Μελέτη, κατασκευή και έλεγχος συστημάτων επαγωγικής μεταφοράς ισχύος

Abstract

In this doctoral dissertation, an inductive power transfer system for electric vehicle charging is studied and constructed. Concerning the magnetic arrangement, a split transformer U-I shaped topology is proposed for incorporation in the front bumper of the vehicle. This topology presents desirable characteristics having to do with the minimization of the air gap, easiness of alignment, weight and cost reduction, in comparison with the commonly used circular arrangements attached on the ground. A frequency control strategy is proposed, achieving optimal system performance in both static and dynamic coupling conditions. Control is performed by a phase-locked loop (PLL) with optical communication between the two sides of the charger. The phase of the load current signal is optically transmitted to the primary, where the PLL synchronizes the inverter output voltage to that signal, ensuring operation at resonance. Experimental results on a prototype system show fast frequency response along with steady output voltage, in dynamically changing coupling conditions and load variations. The proposed control scheme is superior to other strategies in terms of stability, rapidity, safety of operation and steadiness of the output voltage level, in both static and dynamic charging applications.Αn asymmetric loading topology of the resonant secondary side circuit is proposed for increasing the power transfer capability of the system. Asymmetric loading is performed by a half-cycle short-circuit / half-cycle loading operation, in the secondary side of the inductive power transfer system. In this way, output power increase is achieved. The latter is caused by the reduction of the value of the load resistance as reflected to the resonant circuit, which leads to an increase in the quality factor of the resonant circuit, resulting in an increase in the power intake from a given voltage source. With the use of a capacitive output filter, additional increase in the transferred power is obtained, due to the relative load transformation. Simulations and experimental results verify the significant power gain in comparison with a system employing a full wave rectifier.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή περιγράφεται η μελέτη και η κατασκευή ενός συστήματος επαγωγικής μεταφοράς ισχύος για εφαρμογές φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων. Για τη μαγνητική σύζευξη προτείνεται μια τοπολογία μετασχηματιστή μεγάλου διακένου, μορφής U-Ι για τοποθέτηση στον εμπρόσθιο προφυλακτήρα του οχήματος. Η προτεινόμενη τοπολογία παρουσιάζει επιθυμητά χαρακτηριστικά σχετικά με την ελαχιστοποίηση του διακένου αέρα, την ευκολία ευθυγράμμισης μεταξύ πρωτεύοντος και δευτερεύοντος, το βάρος και το κόστος κατασκευής, σε σχέση με τις συχνά χρησιμοποιούμενες επιδαπέδιες σπειροειδείς διατάξεις. Προτείνεται μια στρατηγική ελέγχου της συχνότητας λειτουργίας για βέλτιστη επίδοση του συστήματος στις μεταβαλλόμενες συνθήκες σύζευξης, κατάλληλη, επίσης, για δυναμικά μεταβαλλόμενες καταστάσεις. Ο έλεγχος εκτελείται με βρόχο κλειδώματος φάσης (PLL) μέσω οπτικής επικοινωνίας μεταξύ των υποσυστημάτων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος. Η φάση του ρεύματος φορτίου μεταδίδεται μέσω υπερύθρων στο πρωτεύον, όπου η διάταξη PLL συγχρονίζει την τάση εξόδου του αντιστροφέα με το εν λόγω σήμα, εξασφαλίζοντας συνθήκες συντονισμού. Πειραματικά αποτελέσματα στο πρωτότυπο σύστημα δείχνουν ταχεία απόκριση συχνότητας μαζί με σταθερή τάση εξόδου σε μεταβαλλόμενες συνθήκες σύζευξης και φορτίου. Η προτεινόμενη τεχνική ελέγχου υπερτερεί έναντι άλλων σε θέματα ευστάθειας, ταχύτητας, ασφάλειας λειτουργίας και σταθερότητας της τάσης εξόδου, σε εφαρμογές στατής και δυναμικής φόρτισης.Τέλος, προτείνεται μια τοπολογία ασύμμετρης φόρτισης του συντονισμένου δευτερεύοντος για αύξηση της μεταφερόμενης ισχύος. Η ασύμμετρη φόρτιση πραγματοποιείται μέσω σύνδεσης του συντονισμένου κυκλώματος με το φορτίο κατά τη θετική ημιπερίοδο λειτουργίας και βραχυκύκλωσής του κατά την αρνητική ημιπερίοδο. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται αύξηση της μεταφερόμενης ισχύος στο φορτίο. Η τελευταία προκύπτει από τη μείωση της ισοδύναμης αντίστασης φορτίου, όπως αντικατοπτρίζεται στο συντονισμένο κύκλωμα, με αποτέλεσμα την αύξηση του συντελεστή ποιότητας και την επακόλουθη αύξηση της απορροφούμενης ενέργειας από δεδομένη πηγή τάσης. Με προσθήκη χωρητικού φίλτρου εξόδου προκαλείται περαιτέρω αύξηση της μεταφερόμενης ισχύος, λόγω αντίστοιχου μετασχηματισμού του φορτίου. Προσομοιώσεις και πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την σημαντική αύξηση ισχύος σε σύγκριση με αντίστοιχο σύστημα ανόρθωσης πλήρους γέφυρας.