Controle PI de Duplo Loop para um Sistema Dinâmico de Carregamento Sem Fio de Veículos Elétricos com Transmissores Duplos usando Modelagem 3D de Bobinas DD

Resumo

Este trabalho apresenta um sistema de transferência dinâmica de energia sem fio (DWPT) baseado em simulação, utilizando uma estrutura de bobina double-D (DD) em topologia de duplo transmissor e receptor único (DTSR) e estratégia de controle de dual loop proporcional–integral (PI), demonstrando voltagem e entrega de potência reguladas sob variação de acoplamento, efeitos de desalinhamento e um espaço de ar de 150 mm.

Resumo

A transferência dinâmica de energia sem fio (DWPT) é uma tecnologia emergente para fornecer energia a veículos elétricos (EVs) enquanto estão em movimento; no entanto, seu desempenho é significativamente afetado por variações de acoplamento, desalinhamento das bobinas e flutuações de carga. Para enfrentar esses desafios, este estudo apresenta um protocolo baseado em simulação que integra modelagem eletromagnética, co-simulação em nível de circuito e avaliação coordenada de controle para um sistema DWPT com duplo transmissor e receptor único (DTSR). A metodologia começa com modelagem eletromagnética tridimensional de uma configuração de bobina double-D (DD) usando um solucionador de elementos finitos para caracterizar variações de autoindutância e indutância mútua sob condições de desalinhamento. Esses parâmetros são então incorporados em um modelo de circuito ressonante para otimizar o desempenho da transferência de potência. O sistema DTSR completo é posteriormente implementado em um ambiente de simulação em nível de sistema, onde uma estratégia de controle de integral proporcional (PI) de duplo ciclo é aplicada para regular a tensão e a potência de saída sob condições de acoplamento variáveis no tempo. Os resultados demonstram entrega estável de potência e desempenho eficaz de regulação em cenários operacionais dinâmicos, incluindo uma folga de ar fixa de 150 mm e condições variáveis de desalinhamento. O framework proposto permite a avaliação sistemática da dinâmica do sistema, resposta de controle e estabilidade de energia. Esse protocolo oferece um fluxo de trabalho estruturado e reproduzível para análise e validação de sistemas DWPT baseados em DTSR e apoia o desenvolvimento de estratégias robustas de controle para aplicações dinâmicas de carregamento de veículos elétricos.

Introdução

Veículos elétricos (VEs) surgiram como uma alternativa competitiva para o transporte devido às suas vantagens em amigabilidade ambiental, isolamento e^{segurança 1,2}. No entanto, os veículos elétricos enfrentam várias limitações, principalmente a autonomia limitada da bateria, que resulta em autonomia de condução restrita, alto custo e longos tempos de carregamento ^3,4. A tecnologia de transferência de energia sem fio (WPT) é considerada um dos principais facilitadores para superar essas limitações, fornecendo um fornecimento de energia conveniente e contínuo. Essa tecnologia de carregamento pode ser categorizada em dois grupos: carregamento estático, onde o veículo permanece parado sobre o carregador, e transferência dinâmica de energia sem fio (DWPT), que permite a transmissão de energia enquanto os veículos elétricos estão em^{movimento 5–8}. O DWPT surgiu como uma abordagem promissora para reduzir a dependência de baterias, melhorar a mobilidade e economizar^{tempo 9}.

Na tecnologia EV-DWPT, as principais áreas de pesquisa incluem o projeto de bobinas e a topologia do sistema. Diversas estruturas de bobina foram propostas, entre as quais a bobina double-D (DD) é amplamente adotada para aplicações^{EV-DWPT 10}. O dimensionamento e otimização das bobinas em relação ao coeficiente de acoplamento, custo e eficiência foram amplamente^{estudados 11,12}. Além disso, topologias modulares EV-DWPT com diferentes configurações foram investigadas para manter alta eficiência^13–16. A eficiência dos sistemas EV-DWPT é fortemente influenciada pelo projeto das almofadas transmissoras e^{receptoras 10, 17, 18}, pois a geometria da bobina afeta o coeficiente de acoplamento, autoindutância, tolerância ao desalinhamento, exposição ao campo eletromagnético (EMF) e características de transmissão^{de potência 19}. Os parâmetros de projeto incluem geometria da bobina, blindagem, materiais, desalinhamento axial e lateral e dimensões. Embora existam várias geometrias de plataforma (circular, retangular, DD, DDQ, etc.), as plataformas DD são amplamente utilizadas devido à sua alta indutância mútua (M) e adoção pela indústria, conforme recomendado pela Society of Automotive Engineers (SAE J2954)²⁰. Estudos recentes investigaram o cálculo da indutância própria e mútua sob condições de desalinhamento utilizando abordagens analíticas, numéricas, experimentais e de^{simulação 21–25}.

