平成26年度半導体電力変換/モータドライブ合同研究会, SPC

SPC-15-014, MD-15-014
ワイヤレスインホイールモータの送電電圧および負荷電圧制御による
電力伝送効率最大化に関する基礎検討
山本 岳∗ ,居村 岳広,藤本 博志(東京大学)
Basic Study on Maximizing Power Transfer Efficiency of Wireless In-wheel Motor by Primary and Load-Side
Voltage Control
Gaku Yamamoto∗ , Takehiro Imura, Hiroshi Fujimoto (The University of Tokyo)
Abstract
Some methods which maximize power transfer efficiency by power converter control are proposed on the past WPT
research. In these research, a DC-DC converter is inserted in a receiver side to vary load state. However, space of
receiver side is so small for the Wireless In-Wheel Motor (W-IWM) that it is required to make the secondary circuit
small. Therefore, full bridge converter is used instead of DC-DC converter in W-IWM. In this paper, the authors
propose theoretical formula of power transfer efficiency of the W-IWM. From analysis of the formula, it is indicated
that there is a combination of primary voltage and load voltage which maximize power transfer efficiency. The
feasibility is validated in experiment by a motor bench set.
キーワード:非接触電力伝送,磁界共振結合,インホイールモータ,電気自動車,伝送効率
(wireless power transfer, magnetic resonance coupling, in-wheel motor, electric vehicle, power transfer efficiency )
1.
はじめに
現在,地球環境への配慮から,電気自動車が注目を浴び
ている。電気自動車はモータを駆動力にすることにより内
燃機関自動車と比べて二桁早いトルク応答を持つ (1) 。また,
モータはエンジンに比べ分散配置が容易であるため,モー
タをホイール内に配置するインホイールモータを実現でき
る。インホイールモータは,各輪を独立に制御できること
や室内スペースを広く確保できることなど多くの利点を持
つ (2) 。しかしながら,インホイールモータはサスペンショ
ン可動部に配置され,モータの動力線とレゾルバなどの信
号線が繰り返し屈曲によって断線する恐れがあり,高い耐
久性が求められる。この問題に対して,従来は配線の耐久
性を高める構造が検討されてきた (3) 。しかし,有線での対
策である以上,いずれも抜本的な解決には至っていない。
そこで,この課題に対する抜本的な解決策として,著者
らはインホイールモータとワイヤレスで電力をやり取りす
る機構を提案し,開発した (4)∼(6) 。この機構をワイヤレス
インホイールモータ (Wireless In-Wheel Motor: W-IWM)
と定義し,ワイヤレス電力伝送を行うためのコイルと,制
御情報をやりとりするための無線通信機器を車体とホイー
ルに設置する。これらにより,車体とインホイールモータ
間の完全なワイヤレス化を達成する。また,将来電気自動
車への走行中給電が可能になった場合,地面に埋めたコイ
ルからモータへの給電も可能になる。実際の車体ではサス
ペンションの動きにより送受電コイルの相対位置が変化す
る。そこで本研究ではコイルの位置ずれに強い磁界共振結
合方式を採用する (7) (8) 。
ワイヤレス電力伝送において,電力伝送効率は負荷の状
Car chassis
Motor
Wheel
Car chassis
communication Coil
Motor
Wheel
Power cables
Power
Signal cables
Battery
Power converter
Power Source
Ground
Ground
Ground
Conventional IWM
Coil
Wireless IWM
(W-IWM)
図 1 W-IWM の概念図
Fig. 1. W-IWM image
Primary circuit
Primary coil
Secondary coil
(a) FPEV4-Sawyer
W-IWM
(b) First trial unit
図 2 実験車両と一次試作ユニット
Fig. 2. Experimental EV and first trial unit
態によって変化することが知られている。先行研究におい
て受電側回路に DC-DC コンバータを挿入し,これを制御
し負荷の状態を最適にすることで電力伝送効率を最大化す
る手法が提案されている (9) (10) 。しかしながら,W-IWM の
受電側回路はホイール内の狭い空間に位置するため,回路
をより小さくすることが好ましい。従って W-IWM では受
電側で DC-DC コンバータを使用せず,フルブリッジコン
1/6
Required
power
Ͳ
FF
Duty ratio
VLΎ
Power
н
PL
΃
Lm
Vbatt
Buck-boost
converter
Primary
inverter
Fig. 3.
