Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem s   ( IJ PEDS )   Vo l.   1 2 ,  No.   1 ,  M a r   202 1 , p p.  286 ~ 294   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v 1 2 .i 1 . pp 286 - 294       286       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Grid to  vehicle wir eless powe r s upply  using singl e - phase m atr i x  convert er       Muham ad   H az iq M oh m ad  Ak r am ,  R ah i mi  Baharo m   Facul ty   of Electr ic a l  Eng ineeri ng ,   Univer si ti T ekn ologi   MA RA ,  Se la ngor,   Mal aysia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   A ug   28 , 20 20   Re vised  Jan  6,  20 21   Accepte d  Ja n   2 6 , 2 0 21       Thi s  pap er  pr ese nts  th e  co mpu te r  si mul a ti on  mode l   of  a   gri d  to  v ehi c le   (G2V )  wire le ss   power  supply  using  a  singl e - phas e  matrix  conv erter  (SP MC).  The   proposed   sys te m  uses  the  SP MC  tha t  op era t es  as  a  dir e ct   AC - AC   conve rt er  to  con ver t  th e  supply  f req uenc y   of  50   Hz  to  re ac h  20   kHz  output  fre quenc y .   The  use   of  20   kH z  fr eque n cy  is  suita ble  for   wir el ess  power   tra nsfe r   (W PT)   oper ation  in   ord er  to  ob tain  h igh er  power   tra nsfe r  eff ic i enc y   bet wee n   th e  t ran smit te r   and   th e  r ec e ive r   par ts .   A n  adva n ce d   of  th e  proposed   ci rc u it   topol ogy   ca n  solv e  the  co nvent ion al   sys tem  for   G2V   ci r cu it   topol ogy   tha t   uses   multipl e  st age s   of   powe r  conv ersion   sys te m,  r esult ing   in   high  power   semi condu ct or  l oss es  tha t  cou ld  le ad  to  low  eff i c ie ncy .   In  thi s  wo rk,   mu lt ip l e  stage s  of   the  c onvent ion al  " AC - DC - AC "  ci rc uit s  h ave  be en   red uce d   to   a   single  power   co nver sion  st age   b y  using   th e  SP MC  ci r cui t   topology.  The  use   of  the  proposed   ci r cui t   topol og y  ca n   red uc e  th e  numb er  of  d e vic es,   thus  red uce  the  sem ic onduc tor  loss es.   A  par t  of   r educ ing   the  se mi condu ct or  losses,  th e   prop osed  c irc ui t   top ology  coul d   a lso  im p rove   th e  p ower  densi ty   and  eff ic i enc y   o f  the   pow er  sup ply  sys te m.  A  c omput er  si mul a t ion  model  using  MA TL AB / Simul ink   h as  b ee n   dev el oped   t o  inv esti ga te  the  beh avi or   of   the   proposed  sy stem .   Selecte d   simul a ti on  r esult s   are   p rese nt ed  t o  ver ify  the   func ti on al i ty  of   t he  proposed   sys te m.   Ke yw or d s :   AC to  A C c on ver te r     Gr i d  to  v e hicle   S ing le   phase  m at rix  c onver te r   W irel ess  powe r  tra ns fe r   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Ra himi Ba ha rom   Faculty   of Elec tric al  Engineer ing   Un i ver sit i Te knol og i  MARA   40450 S hah A l am,  Sela ngor,  M al aysia   Emai l:   rah imi 6579 @gmai l.co m       1.   INTROD U CTION     The   wir el ess  powe r   tran sfe r  t echnolo gy   imp li es  the  t ran s fe r  of  el ect rical   e nerg y  from   a   powe r   sou rce   to  a n  el ect rical   loa d  th rou gh  an  ai r   ga p  wit hout  t he   use   of  a ny  wires   or  co nnect ors   [ 1].   Th e  most   popula r   high - powe r  wi rel ess  powe r  trans fer   ( WPT)   is   the   i nd uctive   co upli ng  i nv e nted   by   Nikola   Tesl a   m or e   than   a   centu ry   a go,  w hich  ref e rs  to   the  tra ns fe r  of   e le c tric al   power  thr ough  the  ai r  [ 2 ] ,   [ 3].  T hus ,  the  r em ov al   of  the   tradit ion al   cabl e  co nnect or  be tween   the   po w er  s uppl y  a nd  i ts  loa d  ca n  be   conve nient  f or  chargin g  mil li on s   of   dev ic es  [4 ] - [ 6]. T he key  com pone nts  of  t he WPT  sy ste m a re th e  transmi tt er a nd the  recei ver coil s  [2].   The  el ect ric  ve hicle   (E V)  is  a  car  powe red  by  a n  el ect ric   mo t or  instea d  of  a n  inter nal   com busti on   eng i ne,  a nd the  engi ne uses a   batte ry powe r system  [7]. As   a fu t ur e  trend,   the  el ect ric v e hi cl e  (EV) h a s gai ned  more  a nd  m or e   interest   due  to   it s  low  or  ze r o  ca rbo n  emiss ion s   an d  pote nt ia ll y  high  pow er  ou t pu t  [ 8] ,   wh ic h  can  be   util iz ed   to   pr ov i de  s up portive   ser vice s.  