Development of load-independent single-input multiple-output wireless power transfer system with high frequency

负载无关单输入多输出高频无线电力传输系统的开发

基本信息

批准号：
21K04029
负责人：
魏秀欽
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Chiba Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

ワイヤレス給電システムには解決すべき課題が山積している。特に負荷変動による電力伝送特性の低下への対応は最重要な課題となる。この対策として、負荷変動の情報を検知し、送電側にその情報をフィードバックすることで出力を調整する制御システムを構築するアプローチが常識的かつ一般的である。しかし、情報のフィードバックには無線通信を用いなければならず、その送電遅延を補償した制御システムの構築は容易ではない。また、複数の受電デバイスからのフィードバック情報を送電側で処理するためには、計算処理の困難度や計算負荷の増加に対する問題にも対応しなければならない。これらの流れはMHz帯のワイヤレス給電システムの特徴である小型化の利点を帳消しにしかねない。本研究では、負荷変動にロバストな一送電多受電ワイヤレス給電システムを開発することを目的とする。本研究のアイディアは30年前に提案され、これまで陽の目をみなかった、負荷変動に依存せず、安定した出力とソフトスイッチングを常に達成できる「負荷非依存モード」に光を当て、これをワイヤレス給電システム設計に応用することにある。本年度は送電部にE級インバータ、受電部にD級整流器を適用した1入力1出力のワイヤレス給電システムに負荷非依存モードを搭載するための設計理論を確立した。解析の中、入力電流の交流成分を考慮しなければならないことを明らかにし、フーリエ解析とフィルタ理論を駆使することで、上記の回路構成を備えるワイヤレス給電システムにおいて、ソフトスイッチングと定出力を常に達成する負荷非依存モードの解析表現法を新たに確立することができた。さらに、具体的なシステムを設計し、実験による動作確認を行った。その結果、高周波でソフトスイッチングと定出力動作を達成することを確認し、高効率動作と高性能化の両立が図れることを示すことができた。

无线电力传输系统有许多问题需要解决。特别是，最重要的问题是如何应对由于负载波动导致的电力传输特性恶化。作为解决该问题的对策，常见的方法是构建控制系统，通过检测负载波动的信息并将该信息反馈到电力传输侧来调整输出。然而，必须使用无线通信来反馈信息，并且构建补偿电力传输延迟的控制系统并不容易。另外，为了处理来自电力发送侧的多个电力接收装置的反馈信息，需要处理诸如计算处理的难度以及计算负荷的增加等问题。这些趋势可能会抵消 MHz 频段无线电力传输系统的小型化优势。本研究的目的是开发一种具有多种电力传输和接收功能的无线电力传输系统，该系统对负载波动具有鲁棒性。这项研究的想法是在30年前提出的，但它揭示了直到现在还没有见到曙光的“负载无关模式”，并且可以在不依赖于负载的情况下始终实现稳定输出和软开关目的是将其应用于无线供电系统设计。今年，我们建立了一种设计理论，将负载独立模式纳入 1 输入、1 输出无线电力传输系统，该系统在电力传输部分使用 E 级逆变器，在电力接收部分使用 D 级整流器部分。在分析过程中，我们明确了必须考虑输入电流的交流分量，并充分利用傅立叶分析和滤波器理论，我们能够在无线供电系统中始终如一地实现软开关和恒定输出。通过上述电路配置，我们能够建立一种新的负载无关模式的解析表达方法。此外，我们还设计了具体的系统并通过实验验证了其运行情况。结果，我们确认了可以在高频下实现软开关和恒定输出操作，并且能够证明可以实现高效率操作和高性能。