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 2020)
• 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：前年度試作したマルチセル方式の電力変換器を使って，三相入力を実現する。また，各セル間の通信に無線通信方式を導入し，より簡便なシステムを構築した。そのためには，不確かな制御遅れを許容するロバストな制御方式を提案した。これらの方式について，シミュレーションを行い，動作検証を行なった。その後，実機の製作，立ち上げを行い，効率や入力電流，波形ひずみなどの一次評価を行った。また，絶縁部は無線方式との統合を考慮し，等価回路が同一になるように高周波トランスを最適設計法について検討を行った。
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を検討した。1つ1つのセルで１台のクルマに充電できることから，1台の変換器で多数のクルマに充電器できる。今年は，各セルの電力にアンバランスが生じていても，系という電流を正弦波に制御できる制御方式について開発を行った。提案法をミニモデルで検証し，所望の動作を確認した。
２）無線方式：前年度解析した漏えい磁界の低減が可能な三相コイルを試作し,22kW 相当の試験を実施し，コイルの損失や温度上昇を評価した。また，DABコンバータを組み合わせて7kWクラスの急速充電システムを構築し，システム効率や漏えい磁界の低減効果を検証した。加えて，マトリックスコンバータを応用した3相大容量向けワイヤレス充電器を提案し，ミニモデルにより実験検証を行った。

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

優先方式と無線方式の共通化を目指して下記の開発を行う。
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，試作を行う。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。今年度は中圧（6.6kV)の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する。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う。
２）無線方式：昨年度の成果によりコイルから発生する遠方磁界を当初の狙い通り，CISPR規格に準拠できるように抑制できる見込みが立ったので，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する。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する。

Research Products

• [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
• [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] 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