グローバルダブルに対応した新型中空ソレノイドレシーバー

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11925 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

誘導電力伝送 (IPT) 技術は、電気自動車 (EV) を充電するための有望なソリューションであり、磁気結合による接続ワイヤなしで EV がエネルギー貯蔵システム (バッテリー) を充電できるようにします。 この論文では、SAE J2954 規格で定義された標準 Double-D 送信機と互換性のある、中空ソレノイド受信機と呼ばれる新しい受信機設計を提案します。 提案された中空ソレノイド受信機の詳細な設計分析が、コイル (インダクタンス、巻き数、寸法、ワイヤなど) とフェライト コア (寸法、数、配置など) の最適な設計パラメータを定義するために提示されます。 いくつかの WPT3 (11.1kVA) ソレノイド レシーバー (SR) 設計が提示され、効率、重量、サイズ、体積、コストに基づいて分析されました。 提案された SR の性能は、結合係数、送信電力と効率、および漂遊電磁界 (EMF) を考慮した異なる横方向および回転方向のアライメントおよび負荷条件下で、SAE J2954 規格によって提示されたグローバル Double-D 受信機 (DDR) と比較されました。 コイル、補償ネットワーク、電力コンバータ、制御装置、バッテリ負荷を含む IPT システム全体が、SR コイルと DDR コイルの両方についてモデル化され、分析されました。 結果は、提案された SR がさまざまな配置および負荷条件でグローバル DD 送信機と互換性があり、85% 以上の効率で所望の電力 (11 kW) を送信できることを明らかにしました。 中空 SR 設計は、DDR や他の設計と比較して、最高の効率と最小のサイズ、重量、コストを示します。

運輸部門は、非永久的なエネルギー源であり、時間の経過とともに枯渇する可能性が高い化石燃料に主に依存しているため、有害な排出物の主な発生源（米国で最も多い）となっています。 したがって、化石燃料への依存を減らし、温室効果ガス（GHG）排出量を削減するために、電気自動車（EV）を使用することが急務となっています。 適切な充電インフラが利用できない、またはアクセスできない場合、EV を大規模に導入することが妨げられる可能性があります。 誘導電力伝送（IPT）技術は、移動中だけでなく長期駐車中でもEVの充電を可能にする有望な機能を示しています。 IPT は、物理的接触なしに、大きなエアギャップ距離 (100 ～ 400 mm) にわたって EV バッテリーを充電する技術です。 自動化、柔軟性、安全性、メンテナンス、利便性の点で、プラグイン充電器に比べていくつかの利点があります。 雨、雪、埃などの厳しい環境条件にも適しています。1. IPT システムは 2 つの分離された側で構成されます。 接地側 (送信機) には、一次パッド、共振回路、高周波 (HF) インバーター、およびグリッド整流器が含まれます。 図 1 に示すように、二次パッド、共振回路、および EV バッテリーに電力を供給するダイオード整流器を含む車両側 (受信機) です。電源は低周波電力をインバーターに供給し、インバーターはそれを HF 電力に変換し、送信機（一次）コイル。 一次コイルから発生した電磁場は二次コイルと結合して、同じ供給周波数で電力を伝送します。 HF 二次電源は EV バッテリーを充電するために再認定されています。 一次側と二次側は、無線通信リンクを通じて相互に通信し、調整、認証、制御、請求書の支払いを可能にします。

疎結合された IPT システム コンポーネントの例。

磁気誘導結合器 (一次パッドおよび二次パッド) は、電源から負荷に電力を伝達する役割を担う IPT システムの重要なコンポーネントです。 生成される電磁場の形状に基づいて、多くのパッド構造と設計が文献で紹介され、議論されています。 これらの構造は、ダブル D (DD) パッドやソレノイド パッド 2 など、磁束成分が水平方向に進行する分極構造の 3 つのタイプに分類されます。 長方形や円形のパッドなど、垂直磁束成分を持つ構造は無偏光と呼ばれます3。 3 番目の構造は、相互に分離された複数の重なり合ったコイルで構成され、双極パッドや三極パッドなどの垂直磁束と水平磁束の両方を生成できます4。 送信機と受信機の両方の長方形および DD パッドは、軽量 EV 充電用の SAE J2954 規格で提示されています。 これらのパッドは、シンプルさとパフォーマンスの点で優れた利点を示し、送信機パッドに適しています。 しかし、これらのパッドはリッツ線やフェライトを多量に使用しているため、重量、サイズ、コストが高く、スペースと重量が重要となる車両用パッドには適していません。 ソレノイド コイルは、非常に優れた性能 (高出力密度および小型サイズによる高い結合係数) と低コストを備えた車両パッド用の有望な磁気構造です。 また、両面構造であり、大量の非電離放射線を生成するため、ゼロ結合位置がないため、中程度および大きなエアギャップによる位置ずれに対する大きな許容値が可能になります5、6。 著者らは、フラット ソレノイド コイルとインターリーブ ブースト コンバータで構成されるワイヤレス充電システムを設計しました。 実際の研究のために、170 mm のエアギャップ距離を通じて 500 W の電力を伝送するプロトタイプが構築されました。 ソレノイドコイルのパラメータを最適化し、90.1%のDC-DC伝送効率を達成しました。 In8では、研究者らはソレノイドコイルと長方形のコイルを組み合わせて送信パッドを形成しました。 一方、円形パッドと長方形パッドは別々に使用されました。 コイルインダクタンスの変化量、位置ずれ量、結合係数を比較しました。 ソレノイドを組み合わせて長方形コイルの中央に配置すると、結合係数が大幅に増加することがわかりました。 In5 では、IPT システムはソレノイド構成に基づいて設計されており、200 mm のエアギャップを通じて必要な電力を伝達します。 結合係数を高めるために磁束ガイドフェライトコアが提案され、漏れ電磁界を排除するために金属アルミニウムシールドが使用されました。 研究者らは、主にソレノイド構成に基づいた IPT システムを提案しました 9。 このシステムは送信側のフラットソレノイドと受信側の 2 つのソレノイドで構成されます。 最高の結合係数を得るためにシステム解析が行われ、DD およびバイポーラ構成を備えた提案システムの相互運用性原理がテストされました。 6 kW の電力伝送は、50 mm のエアギャップを通じて達成され、水平方向の位置ずれ許容値は 125 mm です。