A maior parte das pesquisas existentes foca nos sistemas convencionais EV-DWPT de transmissor único e receptor único (STRSR), que enfrentam limitações em aplicações de alta potência e capacidade de carregamento^{rápido 16,26}. Para resolver essas limitações, foram propostas configurações de duplo transmissor e receptor único (DTSR) para aumentar a capacidade de transferência de potência ao fornecer múltiplos caminhos de transmissão. Projetos otimizados de DTSR usando bobinas DD com compensação LCC foram desenvolvidos para melhorar a eficiência de transferência^{de potência 27}, enquanto técnicas teóricas de modelagem e adaptação de impedância foram investigadas para melhorar ainda mais o desempenho sob condições^{dinâmicas 28}. No entanto, a redução do desalinhamento em sistemas multitransmissores continua sendo um desafio significativo, e várias estratégias de design foram propostas para mitigar esse^{problema 29}. Além disso, sistemas DTSR operando em frequência de ressonância comum com técnicas de economia de energia foram introduzidos e validados^{experimentalmente 30}.

Apesar desses avanços, o desempenho ideal do sistema no EV-DWPT não pode ser alcançado sem estratégias de controle eficazes. Os métodos de controle são geralmente classificados em abordagens de controle de lado primário, secundário e de lado^{duplo 31}. Por exemplo, um conversor DC–DC com controlador de integral proporcional (PI) tem sido usado no lado secundário para regular a tensão de saída sob condições variáveis de carga e^{acoplamento 32}. No lado primário, o ângulo de deslocamento de fase do inversor de ponte completa é comumente controlado para regular a transferência de potência mantendo a comutação de tensão zero (ZVS) na ressonância 33,34,35. No entanto, estudos DTSR DWPT existentes normalmente abordam design eletromagnético, compensação ressonante ou estratégias de controle separadamente. Em contraste, este trabalho integra esses componentes dentro de uma estrutura unificada em nível de sistema para avaliar seu impacto combinado sob condições operacionais dinâmicas.

O procedimento proposto combina modelagem tridimensional por elementos finitos e otimização magnética de bobinas DD, co-simulação em nível de circuito para projeto de redes de compensação e avaliação de eficiência, e implementação coordenada de controle usando uma estrutura PI de duplo laço. O circuito de controle interno regula o conversor buck DC–DC do lado secundário para estabilizar a tensão da carga sob condições variáveis, enquanto o laço externo ajusta o deslocamento de fase do inversor full-bridge do lado primário para alcançar a transferência de potência adaptativa em resposta às variações do acoplamento.

O sistema adota uma rede de compensação série–série (SS) para minimizar a potência reativa na ressonância e melhorar a eficiência geral, com a frequência de operação fixada em 85 kHz para garantir uma avaliação consistente^{dos parâmetros 36}. Em vez de propor um novo algoritmo de controle, a contribuição deste estudo está na integração sistemática de um controlador PI convencional de duplo loop em uma estrutura completa de co-simulação eletromagnética–circuito–controle para sistemas DTSR DWPT, permitindo regulação coordenada de tensão e corrente.

A estrutura resultante demonstra entrega estável de energia sob condições representativas de carregamento dinâmico e estende a aplicabilidade das estratégias estabelecidas de controle PI de duplo circuito aos sistemas de carregamento DTSR de EV. A metodologia proposta é particularmente adequada para sistemas de carregamento indutivo ressonante de veículos elétricos com geometrias e condições de operação semelhantes em plataformas, embora adaptação possa ser necessária para arquiteturas não ressonantes ou cargas altamente não lineares e variáveis no tempo. Um diagrama de fluxo de trabalho ilustrando as etapas da simulação é fornecido na Figura 1.

Protocolo

As ferramentas de pesquisa empregadas estão listadas na Tabela de Materiais.

