MPPT-алгоритм управления частотными характеристиками как инструмент повышения энергоэффективности процесса бесконтактной магнитно-резонансной зарядки электротранспорта

Постановка проблемы и частной задачи: Одной из перспективных технологий зарядки электротранспорта на сегодня признана бесконтактная магнитно-резонансная зарядка. Однако при внедрении бесконтактных зарядных устройств (БЗУ) возникают и должны быть решены две основные проблемы: обеспечение совместимости устройств различных разработчиков и производителей (в виду того, что БЗУ состоит из двух составных частей – стационарного «транслятора», располагаемого на зарядной площадке, и бортового «приемника») и обеспечение энергоэффективности. Исходя из физического принципа, который заложен в основу БЗУ, максимальный уровень транслируемой мощности может быть достигнут тогда, когда система в целом будет находиться в состоянии глобального резонанса. Целью исследований являлась разработка алгоритма управления частотными характеристиками БЗУ, позволяющего при сопряжении «транслятора» с бортовым «приемником» (в том числе отличающихся по типу и классу) автоматически определять значение глобальной резонансной частоты для фактического сопряжения, соответствующее максимальной мощности, которая может передаваться на бортовую нагрузку при зарядке транспортного средства. Используемые методы и технологии: для решения поставленной задачи при создании алгоритма использован метод «отслеживания точки максимальной мощности» (maximum power point tracking – MPPT); исследования по выявлению характера зависимостей выходной мощности, выходного напряжения и входного тока от частоты, а также проверки работоспособности алгоритма проводились на основе метода эквивалентного электрического моделирования физических процессов с построением моделей процессов, протекающих во время функционирования БЗУ, в виде эквивалентных электрических схем с использованием программного комплекса MATLAB/Simulink. Для формирования численных исходных данных для решения основной задачи применен метод предварительного расчетного конечно-элементного моделирования электромагнитных процессов и вариантов топологий резонансной компенсации с использованием программного комплекса COMSOL. Новизна результата: основной новизной результата исследований является MPPT-алгоритм управления частотными характеристиками БЗУ, созданный на базе эквивалентной электрической модели системы с замкнутым контуром и обратной связью, позволяющий при сопряжении «транслятора» с «приемником» автоматически определять значение глобальной резонансной частоты, соответствующее максимальной выходной мощности. Практическая значимость: разработанный MPPT-алгоритм может быть использован разработчиками БЗУ в качестве составной части алгоритма контроллера управления процессом зарядки как инструмент повышения энергоэффективности и обеспечения совместимости «трансляторов» и «приемников» различных производителей.
Problem statement and specific task: Contactless magnetic resonance charging is currently recognized as one of the promising technologies for charging electric vehicles. However, when introducing contactless chargers, two main problems arise and must be solved: ensuring the compatibility of devices of various developers and manufacturers (since the сontactless magnetic resonance charging consists of two components – a stationary «translator» and an on-board «receiver») and ensuring energy efficiency. Based on the physical principle that is the basis of the contactless chargers, the maximum level of transmitted power can be achieved when the system as a whole is in a state of global resonance. The aim of the research was to develop an algorithm for controlling the frequency characteristics of the contactless chargers, which allows for pairing a "translator" with an on-board "receiver" (including those that differ in type and class) automatically determine the value of the global resonant frequency for the actual pairing, corresponding to the maximum power that can be transmitted to the onboard load when charging the vehicle. Methods and technologies used: to solve the problem, when creating the algorithm, the method of "maximum power point tracking" (MPPT) is used; studies to identify the nature of the dependencies of the output power, output voltage and input current on frequency, as well as checking the efficiency of the algorithm were carried out on the basis of the method of equivalent electrical modeling of physical processes with the construction of models of processes occurring during the operation of the contactless chargers in the form of equivalent electrical circuits using the MATLAB/Simulink software package. To generate numerical initial data for solving the main problem, the method of preliminary computational finite element modeling of electromagnetic processes and variants of resonant compensation topologies using the COMSOL software package is applied. Novelty of the result: the main novelty of the research result is the MPPT-algorithm for controlling the frequency characteristics of the contactless chargers, created on the basis of an equivalent electrical model of a system with a closed loop and feedback, which allows automatically determining the value of the global resonant frequency corresponding to the maximum output power when the "translator" is paired with the "receiver". Practical significance: the developed MPPT-algorithm can be used by the developers of the contactless chargers as an integral part of the algorithm of the charge process control controller as a tool for improving energy efficiency and ensuring compatibility of "translators" and "receivers" of various manufacturers.