SIMULASI SISTEM TRANSFER DAYA NIRKABEL UNTUK KENDARAAN LISTRIK DENGAN KOREKSI FAKTOR DAYA

Simulasi Sistem Transfer Daya Nirkabel untuk Kendaraan Listrik dengan Koreksi Faktor Daya

Abstrak----Transfer daya tanpa kabel telah menjadi topik yang populer dari penelitian terbaru. Sebagian besar penelitian yang telah dilakukan untuk mengatasi keterbatasan efisiensi antar kumparan. Simulasi sistem transfer daya tanpa kabel untuk kendaraan listrik dengan koreksi faktor daya. Namun, sedikit yang telah dilakukan untuk mengatasi masalah yang terkait dengan faktor daya input rendah dengan yang sistem beroperasi. Rincian makalah ini menjelaskan langkah-langkah yang diambil untuk menganalisis sistem transfer daya tanpa kabel dari jaringan listrik dengan berbagai kondisi beban dan  koreksi faktor daya.

1. PENGANTAR

Baru-baru ini transmisi daya nirkabel telah menjadi topik penelitian yang sangat aktif sebagai kepentingan dalam elektrifikasi sistem transportasi. Para peneliti sedang mempelajari cara untuk mengubah listrik atau plug-in kendaraan listrik hibrida menggunakan transfer daya nirkabel sedangkan kendaraan sedang parkir atau diam atau untuk mengelektrifikasi jalan raya dan kendaraan listrik mereka saat bergerak

Transfer daya tanpa kabel ini dimungkinkan karena sirkuit resonan. Ketika sirkuit pemancar disetel untuk beresonansi pada frekuensi yang sama sebagai rangkaian penerima, daya ditransmisikan secara nirkabel melalui kopling magnet dari kumparan induktif di sirkuit. Karena daya yang ditransfer oleh kumparan magnet, ada sedikit kontak listrik bahaya bagi setiap entitas biologis. Elektronik dalam area pengisian juga terpengaruh kecuali resonansi pada frekuensi yang sama.

Resonan sirkuit sendiri harus memiliki Q-faktor tinggi untuk memungkinkan operasi arus tinggi dari sistem. Sejak daya dilewatkan melalui medan magnet, saat ini lebih tinggi diperlukan untuk mentransfer daya dari daya kabel tradisional telah mencapai ke atas efisiensi 90% dalam pengujian, bahkan ketika menyalakan 3 kW [1].

Meskipun efisiensi tinggi potensi dipamerkan oleh WPT, perbedaan dalam keselarasan coil dan frekuensi operasi memiliki perubahan drastis dalam efisiensi sistem. Banyak makalah dan jam penelitian telah didedikasikan untuk analisis dan solusi untuk kumparan misalignment [2] dan untuk sirkuit tambahan untuk secara akurat melacak frekuensi operasional yang tepat untuk memaksimalkan efisiensi [3-4].

Namun, penelitian terbaru telah ditujukan untuk menghilangkan masalah penting dari kumparan keselarasan, ini telah meninggalkan masalah lain yang relatif teruji. Masalahnya adalah bahwa kumparan kopling beroperasi pada faktor daya yang sangat rendah. Penelitian telah dilakukan untuk mengatasi masalah tersebut, meskipun solusi yang mungkin memerlukan komponen tambahan di sisi penerima dari sistem [5].

Dalam upaya untuk membatasi jumlah perangkat keras yang berpotensi ditempatkan pada kendaraan, koreksi faktor daya dapat ditangani di sisi transmisi dari kumparan. Ini Papes menggunakan solusi elektronika daya, dalam bentuk sebuah rectifier H-jembatan diikuti oleh tinggi meningkatkan frekuensi converter [6], untuk mengatasi faktor daya bermasalah antara jaringan listrik dan sistem WPT seperti yang digunakan dalam aplikasi kendaraan.

2. ANALISIS SISTEM TRANSFER

Dalam rangka untuk mensimulasikan pengoperasian sistem WPT dipilih adalah yang digunakan di Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Hal ini telah ditampilkan efisiensi transfer yang tinggi di berbagai signifikan dari frekuensi dan keberpihakan kumparan, dan masing-masing sirkuit disetel untuk 24 kHz.

Tahap transmisi terdiri dari topologi seri-paralel dan dapat dilihat pada gambar 1. Ini berarti bahwa transmisi disetel sirkuit terdiri dari kapasitor secara seri dengan kumparan induktif dan bahwa penerima memiliki paralel kapasitor dengan kumparan induktif. Sebuah induktansi mutual dipilih untuk mensimulasikan transfer daya, seperti yang telah dilakukan dalam analisis mereka dari sistem [1], [7].