With   sys te m   sup port  f or  bi - directi onal   tra ns missi on  of  e nerg y   betwee n  E V  a nd   gri d,   E V  ca n  be  c ha rg e d  f rom  the  gr i d,   r efer red   t o  as  gri d  to  ve hicle   ( G2V)   [ 9] .   As  EV  is  discha rg i ng  an d  se nd i ng   el ec tric it y  to  the  gri d,   it   is  cal le d  Veh ic le   to  G r id  ( V2G)  [ 10 ] ,   [ 11] .  S imi la r  to  the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Grid  t o  ve hicle  ( G 2V )  wi rel es s power s upply  u si ng sin gle - phase  matri x  . ..   (Muh ama d Hazi q  M ohm ad A kram)   287   V2G  c oncept ,  wh e re  E V   will   rec ycle  it s  ba tt ery   s urplu s  e nerg y  back  to   reside ntial   ho mes  f or  local   energ y  us e,  n a med  V e hicle  to Home   (V2H)  [12 ],   or  back to  buil dings, c al le d  veh i cl e to buildi ng  (V2B) [ 13].   The  t yp ic al   el ect ric  ve hicle   chargin g   sy ste m  us es  a   c onne ct or   cable  t o  connect  t he  el ect ric  sup pl y  from  the   gri d  to  the  el ect ric   veh ic le   f or  c hargin g  purpo ses  [ 14].   T he  disad va ntages  of   a  wire d  c onnecte d  chargin g  sy ste m  are   the   me ssy  wire s  a nd  safet y  c oncer ns   i n  t he  wet   en vir onme nt  [15].  T he   ph ysi cal   requireme nts  of  a  wire d  c onne ct ed  cha r ging   sy ste m   prese nt   so me  oppo rtun it ie s  f or  da mage.  W he re  misl ai d  cables  ma y  ca us e  tri pp i ng  ha zard s .  Durin g  t he  rain y  seas on,  t he  water  m ay  ca us e  s hort - ci rcu it s  t hro ugh  the   cables.   In   orde r  to   so l ve  the   li mit at i on s   or  disad va ntages  of  the  wire d  co nnect ed  c hargin g  s yst em,  wi reless   batte ry   c ha rg i ng  te ch no l ogie s  hav e  bee n  devel op e d  [ 16].  T he  use s  of  a  wireless  cha rg i ng   sy ste m  ca n  re move   exp e ns i ve  an d  intensive  gr i d  cables.  M ore over ,  this  te ch nolo gy   ca n  al s o  pro vid e   a dd it io nal  protect io n  against  el ect rical   sh oc k  hazar ds   duri ng  the  c hargi ng  proce ss  [ 17] .  H oweve r,   the  us e   of  wir el ess  chargin g  G2V   sy ste ms   has   a  disad va ntage  due  to  the  r eq ui reme nt  to  us e  high  switc hi ng  fr e qu e nc y  ope rati on   to  pe rfo rm  an  eff ic ie nt  wi reless   powe r  tra nsfer  functi on.  Ther e f or e,  t he   conve ntion al   G2V  wireless  chargin g  s ys te m  us es  "AC - DC - AC"  conve rters  t o  conve rt  lo w  f reque ncy  ( 50   Hz  or   60   Hz)  to  the   hi gh  s witc hing  fr e quency    (>20   kH z ).  Th e  us e  of  m ulti ple  sta ges   of  powe r  c onve rsi on  syst em,  res ul ti ng   i n  high  powe r  semic onduct or  losses   that  co uld  le ad   to   l ow  e ff ic ie ncy.  In  this   work,   mu lt iple  sta ge s  of  the   c onve ntion al   " AC - DC - AC"  ci rcu it s  ha ve  be en  re duced  t o  a  sing le   po we r  co nv e rsion  ci rcu it   by  usi ng  the  SP M C  ci rc uit  topolo gy.  T he  us e   of   t he  pro po se d  ci rc uit  topology  ca n  re duc e  the  num ber   of  de vices,  th us  reduce  the  se micond ucto r  lo sses.  A   par t  of  reduci ng  the   semic onduct or  l os ses ,  the   pr opos e d  ci rcu it   t opology  c ou l d  al s o  imp rove   the   powe r  densi ty a nd ef f ic ie ncy   of the  powe r  s upply s ys te m.   Wireless   powe r  tra ns fe r .  Wir el ess  powe r  tr ansf e r  is  a  c ommo n  te rm  for  the  t ran s miss ion   of  ene r gy   by  mea ns   of  el ect ro ma gnet ic   fiel ds   in   ma ny   dif fer e nt  te ch no l og ie s .  T he  wireless  powe r   sy ste m   co ns is ts  of  a   "t ran smit te r"  de vice  co nn e ct ed  to  a  powe r  s ource  s uch   a s  a  p owe r  li ne  th at   conver ts  the   AC  powe r  to  a  ti me - varyin g  el ect r oma gnet ic  f ie ld  and a " receive r " d e vice that  re cei ves  the  A C  powe r.   Conve ntion al  w irel ess G 2V circuit   to po l ogy .  Fig ur e 1(a)  i ll us trat es  the  c onve ntion al   ci r cuit  topolo g y  of   t he  wireless G2V  s ys te m .  T he  first  c onversi on  stage on  t he  gr i d  side   is  t he  AC - DC  c onver te r   w hich   is   us e d  to  recti f y  t he  li ne  fr e quenc y  AC v oltage   to  the o ut pu t DC v oltage .  