EV 1) 2) 3) Implementation and Experimental Validation of Control System for Ground Facilities and Electric Vehicles in Dynamic Wireless Power Transfe
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- つづる おおふさ
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1 EV 1) 2) 3) Implementation and Experimental Validation of Control System for Ground Facilities and Electric Vehicles in Dynamic Wireless Power Transfer Katsuhiro Hata Takehiro Imura Yoichi Hori Dynamic wireless power transfer for electric vehicles (EVs) should be recognized not as extended technologies of static wireless charging but as a novel technology based on requirements of transportation systems. In this paper, a cooperative control system for vehicle detection and power transfer is presented considering a unique set of challenges for dynamic charging of EVs. The control strategy is expressed by a flowchart and implemented without signal communication between ground facilities and EVs. Additionally, the state transition from vehicle detection to power transfer is demonstrated by the experiments. KEY WORDS: EV and HV systems, energy control system, Dynamic wireless power transfer (A3) 1. (Electric Vehicle : EV) (Wireless Power Transfer : WPT) (1)(3) MIT (4) WPT cm m EV (5) (6) EV 2. Fig. 1 1)2)3) ( ) Road Underground Fig. 1 EV System structure of dynamic charging for electric vehicles. EV 1) 2) 3) EV 2.1. Fig. 2
2 EV Failure Heavy traffic Ground facility Lane change Sensor Road Wireless Communication Disconnection Underground Running velocity Amount of traffic Interference Gasoline car Inoperable State of charge Fig. 2 Vehicle detection problems with communication and additional sensors. Fig. 3 Ground facility Many and unspecified vehicles on the road. t = 0 s t = km/h t = 1 18 km/h EV t = 1 90 km/h t = 5 18 km/h Road Underground x = 0 m x = 5 m x = 25 m Fig. 4 Charging time for dynamic wireless power transfer considering vehicle velocity. EV 2.2. Fig. 3 EV EV EV 2.3. Fig. 4 EV 5 m EV (18 km/h) 1 90 km/h 0.2 EV ms 3. EV 3.1. Fig. 5 DC Series-Series(S-S) WPT ω 0 = 1 1 = (1) L1 C 1 L2 C 2 ω 0 EV AC-DC (Half Active Rectifier : HAR) HAR EV DC-DC WPT DC V dc EV k (5)
3 Pin I1 C1 R1 Lm R2 C2 I2 P Idc PL VS V1 L1 L2 L il Vdc V2 r Cdc E DC bus Half Active Rectifier DC-DC Converter Battery Vehicle side Road side Fig. 5 Circuit diagram of the dynamic wireless power transfer system. Table 1 Parameters of the experimental setup Motor DSP -side converters Battery DC power supply (a) Overview. 200 mm 200 mm 200 mm 400 mm Parameter Value DC voltage source amplitude VS Operating frequency f0 inductance L1 capacitance C1 resistance R1 inductance L2 capacitance C2 resistance R2 DC-DC converter inductance L DC-DC converter capacitance C DC-DC converter resistance r Battery voltage E Searching period Tsearch Search pulse width Tpulse ON threshold current I1th on OFF threshold current I2th of f OFF threshold differential current I1th dif f 18 V 100 khz µh 6.03 nf 1.83 Ω µh nf 1.28 Ω 1000 µh 1000 µf 0.2 Ω 6V 10 ms 0.5 µs 300 ma 2.5 A A/s 側 AC-DC コンバータの基本波力率が 1 で損失が無視できると き AC-DC コンバータを含む負荷全体は純抵抗負荷として見 (b). (c) Coils. Fig. 6 Experimental setup. なせる (8) このとき 磁界共振結合による WPT を T 型等価 回路で記述し (9) 送電側インバータから見た入力インピーダン ス Zin を Fig. 7 に示す 3.2. 実験装置 実験検証に用いた実験装置を Fig. 6 に示す EV の走行を模 擬するため モータを用いて受電器をベルト駆動させ 送電器 送電側インバータの動作角周波数 ω0 と送受電器の共振角周 波数が (1) 式を満たすとき 送電側インバータから見た入力イ ンピーダンス Zin は合成インピーダンスの計算から の 100 mm 上を通過させた 実験装置のパラメータは Table 1 に示す通りであり 後述する車両検知システムは Fig. 6(b) の インバータおよび DSP (PE-PRO/F28335A, Myway) を用い て実装した 4. 車両検知と送電制御 (7) 本研究では前述した通り 送電設備と EV 間の通信や付加的 なセンサを用いずに送電側インバータを用いて車両検知システ ムを実装する 4.1. 入力インピーダンスに着目した車両検知 本研究では送電側から見た入力インピーダンスに着目して車 両検知を実現する 磁界共振結合方式の WPT において 受電 Zin = R1 + (ω0 Lm )2 R2 + RL (2) と求められる ここで Zin は送受電器の相互インダクタンス Lm によって変化するが 等価的な負荷抵抗値 RL はすべての EV で一定ではないため (2) 式だけを用いて車両検知を行う ことは難しい 4.2. HAR による短絡動作 待機モード 本研究では EV 側の HAR を用いて車両検知時と充電時の動 作モードを区別する Fig. 8 に HAR の各動作モードを示す 充電時には下アームの半導体スイッチを OFF 状態として 従