Sebuah model sistem diciptakan pada MATLAB yang akan digunakan untuk menganalisis efisiensi antar kumparan qdan transfer daya keseluruhan. Sebagai analisis yang dilakukan adalah murni AC, karakteristik beban tegangan konstan tersedia dalam tes sebelumnya diabaikan, sehingga beban resistif murni. Model ini kemudian beroperasi di bawah berbagai kondisi, termasuk berbagai beban perlawanan, koefisien kopling (mewakili berbagai keberpihakan kumparan), dan frekuensi operasi.

Sebagai perubahan frekuensi operasional, daya input dan output daya nyata dan reaktif semua secara dramatis berubah. Selama simulasi ini, resistansi beban konstan 30 ohm dan koefisien kopling konstan 0,15 digunakan. Efisiensi operasi puncak terjadi sekitar 22 kHz karena koefisien kopling rendah.

Sebagai kopling koefisien meningkat, daya reaktif yang diberikan oleh sumber menurun, sementara input daya nyata berkurang. Daya keluaran mengikuti daya masukan. Untuk analisis ini, frekuensi konstan 24 kHz dan resistansi beban konstan 30 ohm digunakan.

Akhirnya, sistem ini dievaluasi dengan beban resistif variabel. Ketika resistansi beban kecil, daya keluaran dan daya masukan nyata dari sistem besar. Sistem beroperasi sehingga menyerap daya reaktif. Perlawanan meningkat, namun; daya reaktif yang diberikan oleh sumber secara dramatis meningkatkan, sedangkan kekuatan nyata dalam sistem berkurang.

3. MODEL RANGKAIAN

Sebelum simulasi jaringan listrik untuk sistem WPT, model sederhana dari sistem harus dibuat. PLECS digunakan dalam pemodelan dan untuk simulasi. Sistem transmisi mencakup pengubah AC-DC di ikuti oleh pengubah DC-AC yang terhubung ke kumparan transmisi. Penerima kumparan terhubung ke baterai sederhana melalui pengubah AC-DC.

Komponen, dimulai dengan koneksi jaringan listrik dan bekerja menuju sistem transmisi, termasuk penyearah aktif dengan kemampuan koreksi faktor daya dan jembatan inverter penuh. Berikutnya adalah sistem transmisi seri-paralel. Akhirnya, komponen sambungan baterai terdiri dari penyearah H-jembatan dioda, buck-boost DC-DC pengubah non-pembalik, dan model baterai sederhana.

Sebuah sumber arus AC / DC pengubah dipilih sebagai template karena relatif pentingnya kontrol saat yang bertentangan dengan tegangan kontrol dalam tahap transmisi listrik. (Model yang tepat saat ini sedang dalam revisi untuk memastikan kontrol mampu berbagai kondisi simulasi, tetapi akan dibahas secara lebih rinci dalam laporan akhir).

Setelah kapasitor kopling, inverter digunakan untuk mengoperasikan tahap transmisi pada frekuensi resonansi yang tepat.

Topologi transmisi WPT sebuah nilai komponen dipilih untuk simulasi sistem WPT digunakan dalam pengujian di NTRC, seperti dianalisis sebelumnya. Tahap transmisi seperti yang disajikan memiliki frekuensi resonansi 24 kHz.

Sebuah pengubah non-pembalik buck-bost, dipilih untuk mengatur bagaimana daya yang diterima akan disampaikan kepada beban baterai [8]. Converter tiga fasa mode operasi: tegangan konstan, arus konstan, dan model kombinasional yang mempertimbangkan baik tegangan dan arus untuk mengurangi riak keseluruhan. Sebuah desain non-pembalik dipilih untuk mengurangi kesenjangan total tegangan dilihat di kendaraan darat.

Model baterai adalah rangkaian sederhana, seperti analisis baterai adalah di luar lingkup proyek ini. Hal ini dimodelkan dengan sumber tegangan ideal dengan resistansi seri.

4. SIMULASI

Dengan model subsistem dirancang, sumber tegangan sinusoidal yang ideal ditempatkan di sirkuit sebagai masukan AC. Menggunakan program analisis rangkaian PLECS, sirkuit lengkap disimulasikan untuk berbagai koefisien kopling dan karakteristik beban. Dalam upaya untuk menangkap berbagai skenario yang mungkin mengenai coil misalignment dan berbagai ketinggian kendaraan, sejumlah simulasi dijalankan dengan berbeda koefisien kopling.