T he   se cond   co nversi on  sta ge  is   the D C - AC   conve rter,   w hi ch  is   use d  to   c onve rt  DC   vo l ta ge  to   high - frequ e nc y   AC  volt age  t o  f ulfill   the  re qu ire m ent  of  high - e ff ic ie nc y  WPT  operati on.  At  t he  rec ei ver   sid e,  the   high - fr e quenc y  co ntr ollable   recti fier  is  us ed  to   charge   the   ba tt ery .   Simi la rl y,  f or  Ve hicle - to - G rid   ( V2G ),  the   batte r y - side  c onve rter   ser ves   as   a   high - fr e qu e nc y  in ve rter  an d  the  gri d - side  c onve rt ers  are  viewe d  as  a  high - fr e quenc y,   c ontr ollable   recti fier,  and   a   gr i d - ti ed  i nvert er [1 8].   Sing le - phase   matri x  co nver te r .  T he   SP MC   re qu ire s  four  bi - dire ct iona l  switc hes   a s  s how n  in     Figure  1( b) .  E ach  bi - directi onal   swi tc h  is  switc ha ble  to  cond uct  cu rr e nt  in  both  dir ect ion s  a nd   t o  blo c k   forw a r d  a nd  re ver se   vo lt a ges.  Eac h  set   of  th e  bi - dir ect ion al   s witc h  is   bu il t  up   by   us in g  t wo  IG BTs .  W her e   the   so urce  a nd  outpu t  of  the   SP M C  ca n  be  ei t her  sin gle - ph a s e  DC  or  sin gle - phase  A C,   an d  rely  on  th e  s witc hing   strat egy  to  b e  a pp li ed   [ 19] .  T he   feat ur e   of  t he   wireless  p owe r  tra nsfer   is  tha t  it   co ns ist s o f  a  tran smit te r  for  the   high - fr e quenc y  po wer  tran s missi on  a nd  a   receiv er   f or  the  rec ei ve d  powe r  [ 20].  W PT  requires   a   hi gh - fr e qu e nc y  s w it chin g  range  from  1  kHz  t o  100  M Hz .  20  kHz  of  switc hing  fr e qu e nc y  ha s  an   ef fici enc y  of  80 %   with the  tra nsmi tt er   an d  the  re cei ver  c oils  of the s witc hing  fr e qu e nc y op e r at ion   [21].         (a)     (b)     Figure  1.  (a )  C onve ntion al  cir cuit t opolog y o f  G 2V,  ( b)   Sin gle  p hase   m at ri x  c onve rter   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch   202 1   :   286   –   294   288   Pr oble m   sta te ment .  Ele ct ric   ve hicle s   ha d  grown   in   popula rity   am ong  use rs   nowa da ys .   T he   G 2V  powe r  tra nsmi ssion  ca n  be   use d  as  a   plug - i n  el ect ric   ve hi cl e  f or  cha r ging  e ff ic ie nc y.  F or   c hargin g  pu rposes,   the  cable  is  re qu i red   t o  tra nsfer  t he  power  from  t he  gr id   to  the  ve hicle ’s  batte ry   [14].  Wi red   c on necte d  chargin g  s ys te ms  ha d  pr ob le ms  with  the  m essy  wires  that   may  ca us e  tri pp i ng   haza rd s  and   sa fety  c on cern s  i n   the  wet  e nv ir onme nt  [ 15].   A   mu c h  sim pler   means  ca n  be   us e d  to  sim pl ify  the  proces s   by   t ran s ferrin g  the  powe r  wireless ly.   A   s ys te m   t hat  e na bles  t he   tra ns missi on   of   el ect ric  po wer   without  usi ng   a ny   c onne ct or   or   wire  has bee n pro ven reli able .   Ap a rt  from   th at ,  the   co nvent ion al   ci rcu it   of  t he  G2V   w i r el ess  po wer  tr ansf e r   co ns ist s   of  mu lt iple   sta ges  f or  ene r gy  co nversi on.   The  first  sta ge   is  the  recti fier  to  co nvert  the  A C  in pu t  t o  D C.  The  ne xt  sta ge  is  a  high - fr e quenc y  inv e rter  to  c onve rt  the  recti f ie d  DC  to  high - fr e quenc y  A C.  Wireless  po wer   tra nsfer  ne eds  a   high  switc hi ng  f reque nc y  t o  trans fer  f r om  the  t ransmi tt er  to  it s  receive r.  T he  c onve nti on al   ci rc uit  ca nnot   conve rt  the  A C  source  t o  hig h - f re qu e nc y  AC  di rectl y.   T he  fi nal  sta ge   is  to  recti f y  t he   high - f reque nc y  AC   from   the  recei ver  coil  of  WPT   to   the  DC  f orm  t o  c harge   the  DC  batte ry   of  the   el ect ric  veh ic le .   W hile  each   sta ge  possesse s  it s  ow n  l os se s.  T he n,  w it h mult iple  sta ges ,  it   c ou l d  le a d  t o  high pow e r   losses.   T hus,   re qu i res  a   new ci rc uit t opology t o si mp li fy the c onve ntion al   wireless   G 2V ci rcu it  to po l ogy.       2.   RESEA R CH MET HO D    Figure  2  sho w s  the  flo wc hart   fo r  t he  pr opose d  s ys te m.  