$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Используемые исследовательские инструменты перечислены в Таблице материалов.
1. 3D моделирование конечных элементов DD-катушек
Электромагнитное моделирование и оптимизация DD-катушек передатчика и приёмника были реализованы с помощью 3D-решателя конечных элементов. Размеры катушки передатчика оптимизировались за счёт длины и ширины стрелки, а размеры приёмной катушки и расстояние между катушками оставались фиксированными. Измерялась магнитная связь между обеими сторонами, и её математическое представление даётся31:
(1)
где
обозначает коэффициент сцепления, описывающий магнитную связь между катушками,
обозначает самоиндуктивность катушки передатчика, а
— самоиндуктивность приёмной катушки.
На основе зафиксированного максимального магнитного соединения выбирались длина и ширина передатчика. Катушка приёмника была спроектирована с меньшей шириной, чем передатчик, чтобы повысить устойчивость к невыравниванию и среднечастотноесоединение 29. Оптимизированные размеры и спецификации были представлены на рисунке 2 и таблице 1.
Во время моделирования катушки возбуждались синусоидальными источниками тока с частотой 85 кГц, а магнитно-резонансное соединение обеспечивалось с помощью последовательно компенсирующих конденсаторов. Применялась адаптивная сетка, при этом усовершенствование было сосредоточено в областях с высокой интенсивностью магнитного поля, особенно вокруг катушек передатчика и приёмника. Коэффициенты самоиндуктивности, взаимной индуктивности и связи были напрямую извлечены из полевых решений с помощью встроенных инструментов для извлечения параметров.
2. Ко-симуляция цепей WPT
Для оценки эффективности передачи энергии системы (PTE) на выбранной частоте извлечённые электромагнитные параметры импортировались в среду моделирования схем (см. таблицу материалов), и проводилась совместная симуляция схем WPT. Для моделирования взаимодействия между преобразователем силовой электроники и моделью связанной катушки при динамических условиях работы использовался решатель схем во временной области. Элементы компенсации были настроены так, чтобы удовлетворить резонансное условие, определённое следующим образом:
.(2)
где
представляет собой компонент первичной компенсации.
Воздушный зазор между катушками был фиксирован на уровне 150 мм. Максимальная частота PTE оценивалась примерно в 0,0851 МГц при заданных ограничениях по расстоянию. Максимальная частота PTE оценивалась примерно в 0,0851 МГц при рабочей частоте при заданных ограничениях по расстоянию. Результаты показали, что магнитно-резонансная муфта достигает более высокой эффективности на средних расстояниях по сравнению с альтернативными методами беспроводной передачи мощности, что подтверждает её пригодность для динамической зарядки.
3. Реализация системы DWPT
Модель 3D-катушки системы DTSR, реализованная в конечно-элементном электромагнитном решателе, представлена на рисунке 3. Движение катушки приёмника определялось вдоль оси Y (боковое смещение), тогда как смещение по оси X предполагалось равным нулю. Ось Z отражала воздушный зазор между катушками, установленный на уровне 150 мм. Взаимная индуктивность
стала функцией смещения, выражаемой как
.
Катушка ствольной коробки перемещалась с (0, −80, 150) мм на (0, 1400, 150) мм в системе координат xyz, что приводило к общему боковому смещению 2700 мм вдоль оси Y. Симуляция была проведена для оценки вариации с боковым смещением. Числовые результаты, представленные на рисунке 4 и дополнительной таблице 1 , показали пиковую взаимную индуктивность в позициях 9 и 22, что соответствует выравниванию с передатчиками 1 и передатчиком 2 соответственно.
Схема схемы предлагаемой системы DWPT показана на рисунке 5. Система состояла из двух наземных передатчиков
и
, и одного движущегося приёмника
. Передатчики питались от источника постоянного тока, подключённого к инвертору полного моста, который преобразовывал постоянное напряжение в высокочастотный переменный, необходимый для магнитно-резонансной связи. Выходные данные поступали в компенсационную сеть для достижения резонанса, повышения эффективности и улучшения передачимощности 37. Общие компенсационные топологии обсуждались в предыдущихисследованиях 38.
Предлагаемая система приняла сеть компенсации последовательной и серийной (SS), которая минимизировала импеданс при резонансе и снижала реактивную мощность. Конденсаторы
и
формировали основную сеть компенсации, представляя
собой компонент вторичной компенсации.
Система DWPT моделировала на уровне системы с использованием параметров, приведённых в таблице 2. Индуцированное напряжение зависело от взаимной индуктивности, которая менялась при смещении катушки во время движения. Поведение системы при изменяющемся боковом смещении анализировалось путём наблюдения взаимной индуктивности, напряжения и тока в катушках передатчика и приёмника. Для моделирования использовалась скорость транспортного средства 27 м с⁻1 (~60 миль/ч).
Взаимная индуктивность, напряжение передатчика и ток показаны на рисунке 6, где сдвиг нулевой фазы указывает на работу при резонансе. Напряжение и ток приёмника показаны на рисунке 7. Напряжение нагрузки и ток показаны на рисунке 8, а выходная мощность — на рисунке 9. Наблюдались различия в характеристиках нагрузки из-за изменений взаимной индуктивности и коэффициента сцепления, которые были устранены с помощью стратегии управления, описанной в следующем разделе.
4. Методология контроля
Был использован двухсторонний подход управления благодаря его эффективности в повышении передачи мощности и эффективности системы при различных условиях сцепления 39,40. Была принята стратегия управления с двойным контуром пропорционально-интегрального (PI) для регулирования как напряжения, так и тока.
Параметры контроллера выбирались на основе принципов проектирования каскадного управления, а не эмпирической настройки. Внутренний токовый контур, связанный с вторичным DC–DC buck-преобразователем, был спроектирован с большей полосой пропускания для обеспечения быстрой реакции и отклонения возмущений. Внешний контур, управляющий первичным инвертором с фазовым сдвигом (PSFB), работал на более низкой полосе пропускания для поддержания разъединения петли.
Стратегия управления PSFB включала непрерывное измерение выходного напряжения или тока на приемнике, который возвращался на инвертор. Выходная мощность регулировалась за счёт изменения фазового смещения между ножками инвертора, при этом больший сдвиг фазы приводил к увеличению передачи мощности. Контроллер PI определял необходимый сдвиг фазы и генерировал сигналы широкой импульсной модуляции (PWM) для управления коммутацией. Общая структура управления показана на рисунке 10.
Система управления реализовывалась в среде моделирования с дискретным временем с фиксированным периодом дискретизации, достаточным для фиксации динамики переключения на 85 кГц. Усиления контроллера были настроены для обеспечения стабильной работы с минимальным пересечением и приемлемым временем оседания при колебаниях нагрузки и сцепления, при сохранении достаточных запасов устойчивости.
Валидация конструкции управления достигалась при быстром и плавном восстановлении напряжения каскадной структуры при возмущениях, а внутренний токовый контур реагировал быстрее, чем внешний. Отклонения от этих характеристик указывали на возможные несоответствия в извлечении параметров, настройке компенсации или конфигурации контроллера.