Development of integrated wire-less with wired high power rapid charger

• Project/Area Number: 18H03775
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Nagaoka University of Technology
• Principal Investigator: 伊東 淳一 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (90377218)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥43,680,000 (Direct Cost: ¥33,600,000、Indirect Cost: ¥10,080,000); Fiscal Year 2021: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000); Fiscal Year 2020: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2019: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000); Fiscal Year 2018: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
• Keywords: 急速充電 / ワイヤレス充電 / MMCC / セル方式 / ワイヤセス給電 / 急速充電器 / マルチセル方式 / DABコンバータ / 漏えい磁界 / ワイヤレス給電

Outline of Annual Research Achievements

有線方式と無線方式の共通化を目指して下記の開発を行なった。
１）有線方式：昨年度原理的に実証された三相マルチセルのミニモデルでの実験結果を基に，最終目的である50kWセル方式電力変換システムの設計，試作を行なった。大容量化にあたり，各セル間で循環するコモンモード電流が問題になることが予想される。今年度はマルチセルにおけるノイズ経路の解明および効果的なフィルタ構成および設計法を確立した。また，この際，各セル間での無線通信を拡張し，Buletoothなどの一般無線通信手段をパワーエレクトロニクスシステムに適用するための技術開発を行った。無線通信手段の通信遅延時間のばらつきについて一次評価を行った。加えて，昨年度検討したモジュラーマルチレベルカスケードコンバータを応用したセル方式の充電システムにおいて，各セルの電力にアンバランスが生じていても，系統電流を正弦波に制御できる制御方式について，ミニモデルを用いた実験により書も脳の性能を得た。特に重畳する電圧とアンバランスの許容率の関係を明確化し，実験により解析結果が正しいことを立証した。
２）無線方式：インバータ回路から発生するノイズが電源系統に影響を与えないように，大容量高周波インバータの放射ノイズ低減技術を開発した。具体的には，PCBのパターンの電磁界解析と熱解析を実施し，パターンの最適設計法を確立し，6.78MHzで2kW出力を得ることに成功した。また，原理的に漏えい磁界が発生しないことを目指して，ダイオードクランプ型リニアアンプ（DCLA）回路をインバータに適用したシステムを考案し，ミニモデルにより評価を行い，漏えい磁界が発生しないことを確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

有線式，無線式共に当初予定したとおりの進捗であり，実験検証も順調に進められている。

Strategy for Future Research Activity

有線方式と無線方式の共通化を目指して最終年度は下記の開発を行い，研究としてまとめる。
１）有線方式：50kWの9セルからなる充電システムに向けたWPTシステムを設計し，統合を図る。特にWPTが発生する漏えい磁界やマルチセル方式でのノイズについて定量的な評価を行い，所望の規格を満足することを確認する。加えてモジュラーマルチレベルカスケードコンバータを応用したセル方式の充電システムにおいても同様にWPTシステムと統合整形を行い，無線方式との融合を図る。
２）無線方式：昨年度ミニモデル評価で非常に良い結果が得られたDCLA方式の大容量化を行う。大容量化するに当たり，レベル数を3から16に拡張し，デバイスの冷却システムを最適化する。さらに，有線方式と統合出来るようにDCLA方式の入力側の回路について見直しを行い，有線方式と無線方式を統合する。