T he  pr opos e d  G 2V   wireless  powe r  s upply   beg i ns   with  t he   li te ratur e  re vi ew  of   t he  G 2V  wireless  po wer   s uppl y  ci r cuit  config ur at ion s  a nd   t he  r equ i red   com pone nts.  Var i ou s   ty pes  of   WPT   ci rc ui t  topolo gies  ha ve  been  re vie wed  with   hi ghli gh ts  their   ad van ta ges   and   li mit at ion s .  The n,   t he  use   of   SP M C  f or   direct  AC  t o  A C  conver te r  op erati on   has  bee n  in vestigat ed .   The   basic  ci rc uit  of  the  AC  t o  A C  conve rter  usi ng   SP M C  w a s  modele d   usi ng  MATL AB/ Simuli nk  s of t war e  t o  inv est igate   the   be ha vior  of  t he  ci rcu it   oper at ion .   F rom  t he   outp ut  volt age  a nd  c urre nt  wa vefo rms,  it   can   be  us e d  to  ve rif y  the  pro po se d  switc hing  al go rithms  f or  AC   to  AC  co nv e r te r  op e rati on  us in g  SP M C  c ircuit  topolo gy.  T h e n,   the   pro pose d  G 2V  wi reles s  powe r  s uppl y  usi ng  SP M C   has  been   m odel ed.   I n  order  to  ve rif y  the  functi onal it y  of  the   pr opos e d  s ys te m ,  t he  sel ect e d  si mu la ti on  resu l ts  are   co mp a r ed  t o  t he  t heory  an d   hypothesis.   The  blo c k  dia gr a m  of  the  propose d  G2V  wireless  p owe r  sup ply   is  as  il lustrate d  in  F igure  3.  T he   op e rati on  of  th e  pro posed   s yst em  be gin s   f rom  the  co nversi on  sta ge   of  l ow  fr e qu e nc y  t o  the   hi gh - f re quenc y  AC  volt age.   T he  mai n  pa rt  of  su c h  a  c onve rsion  pr ocess  us es  a  si ng le   S PM C  ci rc uit  w it h  pro per   swit chin g  al gorithms  t o  perform   a  dire ct   AC  to   AC  conve rter.  The   outp ut  f reque ncy  of  t he  AC  to  AC  c onvert er  i s     20  kHz  that  is  su it able  f or  w ir el ess  power   t ra ns fe r  ope rati on  [21].  The n,   t he   high - fr e quen cy  AC v oltage at  the  transmitt er   sid e  is   tran smit te d  wirelessl y  th rou gh  the   ai r   ga p  f rom  t he   tra ns mit te r   to   the   recei ver  c oils  on  t he   veh ic le   sid e.  A t  the  ve hicle   side,  t he  hi gh - f r equ e nc y  AC  volt age  f r om   t he   receive r  c oil  is  recti fied  us i ng   t he  fu ll - br i dg e   hi gh - fr e quenc y  re ct ifie r  to  c onve rt  the A C form   to  t he  D C  out pu t v oltage.   Th e  recti fied   DC o ut put   then wil l be  u s ed  to  ch a r ge  th e D C  batte ry of the  v e hicle .           Figure  2. Flo w char t  of the  p roj ect   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Grid  t o  ve hicle  ( G 2V )  wi rel es s power s upply  u si ng sin gle - phase  matri x  . ..   (Muh ama d Hazi q  M ohm ad A kram)   289       Figure  3. Bl oc k  d ia gram  of th e  p rop os ed  G2 V  w irel ess  p ower   s up ply   u si ng SPMC       3.   SWITC HING   ALG ORI T H MS   The  s witc hing   al gorithms   f or  the  pro pose d  sy ste m   as  ta bula te d  in   Ta ble  1  ca n  be  di vid e d  int o  4  sta te s.  The   detai le d  ope rati on  of  t he  pro po se d  ci rc uit  is  il lu strat ed  i n  Fi gu re  4.  The   sta te s  are   as  f ollow  [ 22 ] - [ 24]:   •   Stat e  1:  D ur i ng  the  i nput  po s it ive  half  c ycle  an d  the  outp ut  posit ive  cycle,   bo t h  s witc hes  S1 a  a nd  S 4a  ar e   tur ning  ON,  w hilst  the  oth e r  s witc hes  a re tur ning  OF F .   •   Stat e  2:  D ur i ng   the  in put  ne ga ti ve  half   cycle and  the outp ut n egati ve   cycle ,   both  s witc hes  S1b  a nd  S 4b  ar e   tur ning  ON,  w hilst   the  oth e r  s witc hes  a re tur ning  OF F .   •   Stat e  3:  D ur i ng  the  i nput  pos it ive  half  c ycle   an d  the  outp ut  ne gative  c ycle,  both  switc hes   S2 a  a nd  S 3a  a re   tur ning  ON,  w hilst  the  oth e r  s witc hes  a re tur ning  OF F .   •   Stat e  4:  D ur i ng  the   in pu t  ne ga ti ve  half  cycl e  an d  the  out put  posit ive  c yc le ,  both  s witc he s  S2b  a nd  S 3b  are   tur ning  ON,  w hilst  the  oth e r  s witc hes  a re tur ning  OF F .         (a)       (b)       (c)     (d)     Figure  4. Stat e  of A C - AC s witc hing ,   (a) Sta te  1   ( po sit ive c yc le ),  (b )  Stat e  2 (n e gative c ycle ),     (c)   Stat e 3   ( po s it ive cy cl e),  (d) Sta te  4   ( neg at i ve  c ycle)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch   202 1   :   286   –   294   290   Table  1.   