Table 1.
R1
R2
L1
L2
C1
C2
V10
E
PMSM
M
VL
Secondary
converter
Resonator
Three phase
PWM inverter
図 3 回路構成
Circuit configuration
表 1 車両性能の目標値と一次目標
Final target and first target of car performance
Final target
First target
Number of in-wheel motor
4
2
Maximum output power [kW]
48
6.6
Maximum wheel torque [Nm]
1300
475
Three phase
PWM inverter
PMSM
R2
L2
M
VL
C2
(a) Short mode
バータを用いて負荷の状態を制御する。
本稿では W-IWM の回路構成における電力伝送効率の理
論式を示し,これを用いた解析から任意のモータ出力にお
いて伝送効率を最大化する送電電圧と負荷電圧の組み合わ
せが存在することを示す。また,モータベンチ試験装置を
用いた実験から理論式の妥当性を検証したので報告する。
2.
W-IWM の概要
〈2・1〉 想定車両性能
W-IWM では図 1 に示すよう
にインホイールモータの動力線及び信号線をワイヤレス化
する。この機構を採用することによりインホイールモータ
の断線を防ぐだけでなく,地上のコイルからインホイール
モータへ直接電力を供給することも可能になる。W-IWM
を採用する車体として,図 2(a) に示す当研究室で開発した
電気自動車の FPEV4-Sawyer を想定する (11) 。当車両は前
後輪がそれぞれ交換可能なサブユニットとなっており,様々
な駆動ユニットを同一のプラットフォーム上で実験・比較
できる。一次試作でのサブユニットを図 2(b) に示す。表 1
に示すように,W-IWM の性能としては四輪で 48 kW の出
力を目標とするが,まずは後輪二輪で 6.6 kW の出力, すな
わち一輪当たり 3.3 kW の出力を目標とし,制御の検討や
大電力伝送,コイル設計の技術確立をする。なお,インホ
イールモータと車体の間のスペースを考え,送受電コイル
間のギャップは 100 mm とする。
〈2・2〉 回路構成
回路構成を図 3 に示す。ワイヤレ
ス電力伝送の特性上,一次側インバータの入力電圧は負荷
であるインホイールモータの出力や,サスペンションの動
きによる送受電コイルの相対位置のずれによって送さする
必要がある。また,バッテリの出力電圧は充電状況によっ
て変化する。これらの点を考慮し,一次側インバータの入
Three phase
PWM inverter
PMSM
R2
L2
VL
M
C2
(b) Rectification mode
Fig. 4.
図 4 二次側回路の動作パターン
Operation pattern of the secondary circuit
力側には昇降圧チョッパを搭載し,これを制御することで
バッテリーから供給された電圧を調整する。一次側インバー
タではチョッパ出力の直流電力をワイヤレス電力伝送に用
いる交流に変換する。なお本稿では一次側インバータを方
形波インバータとして使用するが,PWM インバータとし
て使用することも可能である。交流に変換された電力は磁
界共振結合によりワイヤレスで伝送され,二次側コンバー
タで整流され,モータ駆動用の電圧型三相インバータを経
てモータを駆動させる。なお一次側とは車体側を指し,二
次側とはインホイールモータ側を指す。図 3 に示す回路は
二次側コンバータをインバータとして利用し,一次側イン
バータをコンバータとして利用した場合に二次側から一次
側に電力を供給することができるため,回生が可能である。
〈2・3〉 磁界共振結合方式のワイヤレス電力伝送
WIWM で採用する磁界共振結合方式のワイヤレス電力伝送
においては,一次側と二次側の送受電に用いる LC 回路の
共振周波数を一致させる。すなわち一次側インバータの動
作角周波数を ω0 として,
ω0 = √
1
1
= √
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·(1)
L1 C1
L2 C2
2/6
VL
Ia
Vup
ǻV
VL*
ǻV
Vlow
Fig. 5.