Research Products

• [Journal Article] Current Reduction Method for Dual Active Bridge Converter in Non-linear Dead-time Compensation Method (2020)
  • Author(s): 河内 謙吾, 比嘉 隼, 渡辺 大貴, 日下 佳祐, 伊東 淳一
  • Journal Title: IEEJ Trans. IA Volume: 140 Issue: 3 Pages: 175-183
  • DOI: 10.1541/ieejias.140.175
  • NAID: 130007804459
  • ISSN: 0913-6339, 1348-8163
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Switching Loss Reduction Method for Isolated DC to Three-Phase-AC Converter with an Indirect Matrix Converter (2020)
  • Author(s): 宅間 春介, 大島 涼, 日下 佳祐, 伊東 淳一
  • Journal Title: IEEJ Trans. IA Volume: 140 Issue: 3 Pages: 130-139
  • DOI: 10.1541/ieejias.140.130
  • NAID: 130007804444
  • ISSN: 0913-6339, 1348-8163
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Control Method for Isolated AC-DC Matrix Converter by Elimination of DC Ripple Component (2020)
  • Author(s): 宅間 春介, 日下 佳祐, 伊東 淳一
  • Journal Title: IEEJ Trans. IA Volume: 140 Issue: 8 Pages: 623-624
  • DOI: 10.1541/ieejias.140.623
  • NAID: 130007883864
  • ISSN: 0913-6339, 1348-8163
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Modeling of Coils for Wireless Power Transfer Systems with Reluctance Network Analysis (2020)
  • Author(s): 古川 啓太, 日下 佳祐, 伊東 淳一
  • Journal Title: IEEJ Trans. IA Volume: 140 Issue: 10 Pages: 791-792
  • DOI: 10.1541/ieejias.140.791
  • NAID: 130007920868
  • ISSN: 0913-6339, 1348-8163
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of T-type Dual Active Bridge DC-DC Converter with Switching Operation Mode Over Wide-Voltage-Operation Range (2019)
  • Author(s): H. Higa, S. Takuma, K. Kusaka, J. Itoh
  • Journal Title: IEEJ Trans. IA Volume: Vol.139,No. 4 Issue: 4 Pages: 388-400
  • DOI: 10.1541/ieejias.139.388
  • NAID: 130007622127
  • ISSN: 0913-6339, 1348-8163
  • Year and Date: 2019-04-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improvement of Equivalent Magnetic Coupling Coefficient of Wireless Power Transfer System with Multi-winding Transmission Coil (2019)
  • Author(s): 古川 啓太,日下 佳祐,伊東 淳一
  • Journal Title: IEEJ Trans. IA Volume: 139 Issue: 7 Pages: 2019-2019
  • DOI: 10.1541/ieejias.139.612
  • NAID: 130007672127
  • ISSN: 0913-6339, 1348-8163
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of Three-Phase Wireless Power Transfer System with Reduced Radiation Noise (2019)
  • Author(s): Keisuke Kusaka,Keita Furukawa,Jun-ichi Itoh
  • Journal Title: IEEJ Journal IA Volume: 8 Issue: 4 Pages: 600-607
  • DOI: 10.1541/ieejjia.8.600
  • NAID: 130007673088
  • ISSN: 2187-1094, 2187-1108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of Solid-state Transformer for 6.6-kV Single-phase Grid with Automatically Balanced Capacitor Voltage (2019)
  • Author(s): Jun-ichi Itoh,Kazuki Aoyagi,Keisuke Kusaka,Masakazu Adachi
  • Journal Title: IEEJ Journal IA Volume: 8 Issue: 5 Pages: 792-802
  • DOI: 10.1541/ieejjia.8.795
  • NAID: 130007700495
  • ISSN: 2187-1094, 2187-1108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparative Verification of Radiation Noise Reduction Effect Using Spread Spectrum for Inductive Power Transfer System (2019)
  • Author(s): Keisuke Kusaka, Kent Inoue, Jun-ichi Itoh
  • Journal Title: World Electric Vehicle Journal Volume: 10 Pages: 1-12
  • DOI: 10.3390/wevj10020040
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] General Analytical Model of Inductance Variation by EMF-canceling Coil for Inductive Power Transfer System (2019)
  • Author(s): Keita Furukawa,Keisuke Kusaka,Jun-ichi Itoh
  • Journal Title: IEEJ Journal IA Volume: 8 Issue: 4 Pages: 660-668
  • DOI: 10.1541/ieejjia.8.660