SP MC  sw it chin g  c ontr ol for AC t o AC c onve rter   Inp u t   Ou tp u t   State   ON Swit ch     Po sitiv e cycle   Po sitiv e   1   S1 a and  S4a   Neg ativ e   3   S2 a and  S3a   Neg ativ e cycle   Po sitiv e   4   S2 b  and  S3b   Neg ativ e   2   S1 b  and  S4b       4.   COMP UTER  SIMULATI O N MO DEL   The   pro pose d  G2V   wireless   powe r  tra nsfer   us i ng  S P M C  was  simulat ed   us in g  MATL A B/ Simuli nk   as  s how n  in   Fi gure  5 .   T his  si mu la ti on  m ode l  co ns ist s  of  se ver al   bl ock  set s  s uch  as   co ntr oller  a nd  S P MC .  I n  order  to  sim plify   t he  c ompu te r  sim ulati on   m od el ,   the  i deal  trans forme r  (li near   t ran s f orm er)   has  bee n  use d  to  act   as  a   wireless  power  tra nsf er,  t hus,   ne glec ti ng   a ny  l os ses   that  occ ur  dur ing  the   W PT   proces s.  I n  t his  work,   a  br id ge   of  diode   has   bee n  use d  as   a  recti fie r  with   a   20 00μ F  ou t put  DC  c apacit or  t o  re duce   the   outp ut   DC   vo lt age   rip ple.  The n,   the   10 0  Ω  resist or  is  us ed  as  a  dumm y  load  for  th e  pr opos e d  s ys te m .  Fig ur e  6(a)  s hows   the  sim ulati on   m odel   of  the   SPM C ,  w hilst ,  the   sim ulati on  model   of   bi directi onal   s wi tc hes  is   as   s hown  in   Figure  6(b ).  S uch  a   m od el   c on sist s   of  t wo  IG BTs   a nd  tw o  rev e r se   bl oc king  diodes   th at   are  c onne ct ed  i n  a   commo n  emit t er  a nd   anti - paral le l  dio de  pair   co nf i gurati on  to  pe r f orm  t he  require d  bid ire ct ion al   s witc he s  f or  SPM C   ci rc uit  topolo gy.  Fi gu re  7  s hows   the   com pute r  sim ulati on  m od el   of  the  switc hi ng  co ntr oller  f or  the   pro po se d  s ys te m.   This   c on t rol le r  ha s  bee n  m od el e d  by   co m par i ng  the   si nuso idal   wa ve for m  us in g  a   sine   wav e   bl oc k  set   with   the   car rier   sig nal  (r e peati ng  seq uen ce )   us i ng  a   c ompar at or  (r el at io nal  operat or)  blo c k  set   to   pro du ce   the   S inu s oid al   P uls e  Wi dth  M od ulati on  ( SP W M )   si gn al .   Durin g  t he  i nput   posit ive   an d  ou t pu t   po sit ive   cycle,   the  SP WM  si gn al   is  co m pa red  with   th e   s qu a re  wa veform  usi ng  the   c omparat or  ( product1 )   blo c k  for  s witc h  S 1a  a nd  S 4a.   D ur i ng  the   input  posit ive  an d  ou t pu t   ne gative  c ycle,  the  SP W M   si gn al   i s   rev e rse d  usi ng  a  not  gate  a nd  com par e d  with   the  s qu a re  wa veform  us in g  t he  c omparat or   (prod uct2 )  bl oc k  f o r  switc h  S2 a   an d  S3 a .  Durin g  t he  in put  neg at i ve  a nd  ou t pu t  neg at ive   c ycle,   the  S PWM   sig nal  is  c ompare d  with   the  re versed  s qu a re  wa veform  us i ng  the  c omparat or   ( product3 )  blo c k  for  s witc h  S 1b   an d  S 4b.  Dur ing   t he   input  ne gative  and   outp ut  pos it ive  cycle,  the   SPWM  sig nal   is  rev erse d  us ing   a  no t  gate  and   c ompare d  with  a  rev e rse d  squa r e  wav e f or m  usi ng   the  c ompa r at or   ( pro duct 4)  blo c k  f or   s witc h  S 2a  an d  S 3a .  The  S PWM  sign al   for  eac h  switc h  is   as  s how n  in  Fig ur e   8  a nd  the   detai l  ( zoom  wa veform)  is   as  sho w n  i n  Fi gure   9.  The   par a mete rs use d  to  m od el  t he pr opos e d  s ys te m ar e  as tab ula te d  in  Table  2.           Figure  5. Sim ul at ion   m odel  of  prop os ed   G2V  wireless  po we r  s upply       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Grid  t o  ve hicle  ( G 2V )  wi rel es s power s upply  u si ng sin gle - phase  matri x  . ..   (Muh ama d Hazi q  M ohm ad A kram)   291     (a)     (b)     Figure  6.   (a )  S PM C si mu la ti on m odel , (b )  Si mu la ti on  m ode l of the  bid i recti on al  s witc h           Figure  7.  Sim ul at ion   m odel  of  the s witc hing  con t ro ll er           Figure  8.  