1. 3D Modelagem por elementos finitos de bobinas DD

A modelagem eletromagnética e a otimização das bobinas DD do transmissor e receptor foram implementadas usando um solucionador eletromagnético 3D de elementos finitos. As dimensões da bobina do transmissor foram otimizadas por comprimento e largura varredores, enquanto as dimensões da bobina do receptor e a distância entre as bobinas foram mantidas fixas. O acoplamento magnético entre ambos os lados foi medido, e sua representação matemática é dada por³¹:

(1)

onde representa o coeficiente de acoplamento que descreve o acoplamento magnético entre as bobinas, denota a autoindutância da bobina transmissora e representa a autoindutância da bobina receptora.

Com base no acoplamento magnético máximo registrado, o comprimento e a largura do transmissor foram selecionados. A bobina receptora foi projetada com uma largura menor que o transmissor para melhorar a tolerância ao desalinhamento e o acoplamento^{de faixa média 29}. As dimensões e especificações otimizadas foram apresentadas na Figura 2 e na Tabela 1.

Durante a modelagem, as bobinas foram excitadas com fontes de corrente senoidal a 85 kHz, e o acoplamento por ressonância magnética foi habilitado por capacitores de compensação em série. A malha adaptativa foi empregada, com o refinamento concentrado em regiões de alta intensidade de campo magnético, especialmente ao redor das bobinas transmissora e receptora. A autoindutância, indutância mútua e coeficiente de acoplamento foram extraídos diretamente das soluções de campo usando ferramentas de extração de parâmetros integradas.

2. Co-simulação de circuito WPT

Para avaliar a eficiência de transferência de energia do sistema (PTE) na frequência selecionada, os parâmetros eletromagnéticos extraídos foram importados para um ambiente de simulação de circuito (veja Tabela de Materiais), e foi realizada a co-simulação de circuito WPT. Um solucionador de circuito no domínio do tempo foi usado para simular a interação entre o conversor eletrônico de potência e o modelo de bobina acoplada sob condições dinâmicas de operação. Os elementos de compensação foram ajustados para satisfazer a condição de ressonância definida por:

    .(2)

onde representa o componente principal de compensação.

O espaço de ar entre as bobinas foi fixado em 150 mm. O PTE máximo foi estimado em aproximadamente 0,0851 MHz como frequência de operação sob as restrições de espaçamento dadas. O PTE máximo foi estimado em aproximadamente 0,0851 MHz em uma frequência de operação sob as restrições de espaçamento dadas. Os resultados indicaram que o acoplamento baseado em ressonância magnética alcançou maior eficiência em distâncias médias em comparação com abordagens alternativas de transferência de energia sem fio, apoiando sua adequação para aplicações de carregamento dinâmico.

3. Implementação do sistema DWPT

O modelo de bobina 3D do sistema DTSR implementado no solucionador eletromagnético de elementos finitos foi apresentado na Figura 3. O movimento da bobina do receptor foi definido ao longo do eixo Y (desalinhamento lateral), enquanto o deslocamento do eixo X foi assumido como zero. O eixo Z representava o espaço de ar entre as bobinas, que era ajustado para 150 mm. A indutância mútua tornou-se função do deslocamento, expressa como .

A bobina receptora se movia de (0, −80, 150) mm para (0, 1400, 150) mm no sistema de coordenadas xyz, resultando em um deslocamento lateral total de 2700 mm ao longo do eixo Y. A simulação foi realizada para avaliar a variação de com desalinhamento lateral. Os resultados numéricos apresentados na Figura 4 e na Tabela Suplementar 1 indicaram indutância mútua máxima nas posições 9 e 22, correspondendo ao alinhamento com o transmissor 1 e o transmissor 2, respectivamente.

O diagrama de circuito do sistema DWPT proposto foi mostrado na Figura 5. O sistema consistia em dois transmissores aterrados e , e um receptor móvel . Os transmissores eram fornecidos por uma fonte DC conectada a um inversor de ponte completa, que convertia a tensão DC em corrente alterna de alta frequência necessária para acoplamento por ressonância magnética. A saída era alimentada para uma rede de compensação para alcançar ressonância, melhorar a eficiência e aprimorar a transferência^{de potência 37}. Topologias de compensação comum foram discutidas em estudos anteriores³⁸.

O sistema proposto adotou uma rede de compensação série–série (SS), que minimizava a impedância na ressonância e reduzia a potência reativa. Capacitores e formavam a principal rede de compensação, enquanto representavam o componente secundário de compensação.