4 Z in ddd V S DC bus C 1 R R2 C 2 1 L 1 -L m L 2 -L m L m R L and Load ddd ddd ddd / Fig. 7 Input impedance of the dynamic wireless power transfer system. d d dd dd dd dd D>, P I dc P L P = 0, I dc = 0 P L Fig. 9 Mutual inductance L m vs. input impedance Z in during short mode of HAR. V 2 V dc V 2 = 0 V dc C dc C dc (a) Rectification mode. (b) Short mode. Fig. 8 Operation modes of Half Active Rectifier. Fig. 10 Search pulse at resonance frequency. ON R L = 0 EV HAR Short mode L m Z in Fig. 9 L m Z in (2) Z in V 1 I 1 Z in 4.3. Fig. 10 f 0 3 Fig. 11 EV T search Z in I 1 I 1th on Z in I 1 I 1th on EV 4.4. Fig. 12 EV EV HAR Transfer start Fig. 11 Search pulse and road-side current. Short mode T search I 1 I 1th on I 1th on EV HAR Rectification mode EV EV I 2 k (5) k k th off I 2th off I 2 HAR Short mode HAR I 1 I 1th diff EV
5 Road side Search mode Vehicle side Standby mode Start Start Start search pulse Wait Start short mode Stop search pulse _ Power received? Start power transfer Start rectification mode ¹ ¹» _ _ Stop power transfer Stop rectification mode Transfer mode Charging mode Fig. 12 Flowchart of road-side and vehicle-side systems. (a) Overall view Fig. 13 Road-side voltage and current in search mode (b) Enlarged view (a) Overall view Fig. 14 Road-side voltage and current in transfer mode (b) Enlarged view Fig. 13 V 1 I 1. I 1
6 (a) Overall view (b) Multiple times Fig. 15 Waveforms while running at 10 km/h Fig State transition from vehicle detection to power transfer. V 1 Fig. 13(a) I 1 I 1th on Fig. 13(a) 3 Fig. 14 V 1 I 1. Fig. 14(a) Fig. 14(b) W mw 1/ km/h V 1 I 1 Fig. 15. Fig. 15(a) V 1 Fig. 15(b) Fig. 15(a) Fig. 16 1) I 1th on 2) T search I 1th on 3) EV HAR Short mode Rectification mode 4) EV Fig EV JSPS , 15H02232, 16J06942 ( 1 ) G. A. Covic and J. T. Boys, Modern trends in inductive power transfer for transportation application, IEEE J. Emerg. Sel. Topics Power Electron., vol. 1, no.1, pp , Mar ( 2 ) S. Li and C. C. Mi, Wireless power transfer for electric vehicle applications, IEEE J. of Emerg. Sel. Topics Power Electron., vol. 3, no.1, pp. 4 17, Mar ( 3 ) WPT , 2010, pp ( 4 ) A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonance, Science Express on 7 June 2007, vol. 317, no. 5834, pp , Jun ( 5 ), D, vol. 136 no. 6, pp , ( 6 ) C. C. Mi, G. Buja, S. Y. Choi, and C. T. Rim, Modern advances in wireless power transfer systems for roadway powered electric vehicles, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 63, no. 10, pp , Oct ( 7 ) D. Kobayashi, K. Hata, T. Imura, H. Fujimoto, and Y. Hori: Sensorless vehicle detection using voltage pulses in dynamic wireless power transfer system, in Proc. EVS29, ( 8 ), D, vol. 132 no. 10, pp , ( 9 ), D, vol. 130, no. 1, pp , 2010.
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. Fig. AC bus k k V I S Fig. 4. Fig. 3. The position of two lines The equivalent circuit model of line impedance Z(k) = V I S () Fig f [Hz], c[m
![. Fig. AC bus k k V I S Fig. 4. Fig. 3. The position of two lines The equivalent circuit model of line impedance Z(k) = V I S () Fig f [Hz], c[m](/thumbs/88/115616136.jpg ". Fig. AC bus k k V I S Fig. 4. Fig. 3. The position of two lines The equivalent circuit model of line impedance Z(k) = V I S () Fig f [Hz], c[m")
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