SP W M   s i gn al   f or ,   ( a) S1a  & S 4a, ( b) S2a &  S 3a,   (c)   S1b  & S 4b,  (d)   S2b  & s 3b   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch   202 1   :   286   –   294   292       Figure  9. Detai l of the  SP WM  s ig nal       Table  2.  T he  paramet ers  for t he  sim ulati on  model   Para m eters   Valu es   So u rce  v o ltag e   1 8  VAC,  5 0   Hz   Switch in g  f requ en cy  ( SPMC )   2 0  kHz   Res isto r    1 0 0  Ω   Cap acito r   2 0 0 0  μ F       5.   RESU LT S  AND DI SCUS S ION   Figure   10(a )   shows  t he  i nput  vo lt age   wa veform  of  18  VAC   with   50   Hz  f reque ncy.  At  t he  t ran s mit te r   side  of  the  wi r el ess  power   t ra ns fe r,   the  sour ce  vo lt age  of   18  V AC  is  us e d  as  a  pr eca utio n  f or   t he  loss  du e  t o  the  c onve rter  a nd  tra ns missi on b ef ore  c hargi ng  the  1 2  V DC   el ect ric v ehicl e’s  batte r y.  The  sou rce volt ag e  will   pas s  t hro ugh  t he   SP M C  t hat  a ct s  as  a n  AC  to   AC  c onve rter  to  c onver t   f rom  the   li ne  fr e quenc y  of 5 0   H z  to  t he  ou t pu t   hi gh  frequ e nc y  of  20   kHz.   T he   use   of   a  20  k Hz  s witc hing  freq ue ncy  ca n  pro vi de  a   high - e ff ic ie ncy   wireless  powe r  tra nsfer   oper at ion   [21 ].   Th e  outp ut  high - fr e qu e nc y  volt age  from   the   SPM C   is  as   s how n  i n  Figure  10(b).   With  the  i deal  modu la ti on  in dex   of  0.5 ,  f or  the  20  kHz  S PWM  c on tr oller,  the  pea k  vo lt a ge  of   the  S PM C   ou t pu t   is  14.4  V  with  a   r ed uctio n  of  3.6  V   f rom  the   in put  s ource   vo lt age .  T he  outp ut  from   SP MC   will   be  tra nsmi tt ed  thr ough  wi reless  power  tr ansf e r  a nd  will   be   receiv ed   at   the  recei ver.  B ecause  of  the   use   of   the  ideal   tra ns f ormer   as   a  WPT   me d iu m,   the re  a re  no  l os se s  f rom   the   W P T  process.   T he   volt age   wa ve f orm  at   the  receive r  pa rt  is  a s  s how n  in  Fi gure   11(a ).   The   ou t pu t   of  the   WPT   is   the n  recti fied   us in g  the   f ull - br i dg e  high - fr e quenc y  recti fier   to   pr oduce   the   DC   ou t pu t   volt age   form   to  cha rg e   the   12  V DC  ba tt ery .  Fig ur e   11( b)   sh ows  t he  outpu t  vo lt age  of   the  recti fier  c onve rter.  The  outp ut  rip ple  of   the  load  vo lt a ge  wa vefo rm  c an  be   determi ned  ba sed  on  ( 1)   [ 25] .  Th us,  the  outpu t  volt age  ri pple   is  4% ,  with  the   ave rag e   DC  outp ut  vo lt age  of  12.48   V .  T he   losses   that  occ ur  du e   to   the   rec ti fier  pr ocess  is   1.9 2V  or  13. 33%  c ompa red  t o  t he  receive d  WPT   powe r.  T he D C o utput v oltage is t hen u se d t o  c harge t he 12 V DC elec tri c v e hicle ’s batt ery.       %   =      × 100%     (1)         (a)     (b)     Figure  10.   (a)  Sour ce  volt age  50   Hz,   ( b)   O utp ut  SP M C  vo lt age  20 kHz         (a)     (b)     Figure  11.   (a)  WPT  r ecei ve r vo lt age , (b )  L oa d vo lt age   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Grid  t o  ve hicle  ( G 2V )  wi rel es s power s upply  u si ng sin gle - phase  matri x  . ..   (Muh ama d Hazi q  M ohm ad A kram)   293   6.   CONCL US I O N   This  pa per  des cribes   the  c om pu te r  sim ulati on  model  of  gri d  t o  veh ic le   (G2V)  wireless   powe r  s uppl y  us in g  a   si ng le - ph a se  m at rix   c onve rte r  (S P MC ).   T he   pr opose d  sy ste m   ha d  bee n  pr e sent ed  i n  detai l  wi th  a   simulat ion   model  us in g  MA TLAB/Si m ulin k.   T he  pr opos e d  ci rc uit  had   si mp li fied  t he  c onve ntion al   gri d  to  a  veh ic le   ci rc uit  with  the  wire le ss  powe r  tra ns fe r  f unct io n  u sin g  the  SP M C  to  reduce   the  losses   an d  ci rc uit   com plexity  of t he  c onve ntion a l ci rcu it  to po l ogy. T he use  of  SPM C  in  t he p rop os ed  syst em can  r e duce t he  tw o  conve rsion  sta ges  of  the  c onve ntio nal  sy s te m  to  a  sing l e  conversi on  sta ge  f or   dire ct   AC - AC  c onve rter  o pe rati on.   The   val ue  of  the   outp ut  volt ag e  of  12. 48V   a nd  4.45 %   rip ple  is  good   e nough  to   c harge  t he   commo nly  us e d  12  V  batte ry  f or  an   el ect ric  ve hicle .  