9. Zaobserwowano zmiany charakterystyki obciążenia spowodowane zmianami indukcyjności wzajemnej i współczynnika sprzężenia, które zostały rozwiązane za pomocą strategii sterowania opisanej w następnej sekcji.

4. Metodologia sterowania

Zastosowano podejście sterowania dwustronnego ze względu na skuteczność w poprawie transferu mocy i efektywności systemu w różnych warunkach sprzężenia^39,40. Zastosowano strategię sterowania proporcjonalno-całkowego (PI) z podwójną pętlą do regulacji zarówno napięcia, jak i prądu.

Parametry regulatora były wybierane na podstawie zasad projektowania sterowania kaskadowego, a nie strojenia empirycznego. Wewnętrzna pętla prądowa, powiązana z wtórnym przetwornikiem DC–DC buck, została zaprojektowana z większą szerokością pasma, aby zapewnić szybką reakcję i odrzucenie zakłóceń. Zewnętrzna pętla, sterująca falownikiem fazowym z przesunięciem fazowym (PSFB) po stronie pierwotnej, pracowała na niższej szerokości pasma, aby utrzymać rozdzielenie pętli.

Strategia sterowania PSFB polegała na ciągłym pomiarze napięcia wyjściowego lub prądu na odbiorniku, który był przekazywany z powrotem do falownika. Moc wyjściowa była kontrolowana przez regulację przesunięcia fazy między nogami falownika, przy czym większe przesunięcie fazowe skutkowało zwiększonym transferem mocy. Regulator PI określał wymagane przesunięcie fazy i generował sygnały modulacji szerokości impulsu (PWM) do sterowania przełączaniem. Ogólna struktura sterowania została zilustrowana na Rysunku 10.

System sterowania został zaimplementowany w środowisku symulacji w czasie dyskretnym, z stałym okresem próbkowania wystarczającym do uchwycenia dynamiki przełączania na 85 kHz. Wzmocnienia kontrolera były dostrojone tak, aby zapewnić stabilną pracę przy minimalnym przebiegu i akceptowalnym czasie stabilizacji przy zmianach obciążenia i sprzęgania, przy zachowaniu odpowiednich marginesów stabilności.

Weryfikacja projektu sterowania została osiągnięta, gdy kaskadowa struktura PI zapewniała szybkie, płynne odzyskiwanie napięcia pod zakłóceniami, a wewnętrzna pętla prądowa reagowała szybciej niż zewnętrzna pętla napięciowa. Odchylenia od tych cech wskazywały na potencjalne niespójności w ekstrakcji parametrów, strojeniu kompensacyjnym lub konfiguracji sterownika.

Wyniki

Przemiatanie cewki
Wymiary cewek DD pierwotnej i wtórnej zostały określone na podstawie parametrycznej procedury przemiatania opisanej w protokole. Zmierzone sprzężenie magnetyczne między obiema stronami podczas przesuwania cewek pierwotnych wskazało, że maksymalny współczynnik sprzężenia osiągnięto przy długości nadajnika 500 mm i szerokości 370 mm, z wartościami odpowiednio 0,349204 i 0,337464, jak pokazano na Rysunku 11. Na podstawie tych wyników ustalono, zoptymaliz...

Dyskusja

Główna luka badawcza w tej pracy dotyczyła ograniczonej stabilności dynamicznej i dokładności regulacji konwencjonalnych systemów DWPT z pojedynczą pętlą lub niekontrolowaną, szczególnie pod wpływem wahań obciążenia i wahań sprzęgła spowodowanych ruchem pojazdu, co zostało podkreślone w wcześniejszych badaniach dotyczących dynamicznych systemów ładowania bezprzewodowego ^7,8. Wyniki wykazały, że proponowana architektura sterowania dwupętlowym PI dla konfiguracji D...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Komputer stacjonarny ANSYS Electronics (Maxwell 3D)	Ansys, Inc. Maxwell   (wersja 2018)	Nie ma	Zintegrowana platforma elektromagnetyczna hostująca ANSYS Maxwell   Wykorzystywane do elektromagnetycznego modelowania cewek DWPT metodą elementów skończonych
Komputer stacjonarny ANSYS Electronics (Simplorer)	Ansys, Inc. Simplorer  (wersja 2018)	Nie ma	Komercyjny symulator na poziomie obwodów używany do implementacji modelu rezonansowego DWPT
MATLAB/Simulink	MathWorks, Inc. (wersja R2023b)	Nie ma	Środowisko projektowania i symulacji sterowania wykorzystywane do implementacji sterowników oraz symulacji systemów dynamicznych itd;