O sistema DWPT foi simulado no nível do sistema usando os parâmetros apresentados na Tabela 2. A tensão induzida dependia da indutância mútua, que variava com o deslocamento da bobina durante o movimento. O comportamento do sistema sob variações de deslocamento lateral foi analisado observando indutância, voltagem e corrente mútuas, tanto nas bobinas do transmissor quanto do receptor. Para fins de simulação, foi usada uma velocidade de veículo de 27 m s⁻¹ (~60 mph).

A indutância mútua, tensão do transmissor e corrente são mostradas na Figura 6, onde um desfasamento zero indica operação em ressonância. A tensão e corrente do receptor foram apresentadas na Figura 7. A tensão e corrente de carga são mostradas na Figura 8, e a potência de saída é mostrada na Figura 9. Variações nas características de carga foram observadas devido a mudanças na indutância mútua e no coeficiente de acoplamento, que foram abordadas pela estratégia de controle descrita na seção seguinte.

4. Metodologia de controle

Uma abordagem de controle de dois lados foi empregada devido à sua eficácia em melhorar a transferência de potência e a eficiência do sistema sob condições variáveis de^{acoplamento 39,40}. Uma estratégia de controle proporcional–integral (PI) de duplo loop foi adotada para regular tanto a tensão quanto a corrente.

Os parâmetros do controlador foram selecionados com base em princípios de design de controle em cascata, em vez de ajustes empíricos. O loop interno de corrente, associado ao conversor buck DC–DC do lado secundário, foi projetado com uma largura de banda maior para garantir resposta rápida e rejeição de distúrbios. O loop externo, que controla o inversor full-bridge (PSFB) do lado primário, operava com uma largura de banda menor para manter o desacoplamento do loop.

A estratégia de controle PSFB envolvia medição contínua da tensão ou corrente de saída no receptor, que era redirecionada ao inversor. A potência de saída era controlada ajustando o desfasamento entre as pernas do inversor, com um deslocamento maior resultando em maior transferência de potência. O controlador PI determinava o deslocamento de fase necessário e gerava sinais de modulação de largura de pulso (PWM) para o controle de comutação. A estrutura geral de controle foi ilustrada na Figura 10.

O sistema de controle foi implementado em um ambiente de simulação em tempo discreto com um período de amostragem fixo suficiente para capturar a dinâmica de comutação de 85 kHz. Os ganhos dos controladores foram ajustados para alcançar operação estável com ultrapassagem mínimo e tempo aceitável de estabilização sob variações nas condições de carga e acoplamento, mantendo margens de estabilidade adequadas.

A validação do projeto de controle foi alcançada quando a estrutura PI em cascata produzia uma recuperação rápida e suave de tensão sob distúrbios e quando o circuito interno de corrente respondia mais rápido que o circuito externo. Desvios dessas características indicavam possíveis inconsistências na extração de parâmetros, ajuste de compensação ou configuração do controlador.

Resultados

Varredura de otimização de bobinas
As dimensões das bobinas DD primárias e secundárias foram determinadas com base no procedimento de varrimento paramétrico descrito no protocolo. O acoplamento magnético medido entre ambos os lados durante a varridura da dimensão da bobina primária indicou que o coeficiente máximo de acoplamento foi alcançado em comprimento de transmissor de 500 mm e largura de 370 mm, com valores de 0,349204 e 0,337464, respectivamente, conforme most...

Discussão

A principal lacuna de pesquisa abordada neste trabalho dizia respeito à estabilidade dinâmica limitada e precisão da regulação dos sistemas convencionais de laço único ou DWPT não controlados, especialmente sob variações de carga e flutuações de acoplamento causadas pelo movimento do veículo, como destacado em estudos anteriores sobre sistemas dinâmicos de carregamento^{sem fio 7,8}. Os resultados demonstraram que a arquitetura de c...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
ANSYS Electronics Desktop (Maxwell 3D)	Ansys, Inc. Maxwell  (versão 2018)	N/A	Plataforma eletromagnética integrada hospedando ANSYS Maxwell  Usado para modelagem eletromagnética por elementos finitos de bobinas DWPT
ANSYS Electronics Desktop (Simplorer)	Ansys, Inc. Simplorer  (versão 2018)	N/A	Simulador comercial em nível de circuito usado para implementar o modelo DWPT ressonante
MATLAB/Simulink	MathWorks, Inc. (versão R2023b)	N/A	projeto de controle e ambiente de simulação usados para implementação de controladores e simulação dinâmica de sistemas