  • NAID: 130007673086
  • ISSN: 2187-1094, 2187-1108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Suppression Method of DC-offset in Transformer Current for Flying Capacitor Dual Active Bridge Converter at Changing Operation Mode (2019)
  • Author(s): H. Higa, J. Itoh
  • Journal Title: IEEJ Trans. IA Volume: Vol. 139, No. 3 Issue: 3 Pages: 360-361
  • DOI: 10.1541/ieejias.139.360
  • NAID: 130007606816
  • ISSN: 0913-6339, 1348-8163
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental Verification for Dual Active Bridge Converter by Switching Equivalent-Magnetizing-Current Method (2019)
  • Author(s): H. Higa, J. Itoh
  • Journal Title: IEEJ Trans. IA Volume: Vol. 139, No. 1 Issue: 1 Pages: 40-50
  • DOI: 10.1541/ieejias.139.40
  • NAID: 130007542292
  • ISSN: 0913-6339, 1348-8163
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dead-time Compensation Method for Dual Active Bridge Converter with Three-level Operation (2018)
  • Author(s): K. Kawauchi, H. Higa, K. Kusaka, J. Itoh
  • Journal Title: IEEJ Trans. IA Volume: Vol. 138, No. 12 Issue: 12 Pages: 944-945
  • DOI: 10.1541/ieejias.138.944
  • NAID: 130007539578
  • ISSN: 0913-6339, 1348-8163
  • Peer Reviewed
• [Presentation] モジュラーマルチレベルマルチポートコンバータにおけるセル間の直流電圧平衡法 (2020)
  • Author(s): 安田匠, 宅間春介, 伊東淳一
  • Organizer: 電気学会 半導体電力変換研究会
• [Presentation] Input Current Balancing Control Method under Imbalanced Load for Three-phase Multi-port Converter based on Modular Multilevel Converter (2020)
  • Author(s): T. Yasuda, T. Kumagai, M. Miyashita, K. Kusaka, J. Itoh
  • Organizer: IPEMC2020-ECCE Asia
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hybrid Multiple Chopper Cells of PWM and Square-wave Operation for Solid-state Transformer (2020)
  • Author(s): N.Kikuchi, K.Kusaka, J.Itoh, H.N.Le
  • Organizer: EPE2020-ECCE Europe
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 異なる動作周波数を併用したマルチセルSolid-State Transformer の制御法 (2020)
  • Author(s): 菊地尚斗, 日下佳祐, 伊東淳一, レ・ホアイ・ナム
  • Organizer: 電気学会 半導体電力変換研究会
• [Presentation] Downsizing of Three-Phase Wireless Power Transfer System with 12 coils by Reducing Magnetic Interference (2020)
  • Author(s): R. Kusui, K. Kusaka, J. Itoh, S. Obayashi, T. Shijo, M. Ishida
  • Organizer: IEEE 29th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three-phase AC-DC Converter for EV Rapid Charging with Wireless Communication for Decentralized Controller (2019)
  • Author(s): K. Ohata, M. Adachi, K. Kusaka, J. Itoh
  • Organizer: International Conference on Power Electronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電気自動車向けワイヤレス給電コイルのパーミアンス法を用いた設計と評価 (2019)
  • Author(s): 古川啓太, 日下佳祐, 伊東淳一
  • Organizer: 自動車技術会2019年春季大会学術講演会
• [Presentation] マトリックスコンバータを用いた三相ワイヤレス給電システム (2019)
  • Author(s): 山ノ口皓喜, 宅間春介, 日下佳祐, 伊東淳一
  • Organizer: 電気学会産業応用部門大会
• [Presentation] Three-Phase Wireless Power Supply System Using Matrix Converter (2019)
  • Author(s): J. Itoh, K. Yamanokuchi, S. Takuma, K. Kusaka
  • Organizer: European Power Electronics Conference 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三相12コイル非接触給電システムのコイル配置角度変更による小型化の検討 (2019)
  • Author(s): 楠居琳太郎, 古川啓太, 日下佳祐, 伊東淳一
  • Organizer: 電気関係学会北陸支部連合大会
• [Presentation] 大容量ワイヤレス電力伝送システムの負荷変動を考慮した冷却器構造の設計法 (2019)
  • Author(s): 溝口洸輔, 日下佳祐, 伊東淳一
  • Organizer: 電気学会半導体電力変換/モータドライブ合同研究会
• [Presentation] Computational Model of Coils for Wireless Power Transfer with Reluctance Network Analysis (2019)
  • Author(s): K. Furukawa, K. Kusaka, J. Itoh
  • Organizer: 20th International Symposium POWER ELECTRONICS Ee2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PWM駆動と方形波駆動を併用したマルチセルSoild-State Transformerの制御法 (2019)