tr
(Short)
(Rectification)
RL
(a) Short mode
t
ts
C
VL
VL
C
RL
(b) Rectification mode
図 6 二次側の等価回路
Fig. 6. A equivalent secondary circuit
図 5 負荷電圧の波形
Waveform of load voltage
表 2 製作した共振器の各パラメータ
Table 2. Parameters of Resonator
Parameter
Primary
Secondary
Coil resistance R1,2
Coil inductance L1,2
Capacitance C1,2
Size
0.411 Ω
260 µH
13.5 nF
218 x 350 mm
0.382 Ω
223 µH
15.7 nF
218 x 300 mm
Mutual inductance Lm
48.6 µH (gap: 100 mm)
Operating frequency
83.3 kHz
となるようにコンデンサを挿入する。L1 ,L2 は一次側及び
二次側コイルのインダクタンス,C1 ,C2 は共振コンデンサ
である。本稿においてはこのコイルとコンデンサをまとめ
て共振器 (Resonator) と呼ぶ。一次試作における W-IWM
の共振器の各パラメータを表 2 に示す。
3. W-IWM の回路動作
〈3・1〉 ヒステリシスコンパレータによる受電側電圧制
御
W-IWM のように二次側に接続される負荷が定電力
負荷である場合,負荷電圧の挙動が不安定となることが解
析的に求められている (12) 。そこでフィードバック制御を用
いて負荷電圧 VL を安定化する必要がある。二次側コンバー
タを用いて VL を一定に保つ制御手法としてヒステリシス
コンパレータによる手法と (6) , PWM による手法 (5) が提案
されている。本稿では前者の制御手法を採用する。
ヒステリシスコンパレータによる負荷電圧制御を行う場
合,二次側コンバータの上アームのスイッチは常に OFF し,
下アームのスイッチング素子を ON/OFF する。ヒステリ
シスコンパレータの下側閾値電圧 Vlow および上側閾値電圧
Vup を次式で定義する。
Vlow = VL ∗ − ∆V · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (2)
Vup = VL ∗ + ∆V · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (3)
VL ∗ は負荷電圧指令値,∆V はヒステリシス幅である。
図 5 に負荷電圧 VL の概形を示す。VL が Vup に達した時
点で下アームのスイッチング素子を ON する。この時二次
側回路は図 4(a) の状態となり,モータへの電力伝送が遮断
され負荷電圧 VL は低下する。VL が Vlow まで低下した時
点で下アームのスイッチング素子を OFF する。この時二
次側回路は図 4(b) の状態となり,モータに電力が伝送され
るため,伝送電力が負荷電力を上回っていれば負荷電圧 VL
は上昇する。
以 上 の 二 次 側 コ ン バ ー タ の 下 ア ー ム の ス イッチ の
ON/OFF の繰り返しにより,図 5 のように負荷電圧 VL
を負荷電圧指令値 VL∗ のまわりで一定に制御する。
〈3・2〉 送電側電圧制御
二次側の DC リンク電圧が
一定に制御される場合,モータ出力に応じて DC リンク電
流が変化するため,二次側インバータ以降を可変抵抗負荷
とみなせる。ワイヤレス電力伝送において一次側に定電圧
源を接続した場合,二次側に接続される負荷抵抗値に応じ
て二次側に伝送される電力が変化することが知られている。
従って一次側ではモータトルク指令値とモータ回転数から
二次側で必要な電力を算出し,一次側の昇降圧チョッパの
出力電圧をフィードフォワード制御する。
なお,一次側出力電圧のフィードフォワード制御手法と
して一次側インバータのデューティを制御する手法も可能
であるが本稿では昇降圧チョッパを用いた手法のみを扱う。
4. 電力伝送効率
〈4・1〉 二次側コンバータ動作による伝送電力の変化
二次側コンバータの動作モードが図 4(a),(b) となる場合
の一次側電流の実効値をそれぞれ I1s , I1r と定義する。I1s ,
I1r は式 (4),(5) で表せる (13) 。
I1s ≃
R2 V10
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (4)
R1 R2 + (ω0 Lm )2
√
I1r
R2 V10 + 2 π 2 ω0 Lm VL
≃
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · (5)
R1 R2 + (ω0 Lm )2
R1 ,R2 はコイルの抵抗値,Lm は送受電コイル間の相互イ
ンダクタンス,V10 は一次側インバータの出力電圧の基本
波実効値である。なおフーリエ級数展開から,一次側イン
バータの出力電圧の実効値を V1 とすれば,
√
2 2
V10 =
V1 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (6)
π
となる。
二次側コンバータの動作モードが図 4(a),(b) となる場
合の一次側電力はそれぞれ式 (7),(8) で表される。
P1s ≃
R2 V10 2
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (7)
R1 R2 + (ω0 Lm )2
P1r ≃
R2 V10 + 2 π 2 ω0 Lm VL
V10 · · · · · · · · · · · · · · · · (8)
R1 R2 + (ω0 Lm )2
√
3/6
400
300
200
100
96
0
0
100
95
94 93
90
92 91
200
300
400
Load voltage VL [V]
(a) PL = 200 W
Fig. 7.