Gambar 9 menampilkan tegangan input dan arus dari simulasi 4 kW dengan koefisien kopling 0,15 dan frekuensi operasional 20 kHz. Plot mengungkapkan saat ini masukan sinusoidal yang ada di fase dengan tegangan input. Gelombang saat ini memiliki sekitar 5% THE. Gambar 10 menunjukkan arus keluaran sistem selama steady state. Simulasi mengungkapkan riak 30 mA.

Gambar 11 dan 12 menunjukkan tegangan input dan arus dan arus keluaran, masing-masing, dari simulasi dengan koefisien kopling 0f 0,3 pada 22 kHz. Tes ini dilakukan untuk mengungkapkan bagaimana controller faktor daya bereaksi dengan koefisien kopling jauh lebih tinggi dan frekuensi operasi yang lebih menguntungkan. Ada arus masukan terasa lebih tinggi diperlukan untuk menjaga tegangan konstan karena jumlah daya reaktif yang dibutuhkan untuk daya kumparan.

5. HASIL PERCOBAAN

Dalam rangka untuk memvalidasi model sistem transmisi, itu dibandingkan dengan model terbaru dari ORNL. Transfer daya nirkabel ORNL saat ini terdiri dari kekuatan IGBT inverter frekuensi tinggi, baru dirancang kumparan kopling, dan penyearah gelombang penuh dan perakitan filter. Tabel 1 merangkum koefisien sepasang kumparan kopling dibandingkan jarak sumbu z ketika ditandai dengan terbuka uji tegangan sirkuit dan dengan uji meteran LCR ketika kumparan membantu konfigurasi induktansi.

z = (mm)	200	175	150	125	100
Open Ckt	0,203	0,2506	0,312	0,389	0,488
Induct Aid	0,201	0,251	0,308	0,385	-

Data laboratorium diambil dari hardware eksperimental dikonfigurasi seperti yang dijelaskan dalam gambar 14 memiliki PFC aktif front end dan variabel dc penghubung tegangan untuk penyesuaian kasar dari tingkat daya WPT. Sebuah bank beban digunakan di tempat baterai kendaraan ditampilkan.

Tabel 2 merangkum frekuensi tinggi power inverter tahap nyata dan tingkat daya reaktif fungsi frekuensi untuk WPT tala seri-paralel pada fo = 22 kHz.

Frekuensi (kHz)	Kump. Utama P (W)	Kump. Utama Q (VAr)	Kump. Sekunder P (W)	Kump. Sekunder Q (VAr)
18	236,8	-1100,9	211,2	-254,2
20	691,0	-1995,3	616,7	-481,9
23	1960,6	-2537,9	1816,1	-2075,3

Bentuk gelombang menunjukkan tegangan primer dan arus (Us, I1) dan tegangan kumparan sekunder dan arus (Uo, I2) selama beberapa poin operasi perwakilan yang ditunjukkan pada gambar 15 melalui gambar 17 di bawah ini. The power inverter frekuensi tinggi (H-Bridge) adalah siklus dikendalikan dan tegangan rel disesuaikan menggunakan power supply laboratorium. Gambar  18 menunjukkan sistem simulasi ketika dioperasikan pada 20 kHz untuk perbandingan.

Dalam tabel 2 dan hasil yang ditunjukkan pada Gambar. 15 melalui Gambar. 17 jelas bahwa pada tegangan link tertentu, koefisien kopling (yaitu, kendaraan ground clearance), dan pemuatan (baterai SOC) yang daya nyata dan reaktif mengalir di unit dasar utama WPT Aktif Front End (AFE) karena itu harus terus mengimbangi utilitas kekuatan garis sebagai WPT tegangan hubung dan mengbah tingkat daya.

6. KESIMPULAN

Koreksi faktor daya akan menjadi keharusan untuk aplikasi transfer daya nirkabel. Faktor daya rendah membuat sistem tampak sangat induktif ketika tidak dioperasikan pada frekuensi yang ideal. Model yang dikembangkan untuk simulasi unit dasar WPT aktif front end (AFE) karena itu harus terus mengimbangi kekuatan utilitas baris sebagai WPT tegangan hubung dan  mengubah tingkat daya.

7. UCAPAN TERIMAKASIH

Karya ini adalah dukungan sebagian oleh Pusat Penelitian Program Teknik dari National Science Foundation dan Departemen Energi bawah NSF pemberian Nomor EEC-1041877 dan Program Kemitraan Industri.

kumpulan makalah elektro

Tweet