  • Author(s): N.Kikuchi, H. N. Le, M. Miyashita, K. Kusaka, J. Itoh
  • Organizer: 電気学会東京支部新潟支所研究発表会
• [Presentation] Switching Device Number Reduction for Three-Phase Cascade-Modular Solid-State Transformer System with Employment of Three-Phase T-Type Converter (2019)
  • Author(s): H. N. Le, S. Nagai, K..Kusaka, J..Itoh
  • Organizer: Energy Conversion Congress Exposition 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A 22 kW-85 kHz Three-phase Wireless Power Transfer System with 12 coils (2019)
  • Author(s): K. Kusaka, R. Kusui, J. Itoh, D. Sato, S. Obayashi, M. Ishida
  • Organizer: Energy Conversion Congress Exposition 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電流不連続モードで駆動する絶縁型AC-DCマトリックスコンバータの電流ひずみ改善法 (2019)
  • Author(s): S. Takuma, H. Watanabe, J. Itoh
  • Organizer: 令和2年 電気学会 全国大会
• [Presentation] 22kW三相12コイル非接触給電システムの漏えい電磁界評価 (2019)
  • Author(s): 日下佳祐, 楠居琳太郎, 伊東淳一, 司城徹, 尾林秀一, 石田正明
  • Organizer: 令和2年 電気学会 全国大会
• [Presentation] チョッパセルを用いた単相 Solid-state Transformer の 高パワー密度化に向けた単相電力脈動補償法 (2019)
  • Author(s): 菊地尚斗, 古川啓太, 宮下充, 日下佳祐, 伊東淳一
  • Organizer: 電気学会半導体電力変換研究会
• [Presentation] General Analytical Model for Inductive Power Transfer System with EMF Canceling Coils (2018)
  • Author(s): K. Furukawa, K. Kusaka, J. Itoh
  • Organizer: The 2018 International Power Electronics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three-phase Inductive Power Transfer System with 12 coils for Radiation Noise Reduction (2018)
  • Author(s): K. Kusaka, J. Itoh
  • Organizer: The 2018 International Power Electronics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single-phase Solid-State Transformer using Multi-call with Automatic Capacitor Voltage Balance Capability (2018)
  • Author(s): J. Itoh, K. Aoyagi, K. Kusaka, M. Adachi
  • Organizer: The 2018 International Power Electronics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dead-time Compensation with DC Offset Current Elimination Method using Three-level Operation for Dual Active Bridge DC-DC Converter (2018)
  • Author(s): J. Itoh, K. Kawauchi, H. Higa
  • Organizer: Energy Conversion Congress Exposition 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Radiative Noise Reduction Technique using 12 Coils Suitable for High-power Inductive Power Transfer (2018)
  • Author(s): K. Kusaka, K. Furukawa, J. Itoh
  • Organizer: Energy Conversion Congress Exposition 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comparative Verification of Radiation Noise Reduction Effect using Spread Spectrum for Inductive Power Transfer System (2018)
  • Author(s): K. Kusaka, K. Inoue, J. Itoh
  • Organizer: EVS 31 & EVTeC 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reduction of Transmission Power Error and Current for Dual Active Bridge DC-DC Converter in Energy Storage Systems (2018)
  • Author(s): J. Itoh, K. Kawauchi, H. Watanabe, K. Kusaka
  • Organizer: 7th International Conference on Renewable Energy Research and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-linear Dead-time Error Compensation Method of Dual Active Bridge DC-DC Converter for Variable DC-bus Voltage (2018)
  • Author(s): J. Itoh, K. Kawauchi, H. Watanabe
  • Organizer: 6th International Conference On Smart Grid
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control Method of Flying Capacitor Converter Operated in Discontinuous Current Mode for High Voltage Photovoltaic Cell (2018)
  • Author(s): J. Itoh, R. Ishibashi, K. Kusaka
  • Organizer: 6th International Conference On Smart Grid
  • Int'l Joint Research