500
500
90
400
91
92
93
300
94
95
96
200
100
0
0
100
200
300
400
Load voltage VL [V]
95
400
96
300
200
100
0
0
500
100
(b) PL = 1000 W
200
300
400
Load voltage VL [V]
500
(c) PL = 3300 W
図 7 負荷電力 PL を変化させた場合の電力伝送効率 η
Transition of power efficiency η with changing load power PL
すなわち,二次側コンバータの動作パターンによって一次
側の電力が変化する。
〈4・2〉 一次側電力の平均値
受電側でヒステリシス
コンパレータを用いた場合の効率の理論式を導出するため,
本章では一次側電力の平均値 P1 を定義する。
二次側コンバータの Low 側スイッチング素子の ON/OFF
の一周期における ON の比率を mp とすると
ts
mp =
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (9)
ts + tr
となる。図 5 に示すように,ts は ON/OFF の切り替え一周
期における二次側コンバータの Low 側スイッチング素子を
ON とする時間を表し,tr は OFF とする時間である。P1
は式 (7),(8) を用いて
P1 = mp P1on + (1 − mp )P1off
√
R2 V10 2 + 2 π 2 ω0 Lm (1 − mp )V10 VL
=
· · · · · (10)
R1 R2 + (ω0 Lm )2
となる。
二次側の三相 PWM インバータ以降の負荷電力を PL と
し,負荷を
RL =
Primary side voltage V10 [V]
500
Primary side voltage V10 [V]
Primary side voltage V10 [V]
500
VL 2
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (11)
PL
で定義される等価負荷抵抗 RL とみなせば,二次側コンバー
タの動作により二次側回路は図 6 となる。図 6 のそれぞれ
の回路を VL について解き,二次側回路が図 6(a) となる時
間幅 ts と図 6(b) となる時間幅 tr を求めると,mp の理論
式は
)
(
ln VVlow
up
)
(
) · · · · · · · · · · · · (12)
mp = (
Vup +RL Ia
Vlow
ln Vup + ln Vlow
−RL Ia
となる (13) 。
なお,図 6(b) のコンバータ出力電流 Ia は図 4 の Rectification mode における二次側共振器の電流を全波整流した
ものの平均値である。Rectification mode における二次側
共振器の電流の実効値を I2r とすると
√
I2r
ω0 Lm V10 − 2 π 2 R1 VL
≃
· · · · · · · · · · · · · · · · · · (13)
R1 R2 + (ω0 Lm )2
となる。したがって I2off が正弦波電流であると仮定すれば,
√
√
2 2 ω0 Lm V10 − 2 π 2 R1 VL
Ia =
· · · · · · · · · · · · · · ·(14)
π
R1 R2 + (ω0 Lm )2
となる。
〈4・3〉 電力伝送効率
式 (10) より一次側インバータ
出力から二次側コンバータ出力までの電力伝送効率 η は
η=
{R1 R2 + (ω0 Lm )2 }PL
R2 V10 2 +
√
2 2
ω0 Lm (1
π
− mp )V10 VL
· · · · · · · (15)
となる。式 (11),(12),(14) より mp は V10 と VL の関数
であるとみなせる。したがって式 (15) より電力伝送効率は
一次側出力電圧の基本波実効値 V10 と負荷電圧 VL に応じ
て変化する。負荷電力が 200 W, 1000 W, 3300 W におい
て,V10 および VL を変化させた場合の効率を図 7 に示す。
いずれの場合も電力伝送効率が最大となる V10 ,VL の組み
合わせが存在する。
また,二次側コンバータが常に Rectification mode とし
