2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of load-independent single-input multiple-output wireless power transfer system with high frequency
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21K04029
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| Research Institution | Chiba Institute of Technology |
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Principal Investigator |
魏 秀欽 千葉工業大学, 工学部, 准教授 (80632009)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ワイヤレス給電システム / 負荷変動 / 位置ずれ / 負荷非依存モード / 高電力伝送効率 / 定格出力 / 簡素化 / 小型化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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、さらに送受電コイルの位置ずれ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、位置ずれの情報を検知し、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。しかしながら、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、その送信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、計算処理の困難度と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、負荷変動と位置ずれ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見なかった、負荷変動に依存せず、安定した出力電圧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。まず、ワイヤレス給電システムに負荷非依存モードを適用するための設計理論を確立し、同モードを使いこなせるようにする。さらに、報告者がこれまでの研究で明らかにしてきた理論を組み込むことで、負荷変動、位置ずれによらない高電力伝送効率・定格出力を常に達成できるワイヤレス給電システムを設計し、実機実験によりその妥当性および実用性を明らかにする。本研究のアイディアにより、システム設計が大幅に簡素化されることとなり、新たな実応用の創生、社会実装への展開が期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和3年度では、報告者が確立した負荷非依存モードを適用したE級インバータの定常解析技術を発展させ、ワイヤレス給電システムにおいて負荷非依存モードを搭載するための設計理論を確立することが主要課題であった。
まず、個々のサブシステムに着目し、それぞれの解析モデルの構築を行った。送電部の電力変換回路として、E級、EF級、Φ級インバータを、受電部の電力変換回路として、D級、E級、EF級、Φ級整流器について、負荷非依存モードを適用した際の回路動作解析を進めた。構築した数理モデルの妥当性は、実験および回路シミュレータの両面から確認した。また、上記の電力変換回路を適用したワイヤレス給電システムに対し、送電部、結合部、および受電部を一つのシステムとして解析モデルを構築した。高周波磁性素子では、表皮効果、近接効果に伴う交流損とコア損が顕著になり、これを理論的に示す必要がある。そこで、結合部をマグネティックス分野の視点から、弱結合周波数トランスでモデル化することを提案した。自己インダクタンス、等価直列抵抗、そして結合係数を物理法則から理論的に構築した。また、結合部をトランスでモデル化することにより、送電部、結合部、受電部を集中定数回路モデルで表すことができた。パワーエレクトロニクス分野のノウハウを用いて、システム全体の解析モデルを構築した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和４年度以降は、令和３年度で構築した解析モデルを駆使しながら、負荷が変動しても、高電力伝送効率や安定的な出力を達成するワイヤレス給電システムの設計理論を構築する。また、一送電一受電、および一送電多受電ワイヤレスシステム構成において、具体的なシステムを設計し、実装する。設計には、独自の数値最適設計手法を用いることにより、電力伝送効率を最大化させる。また、インピーダンス変換器の適用により、これまでのような受電回路の設置位置の拘束条件から解放されることを明らかにする。また、受電回路の協調動作を物理モデルで説明し、その安定性を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
本年度では、回路素子などの実験消耗品が再利用できたため、次年度使用額が生じた。
次年度以降は、一送電多受電ワイヤレス給電システムの設計と開発が主な研究課題となる。一送電多受電ワイヤレス給電システムの実機実験において、現有のオシロスコープのチャンネル数は４つに限られているため、もう１台のオシロスコープを併用しなければならない。そのため、トリガー・ポイントを揃えなければならないだけでなく、２つのディスプレイに渡ってのタイミング相関や、データの文章化において、大きな困難が付きまとう。従って、令和４年度に令和３年度からの繰り越しと令和４年度の予算で８チャンネルのオシロスコープを購入する予定である。
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| Remarks |
https://www.lib.it-chiba.ac.jp/cithp/KgApp?resId=S000409
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Research Products
(11 results)
