Modeling, analysis and control of wireless inductive power transfer system with constant voltage load designed for large variations in the magnetic coupling conditions

Abstract

Konseptet induktiv kraftoverføring har blitt en verdifull teknologi i mange applikasjoner, alt fra fra laveffekts transkutan ladning av biomedisinske implantater til høyeffekts trådløs lading av elektriske fremkomstmidler. I de senere år har den fremvoksende interessen for elektriske kjøretøy resultert i betydelige framskritt innen trådløs batteriladning for høyeffektsapplikasjoner.

I denne oppgaven presenteres en ulineær tilstandsrommodell av et serie-serie-kompensert induktivt kraftoverføringssystem med konstant lastspenning. Denne modellen er uttrykt med direkte-kvadratur-aksevariabler i en synkron referanseramme og er lineariserbar ved alle mulige praktiske driftspunkt, noe som muliggjør småsignalanalyse for å kunne vurdere stabilitet- og sensitivitetsegenskaper ved en rekke ulike driftsforhold. Denne småsignalanalysen har blitt utført både med tanke på drift i resonans så vel som utenfor resonans, og har avslørt hvordan dynamikken og stabilitetsegenskapene i systemet endrer seg gjennom hele det forventede driftsområdet. Fra denne analysen observeres markant tregere dynamikk i tilfellet med lav magnetisk kobling sammenlignet med høy.

Et simuleringsrammeverk for kretsen, den ulineære tilstandsrommodellen og småsignal-tilstandsrommodellen er implementert i Matlab/Simulink/Simscape, noe som legger til rette for modellverifisering ved tidssimuleringer. Det ses at de presenterte tilstandsrommodellene nøyaktig representerer amplituden og fasevinkelen av de førsteharmoniske strømmene og spenningene i det induktive kraftoverføringssystemet i flerfoldige driftspunkt. Simuleringene har også vist at bølgeformen på strømmene blir stadig mer forvrengt ettersom koblingsfaktoren øker og driftsfrekvensen beveger seg lenger fort fra resonans, noe som gjør grunnfrekvensentilnærmingen mindre nøyaktig og dermed forårsaker noen små avvik. I tillegg ses det at tilstandsrommodellene er relativt sensitive for endringer i driftsfrekvensen.

Redusert orden-modellering er blitt undersøkt og en lavere ordens modell er blitt utviklet og deretter validert ved tidssimuleringer, noe som bekrefter at den bevarer viktig systemdynamikk. Videre har småsignalanalyse blitt brukt til å utarbeide regleringssløyfer basert på tilbakekobling fra sendesiden. Deretter er frekvensresponser undersøkt for å kunne designe en enkel PI-regulator for å garantere robust lukket-sløyfe-respons over hele det forventede driftsområdet. Lukket-sløyfe-ytelsen viser at regulatorresponsen sammenfaller med resultatene oppnådd i den stasjonære analysen.

The concept of inductive power transfer (IPT) has become an essential technology in numerous applications, varying from low-power transcutaneous charging of biomedical implants to high-power wireless charging of electric vehicles (EVs). In recent years, the emerging interest for EVs has resulted in significant progress in the field of wireless battery charging for high-power application.

This work will present a nonlinear state-space representation of a series-series (SS) compensated IPT-system with constant voltage load (CVL). This model is expressed by direct-quadrature (dq)-axis variables in a synchronous reference frame (SRF) and is linearizable at any feasible steady-state operating point, allowing for small-signal analysis for assessing stability and sensitivity properties in a variety of operating conditions. The small-signal investigation has been performed considering resonant as well as off-resonant operation, thus revealing how the system dynamics and stability properties change during the whole expected range of varying operating conditions. From this analysis, markedly slower dynamics is observed in the case with low magnetic coupling compared to high.

A simulation framework for the IPT-circuit, the nonlinear state-space model and the small-signal state-space model has been developed in the Matlab/Simulink/Simscape environment, enabling for model verification by time-domain simulation. It is seen that the presented state-space models accurately represent the amplitudes and phase angles of the first harmonic voltages and currents of the IPT-system in numerous operating conditions. The simulations have also shown that the current waveforms get increasingly distorted as the coupling factor and off-resonant conditions increases, making the fundamental frequency approximation less accurate and thus causing some slight deviation. In addition, it is seen that the state-space models are relatively sensitive to changes in the operating frequency.

Reduced-order modeling is investigated and a lower-order model is developed and validated by time-domain simulations, which confirms that the obtained model preserves important dynamics of the system. Furthermore, small-signal analysis has been utilized to develop control loops based solely on sending side power feedback. Subsequently, frequency responses are examined to support the design of a simple PI-controller ensuring robust closed-loop response over the whole expected operating range. The resulting closed-loop performance shows that the controller response coincides with the results obtained in the steady-state analysis.