て動作していても目標の負荷電圧 VL が達成できない場合,
負荷電力が PL 不足するため W-IWM を駆動することがで
きない。したがって任意の負荷電圧 VL を達成するための
V10 の下限値 V1min は,二次側コンバータを全波整流器と
みなした場合の送電電圧であり,
π
V1min = √
2 2
8
R V 2
π2 1 L
+ R1 R2 PL + (ω0 Lm )2 PL
(16)
ω0 Lm VL
となる。各効率グラフにおいて白塗りで示す部分は二次側
で所望の電力を達成できない領域であり,V1min > V10 と
なる。なお本稿で用いる共振器では ω0 Lm ≫ R1 ≃ R2 が
成り立つ。したがって式 (16) の一項目と二項目を無視する
と,V1min は
π
PL
V1min ≃ √ ω0 Lm
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (17)
VL
2 2
で近似できるため,図 7 における所望電力の境界線は VL
に反比例する。
4/6
Short
(ts)
load motor
W-IWM
primary coil
torque meter
reduction gear integrated
hub bearing unit
Secondary voltage V2 [V]
secondary coil
300
200
100
0
-100
-200
-300
0
0.005
primary circuit
Fig. 9.
Fig. 8.
実
図 8 ベンチ試験装置
An experimental bench measurement
0.8
験
〈5・1〉 実験装置
実験に用いたベンチ試験装置の外
観を図 8 に示す。電源は三相 200 V の電源を整流してバッ
テリを代用した。また,共振周波数は電気自動車へのワイ
ヤレス電力伝送において統一化が進められている 85 kHz と
し (14) ,コイル間のギャップは実車に搭載した場合と同様に
100 mm とした。損失を軽減するため一次側インバータ及
び二次側コンバータのスイッチング素子には SiC-MOSFET
を使用している。
〈5・2〉 mp の理論値と実験値の比較
モータの回転
数 (減速機出力回転数) を 68 rpm とし,W-IWM の定格に
対し 30 % のトルク指令値を与えた。この時出力トルクは
64 Nm であり,二次側コンバータ出力電力 PL は 562 W で
あった。このモータ出力時に VL∗ =240 V,∆V =2.5 V とし
て負荷電圧を一定に制御し,送電側電圧を変化させ mp の
測定を行う。二次側共振器の電圧を測定すると図 9 に示す
波形が得られる。二次側コンバータの Low 側スイッチング
素子を ON とすると二次側共振器が Short されるため電圧
がほぼ 0 となり,この時間幅を ts とし,それ以外の時間を
tr としている。二次側共振器電圧の波形から ts と tr を読
み取り,式 (9) を用いて mp を導出し,ON/OFF の 10 周
期における平均値を mp の実験値としている。
式 (12) による mp の理論値と実験値の比較結果を図 10
に示す。V10 は一次側インバータの出力電圧実効値 V1 の
測定結果から式 (6) を用いて計算している。計算結果に
おいて mp = 0 となっている範囲は送電側電圧が小さく,
V10 < V1min となりモータを動作させることができない。
理論値と実験値がほぼ一致しており,mp の理論式の妥当
性が示された。
〈5・3〉 V10 変化時の電力伝送効率
モータの回転数を
68 rpm とし,W-IWM の定格に対し 10 %と 30 %のトルク
指令値を与えた。出力トルクはそれぞれ 19 Nm と 64 Nm
であり,二次側コンバータの出力電力 PL は 188 W と 562
W である。負荷電圧 VL を 240 V で一定に制御し,送電側
電圧を変化させ一次側インバータ出力から二次側コンバー
タ出力までの効率 η を測定した。式 (15) から導出した理論
効率と効率の測定結果の比較を図 11 に示す。V10 は前節同
0.01
Time [s]
0.015
0.02
図 9 二次側共振器の電圧波形
A waveform of a secondary resonator
1
mp [-]
5.