T he  adv a ntage s  of  the  propose d  s ys te m  su c h  a s  high - powe r  densi ty   an d  high   ef fici ency  can   be  us e d  as   an   al t ern at ive   to   the   co nventio nal  G2V  wireless   powe r   trans fer   ci rcu it .  The   f uture  re comme ndat io n  for  t he  pr opose d  st udy  is  t o  ex plo r e  ot her  wa veforms  for  an y  typ e  of   fau lt   in  the  s ys te m  because   this  r esearch  only  f ocused  on   t he   vo lt age  wa ve form.   Also,  si nce  thi s  project   on l y  i nvol ves   simulat i on,  t he   f uture  s tudy  sho uld  be   on   the   hardw a re  of  t he  projec t.  T his  is   be cau se  of   the sim ulati on ,  and the  actual   sit uation may   be diffe re nt du e to  un e xpect e d fact ors.       ACKN OWLE DGE MENTS     Finan ci al   s up port  f rom  Re search   M a na ge ment  Ce ntre   (RM C ),   U niv ersit i  Te knol og i  MARA  (U iT M ) , Gra nt  No.  600 - RMC /LESTAR I  S D G - T  5 / 3 (18 8/2019 )   is   gr at ef ul ly ackn ow le dge d.       REFERE NCE S    [1]   A.  Gil   and   J .   Tai ber ,   “ A   Liter at ur e  R evi ew   in   Dyn am i c  Wi r el ess  P ower  Tr ansfe r   fo r  E le c tric  V ehi c l es:  Te chno logy  and  Infr astruc tur e  Int egr a ti on  Ch al l enge s, ”   Sustai nable   Aut omoti v e  Techno logi es ,   pp.   289 – 298 ,   20 13.     [2]   M .   Q .   I .   M .   Z a ma ni ,   R .  Bah ar om,   and   D .   Joh ari ,   “ Con ce ptu al  study  on  gr id - to - vehi c le   (G2V )  wire l ess  power  tra nsfer   using   s ingl e - ph ase   ma t rix  conv erter, ”   Inte rnational   Jo urnal  of   Powe r   Elec troni cs  an d  Dr iv e   Syst em   (IJ PE DS) ,   vol .   1 0,   no .   3 ,   pp .   138 2 – 1388,   2019 .     [3]   M.  P.   Kesle r ,   “ High ly  R esona nt   Wi r eless   Pow er  Tra nsf er :  Saf e,  Eff ic i e nt,  and   over   Distanc e , ”   201 7.   ht tps:// wi tric i ty. com/wp - content/uploads/2016/12 /Whi te _ Pape r_2 0161218. pdf .   [4]   B .   Yang ,   S .   Du ,   W .   Ch en,  C .   De ng,   and   D .   Xu ,   “ Optim al  par amet er  design   for  ser i es - serie s  r esona n ce   conve r te r  fo r  wire le ss   power  t ran sfer, ”   2014  I nte rnational   Po wer  El e ct ronics  and  App licati on  Confe renc e  and  Ex positi on ,  2014 ,   pp.   772 – 777 .    [5]   G.   W.   M .   S .  C .   Moon,  “ W ire l e ss   power  tra nsfer  sys te m  with   asymm etric  4 - c oil   resona tor  for   el e ct ri c  veh icle   bat t ery   ch arg er , ”   2015  IE EE A ppl .   Pow er  E le c tron.  Conf .   Ex po ,  20 15,   vol .   31 ,   no .   1 0,   pp .   1650 – 1 65 7 .    [6]   M.  Etem adr ezaei,  “ W ire l ess Pow er  Tr ansfe r, ”   in  Powe r E le c troni c  Handbook ,   Sc i enc e   Direc t ,   pp.   711 – 722 ,  2018 .   [7]   B .   Frieske ,   M .   K loe t zke ,   and  F .   Mauser,   “ Tre nds   in  Vehi cl e   Conc ept   and   Key  T echnology  Deve lo pme nt  for   Hybri d   and  Ba tt ery   E lec tri c   Vehic le s, ”   World  Elec tri c V ehi c le   Journal ,   v ol.   6 ,   pp .   9 – 20 ,   2 013.     [8]   Yao  Y . ,   G ao  W . ,  and   L i   Y . ,  “ Opti mi z at ion   of   PH E V  Chargi ng   Sch edul e   for   Lo ad   Peak   Shaving , ”   I EE E   Conf ere nc e  and  Ex posi ti on  o n  Tr anspor tat ion  Elec tri fi ca ti on ,  2014,   pp .   1 – 6 .     [9]   Hua  L . ,   Wa ng  J . ,  and   Zhou  C . ,  “ Adapti ve   Elec t ri c  Vehi cl e   Charg ing  Coordi na ti o n  on  Distributio n  Network, ”   IE E E  Tr ansacti ons On Smart  Gr id ,   vo l. 5, no. 6, p. 2666 – 2675,   2014 .     [10]   Hos seini   S . ,   B a dri  A . ,  and   Par vani a   M . ,  “ Th e   Plug - in  E lectr i c  Vehi cl es  for   Pow er  Sys te m  Applic a ti ons:  T he   Vehic l e  to  Grid   (V2G )  Conc ept, ”   2012  I EEE  I nte rnational   En ergy   Conf ere nc e   and  Ex h ibi t ion   (ENERGY CON) ,  2012,   pp .   1101 – 1 106.     [11]   Donoghue  J .   an d   Cruden  A . ,  “ Whol e  Sys tem  Modell ing  of  V 2G  Pow er  Network  Control ,   Co mm unicati o ns  a nd   Mana gement, ”   2 013  World  E lect ric  V ehi c le Sy mp osium and  Ex h ib it ion (EV S27) ,  2 013,   pp .   1 – 9 .     [12]   Zha o  L .   