2021 Fiscal Year Annual Research Report
Research and development for high-frequency wireless-power-transfer systems without control
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20H02142
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
関屋 大雄 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (20334203)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
魏 秀欽 千葉工業大学, 工学部, 准教授 (80632009)
小泉 裕孝 東京理科大学, 工学部電気工学科, 教授 (50334470)
末次 正 福岡大学, 工学部, 教授 (60279255)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 無線給電システム / 高周波インバータ / 負荷非依存 / 電流一定/電圧一定 / フィルタ設計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、13.56 MHzで送電する無線給電システムにおける負荷変動、位置ずれに対し、制御システムなしに一定出力と高効率を達成する「制御レス高周波無線給電システム」の研究開発に取り組む。無線給電システムの高周波化に対し、制御システムの複雑化が性能向上のボトルネックとなっている。本研究では「そもそも無線給電システムに制御機構は必要か？」を問うことにより、この問題に対する抜本的発想の転換を図ることを目的とする。
ここで、負荷が変動しても一定電圧を出力し、かつZVSを達成する動作モードを負荷非依存動作モードと呼ぶ。令和３-４年度では、この動作モードを実現するあらたな回路構成を提案し、負荷非依存達成ための条件を解析的に明らかにした。また、前年度までの研究で得た負荷非依存モードの知見を発展、応用することで、これらのインバータを用いた負荷非依存無線給電システムを開発し、実機実験でその妥当性を実証した。
これら負荷非依存無線給電システムの後段にインピーダンス変換回路を付加することにより、負荷変動および位置ずれに対してともにロバストな無線給電システムを設計・実装することに成功した。また、インバータの出力ネットワークにインピーダンス変換回路を搭載することにより、入出力電圧比を容易に変換するための回路理論を構築した。さらにバッテリー充電を視野に入れ、電流一定/電圧一定を特別な制御なしに、スイッチ一つで切り替えられる回路機構を提案した。
一方、負荷非依存インバータを数値的に設計する手法を提案した。シミュレータと最適化プログラムを統合することにより、負荷非依存モードへの理解が浅い設計者でも負荷非依存モードを搭載したインバータを容易に設計できるようになった。さらに、理論から導出される設計結果、実験結果との定量的な一致によりソフトウェアの設計精度を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では13.56 MHzの高周波無線給電システムの設計開発を行うことを目的としている。この中で、１．負荷変動、２．結合係数の変動、３．自己インダクタンスの変動がそれぞれ独立に生じた場合において、出力一定かつZVSを達成する無線給電システムを開発する。そして、それらの設計論を統合することにより、４．三つの変動が複合的に生じても対応できる制御レス高周波無線給電システムを実現することを目的としている。 制御レス高周波無線給電システムの実現に向け、２年間かけて行う予定であった１，負荷変動への対応、３．自己インダクタンスへの対応について、令和２年度での１年間で、その動作原理を理論的に押さえることができ、２年目は２についての検討を進めるいことができた。コロナ禍のため予定していた共同実験の実施が遅れる問題は発生したものの、当初の計画以上の速度で進展できている。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和４年度はこれまでここに検討してきた１－３の技術要素を統合し、負荷変動と位置ずれにロバストなWPTシステムを実現する。３種類の変動に対する設計条件を統合することで、これらの要因が複合的に生じた場合にも一定出力、ZVSを達成する「制御レス無線給電システム」を実現する。受電器をIoT機器に搭載することにより、ドローンによるIoTデバイス向け無線給電システムを開発する。バッテリー充電/ウルトラコンデンサ給電に向けた一定電流/一定電圧切り替えモードを実現するシステム構成を提案する。これを通じて制御レス無線給電システムの革新性、有効性、妥当性を実機実証する。
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