Rectification
(tr)
䢢
Calculation
Experiment
0.6
0.4
0.2
0䢢
0
50
100
150
Primary side voltage V10 [V]
200
図 10 mp の理論値と実験値の比較
Fig. 10. A comparison with theoretical and experiment
value of mp
様に一次側インバータの出力電圧の実効値から計算した値
である。また,式 (15) においては二次側コンバータの損失
を無視しているため,図 11 の理論効率曲線には二次側コン
バータの効率の各測定点における平均値を乗している。
いずれのモータ出力においても効率が最大となる送電電
圧は理論値と実験値でほぼ一致している。なお,理論値と
実験値で効率に差が見られるのは測定を行うための配線に
よる抵抗やインダクタンスにより,損失が生じたり力率が
悪化したためである。
〈5・4〉 VL 変化時の電力伝送効率
〈5・3〉と同様のモー
タ出力において負荷電圧を 240 V から 350 V まで 10 V ず
つ変化させ一次側インバータ出力から二次側コンバータ出
力までの効率 η を測定した。送電電圧はトルク指令値が 10
%の場合は 85 V,30 %の場合は 122 V としており,これ
らの値は図 11 において η が最大となる点である。式 (15)
から導出した理論効率と効率の測定結果の比較を図 12 に
示す。
〈5・3〉
と同様に,理論値には二次側コンバータ効率の
各測定点における平均値を乗している。
V10 を変化させた場合と同様,誤差は見られるもののい
ずれのモータ出力においても理論値と実験値の傾向が一致
している。
〈5・5〉 伝送効率最大化制御への考察
本稿では回転
数 68 rpm においてトルク指令値を 10 %と 30 %とした場合
の二通りについてのみ効率測定を行った。測定結果より理
論値と実験値に誤差が見られるものの,その傾向は一致し
5/6
90
95
䢢
䢢
Calculation
Experiment
Calculation
Experiment
92.5
Efficiency [%]
Efficiency [%]
87.5
85
82.5
80 䢢
90
87.5
50
75
100
125
Primary side voltage V10 [V]
85 䢢
150
(a) T=10 % N = 68 rpm
Fig. 11.
80
100
120
140
Primary side voltage V10 [V]
(b) T=30 % N = 68 rpm
図 11 V10 変化時の電力伝送効率 η
Power transfer efficiency with changing V10
90
95
䢢
䢢
Calculation
Experiment
Calculation
Experiment
92.5
Efficiency [%]
Efficiency [%]
87.5
85
82.5
80 䢢
225
90
87.5
250
275
300
325
Load voltage VL [V]
350
375
(a) T=10 % N = 68 rpm
85 䢢
225
250
275
300
325
Load voltage VL [V]
350
375
(b) T=30 % N = 68 rpm
図 12 VL 変化時の電力伝送効率 η
Fig. 12. Power transfer efficiency with changing VL
ており,これは他の出力においても同様であると考えられ
る。従って W-IWM を駆動する場合,任意の出力において
効率が最大になるような送電電圧値と負荷電圧値を式 (15)
を用いて計算し,その値に制御することで高効率な運用が
可能である。
6. ま と め
本稿では磁界共振結合方式のワイヤレス電力伝送を用い
たインホイールモータについて述べ,この回路の電力伝送
効率の理論式を導出し,効率を最大にする送電側及び受電
側電圧が存在することを明らかにした。また,モータベン
チ試験装置を用いた実験により理論式の妥当性を示した。
任意の出力において送電側及び受電側電圧を最高効率を
達成する値に制御し,高効率でワイヤレスインホイールモー
タを駆動することを今後の課題とする。
7. 謝
辞
最後に本研究の一部は文部科学省科学研究費補助金 (基
盤研究 A 課題番号:26249061) によって行われたことを付
記する。また,積層セラミックコンデンサ (U2J 特性) を支
給して頂いた株式会社村田製作所に対しここに記して深く
感謝申し上げる。
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