and   Aravi nth an  V . ,  “ St rat eg ie s  of   Resi dent i al   Pe ak  Sh avi ng  Wi th   Int e gra t ion   of  De mand  Response  an d   V2H , ”   IE EE   PES A sia - Pa ci f ic Po wer  and  En ergy   Eng ine ering   C onfe renc e  ( AP P EE C) ,  2013,   pp.   1 – 5.     [13]   S.  H.   S.   S.   Sabe rba ril  E . ,   “ Utiliz ing  PR EYs  for   Peak - Shaving,  L oss   Reduc t ion  a nd  Volt age  Pr of il e   Improv ement   via   V2B Mode , ”   The  19th   E le c tri cal   Powe r Distri buti on  Conf ere n ce   ( EP DC2014) ,  2014,   pp.   59 – 65 .     [14]   D.  Jung,   Y.   Ji,   C.   Won,  T.  Lee ,   S.   Le e ,   K.   Se o,   “ Grid - Conne ct ed   E lectr i c  V e hic l es  Charg er   Stat ion   Based   o n   Li thi u m  Polym e r   Bat t ery   En erg y  Storage   Sys tem, ”   2010   IEEE  Ve hi cl e  Powe r  a nd  Propulsion  C onfe renc e ,  2010 ,   pp.   1 – 5 .     [15]   K.  N.   Mude ,   “ Bat tery  Ch arg in g  Method   for   E le c tri c   Veh ic l es:   F rom   W ire d   t o  On - Road   W ir el ess  Ch arg ing , ”   Chine se  Journal   of El e ct ri cal   En gine ering ,   vol .   4 ,   no .   4 ,   pp .   1 – 15 ,   2018.     [16]   C .   Qiu ,   K.   T.  Ch au,  C .   Li u ,   and   C.   C .   Chan ,   “ Ov erv ie w   of   W irele ss   Pow er  Tr ansf er   for   Elec t ric  V ehi c le  Charg ing, ”   Inte rnational   Ba tt ery ,   Hybr id   an d  Fuel  C el l   Elec t ric  V ehi c le Sy mp osium ,   2013.     [17]   M.  Hass an   and   A.  E .   Z awa wi,   “ Wi re le ss   power  t ran sfer  ( Wi re le s s  li ghti ng) , ”   201 5  5th  In te rnation al  Conf ere nce  o n  Information  &   C omm unic ati on  T ec hnolog y  and   A cc essibi li t y  (ICT A) ,  2015 ,   pp .   1 – 4.     [18]   Z .   Sun,  Q .   Chen ,   L .   Zh ang,   and  R .   Long ,   “ R ese a rch   on  Bidirec tional  W ireless  Pow er  Tra nsfer   Sys te m  for  El e ct ri c   Vehic l es, ”   2019   34 th   Youth   Ac a demic   Annual  C onfe renc e  o f  Ch ine se  Associat io n  of  Aut omation   (YAC) ,   vol.  4,     no.   19 ,   pp .   468 – 472,   2019 .     [19]   D .   Ahirra o,   B .   Gaware ,   P .   Kak ade ,   and  P .   Kha rad e,  “ Ana lysis  o f   Single   Phase   Matri x  Conver ter, ”   In t.   Journal  of  Engi ne ering  R ese arch  and  Appli cat ions ,   vol .   4 ,   n o.   3 ,   pp .   856 – 86 1,   2014 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch   202 1   :   286   –   294   294   [20]   P .   N .   A .   M .   Yun us ,   A .   Jus oh ,   an d  M .   K .   Hamzah ,   “ Pass ive   Da mp ing  Network  for  a  Single   Phase  Matri x  Conver ter   (SP MC)  Opera ti ng  As   a  Rec t i fie r, ”   Symposiu m  on  Industrial  El e ct ronics  an d  Appl i cat ions ,   vol.   7 ,   no.   11 ,     pp.   173 – 177 ,   20 11.     [21]   D .   Alashga r ,   K .   Fujiwar a,  and   N .   Nag aoka,  “ Fundame nt al   In vesti gation  of   Short - Range   In duct iv e  Coupl in g   Wi re le ss   Pow er   Tra nsm ission  by  Us ing  Seri e s - Serie s  Cap ac i t ive   Co mpe nsat i on  Topol ogy , ”   Journal  of   Asia n   El e ct ric   V ehi c le s ,   vol .   17 ,   no .   1 ,   2 019.     [22]   S.   Z .   M .   Noor ,   N.   F.   A .   Rah man ,   and   A.  M .   A ris,   “ Modeli ng   a nd  Simul at ion   o f  a   Singl e - Phase   Boost  AC - AC   Convert er   Us ing   Singl e - Phase   Matri x   Conver ter  Topo logy, ”   Int ernati onal   Conf ere nce  on   Comp ute r  Appl i cat ion s  and  Industria l E le c tronic s ,   pp.   2 08 – 213,   2011 .     [23]   S.  Subha,   “ Re alization  of   AC - AC  Converter  Us ing  Matr ix  Con ver te r , ”   World  Appl ie d   Sc ie n ces   Journal ,   vo l.  9,     no.   29 ,   pp .   1117 – 1122,   2014 .     [24]   Z .   Zainuddin ,   R .  Bah aro m,  I .   M .   Yass in ,   and   K .   S .   Muham ma d ,   “ Solid - State   Trans forme r  (S2T)   of  Singl e  Phase   Matri x   Converte r, ”   Int ernati onal   Journal   of   Pow er  E le c tronic s   a nd  Dr iv e   S yste m   (IJ PE DS) ,   vo l.  9,   no .   3,   pp .   997 – 1005,   2018 .     [25]   I .   S .   A.   Razak,  R .   I .   Z .   R .   Z .   Ha shima ,   and   S .   N .   M .   Soid,  “ A  De sign  of  Single   P hase   Bridg e  Full - wave   Re ct if ie r , ”   Confe renc e  on   Language,   Educ a t ion,   Engi ne ering   and  Techno logy ,  2016 ,   v ol .   2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.