전기차 무선 전력 전송(WPT) 자기 공명 결합 & 1,000Hz 0-Alloc C# 정합 회로 임피던스 추적 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.WirelessPowerTransfer
{
    /// <summary>
    /// 자기 공명 WPT 임피던스 정합 서보 상태
    /// 0-Alloc ref struct: GC 압박 완전 배제 (1,000Hz 실시간 제어 루프)
    /// </summary>
    public ref struct WptImpedanceState
    {
        public float InverterFrequencyHz;    // 인버터 구동 주파수 [Hz] (기본 85 kHz)
        public float CouplingCoeffK;         // 추정 결합 계수 k (0.05 ~ 0.35)
        public float PrimaryCurrentRms;      // 1차측 송신 코일 전류 RMS [A]
        public float SecondaryPowerWatts;    // 2차측 수신 충전 전력 [W]
        public float TransmissionEfficiency; // 전송 효율 (0.0 ~ 1.0)
        public float VoltageCurrentPhaseDeg; // 전압-전류 위상차 (ZVS 판정용)
        public float MatchingCapacitanceNf;  // 정합 회로 가변 커패시턴스 [nF]
        public bool IsZvsAchieved;           // 영전압 스위칭 달성 여부
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 무할당 WPT 자기 공명 결합 임피던스 추적 서보 엔진
    /// </summary>
    public static class WptResonanceServoEngine
    {
        // 공진 코일 물리 상수 (SAE J2954 표준 85kHz 대역)
        private const float NominalFreqHz = 85000.0f;       // 85 kHz
        private const float L1_Henry = 68.0e-6f;            // 송신 코일 68 uH
        private const float L2_Henry = 68.0e-6f;            // 수신 코일 68 uH
        private const float R1_Ohm = 0.25f;                 // 송신 코일 내부 저항
        private const float R2_Ohm = 0.25f;                 // 수신 코일 내부 저항
        private const float OptimalLoadOhm = 15.0f;         // 정격 부하 저항

        /// <summary>
        /// 1,000Hz (1ms) 단일 실행 프레임: 위상차 및 전력 모니터링 기반 주파수/커패시터 능동 동조
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void UpdateFrame(
            ref WptImpedanceState state,
            float measuredV_Rms,
            float measuredI_Rms,
            float measuredPhaseDeg,
            float measuredP_Out,
            float dtSeconds)
        {
            state.PrimaryCurrentRms = measuredI_Rms;
            state.SecondaryPowerWatts = measuredP_Out;
            state.VoltageCurrentPhaseDeg = measuredPhaseDeg;

            // 1) 전송 효율 계산
            float inputPowerWatts = measuredV_Rms * measuredI_Rms * MathF.Cos(measuredPhaseDeg * (MathF.PI / 180.0f));
            state.TransmissionEfficiency = (inputPowerWatts > 10.0f) ? MathF.Min(0.98f, measuredP_Out / inputPowerWatts) : 0.0f;

            // 2) 결합 계수 k 추정: 상호 인덕턴스 전압 유도 성분 역산
            float omega = 2.0f * MathF.PI * state.InverterFrequencyHz;
            float inducedRatio = (measuredI_Rms > 0.1f) ? (measuredP_Out / (measuredI_Rms * measuredI_Rms * OptimalLoadOhm)) : 0.0f;
            float estimatedM = MathF.Sqrt(MathF.Max(0.0f, inducedRatio)) / (omega + 1e-4f);
            state.CouplingCoeffK = MathF.Min(0.5f, MathF.Max(0.02f, estimatedM / MathF.Sqrt(L1_Henry * L2_Henry)));

            // 3) 주파수 분열(Frequency Splitting) 감지 및 임피던스 정합
            // 위상차가 +2도 ~ +8도 사이의 미소 유도성(Inductive) 구간일 때 ZVS 최적
            float targetPhaseDeg = 5.0f;
            float phaseError = measuredPhaseDeg - targetPhaseDeg;

            // 주파수 미세 조절 (0-Alloc 적분기)
            float freqKp = 150.0f; // [Hz/deg]
            state.InverterFrequencyHz -= phaseError * freqKp * dtSeconds;
            state.InverterFrequencyHz = MathF.Min(90000.0f, MathF.Max(80000.0f, state.InverterFrequencyHz));

            // 4) 가변 커패시터 매트릭스 튜닝 (공진 주파수 정합)
            float omegaTarget = 2.0f * MathF.PI * state.InverterFrequencyHz;
            float idealC = 1.0f / (omegaTarget * omegaTarget * L1_Henry);
            state.MatchingCapacitanceNf = idealC * 1.0e9f; // nF 단위 변환

            // 5) ZVS 달성 여부 판정
            state.IsZvsAchieved = (measuredPhaseDeg >= 1.0f) && (measuredPhaseDeg <= 10.0f) && (state.TransmissionEfficiency > 0.85f);
        }
    }
}