Studio di fattibilità, adeguamento normativo e dimensionamento di un wireless power transfer system da 50 kW

The present thesis work is devoted to presenting the preliminary design of a Wireless Power Transfer System sized to transfer 50 kW with an air gap of 30 cm. In the first part of the study an analysis of the state of the art and the various technologies used for the construction of these devices is carried out. It has been assessed that, though using wireless energy transfers systems for charging batteries of electrical vehicles has many potential disruptive application, there are not international (world-wide accepted) standard design methods in literature. From this preliminary study we can deduce that the inductive magnetic coupling is the most suitable technique to transfer electrical energy through a WPT system. Moreover, the international legislation on the maximum exposure levels is analyzed. In particular, we go through the tools and mechanisms on which magnetic exposure measurements are computed. An overview of the software and methods used for the design and the study of the compliance for human health is presented. At the end of the chapter a systematic analysis is carried out on the main pathologies related to electromagnetic fields, in fact, there are many differences among country legislation’s in terms of guidelines and procedures/protocol. It follows that a product can be marketed in one state, while can be considered harmful in another and thus banned from the respective market. Furthermore, the preliminary design of the wireless energy transfer system will be deeply inspected, based on the finite element modeling (FEM) simulated in the Ansys Maxwell environment. The chosen configuration for the transmitter pad winding is double D, while the receiver pad winding is the DDQ type. The parameters of the equivalent circuit have been inferred from the FEM simulation. The entire system is compensated by SPS compensation (series parallel series), so that the reactive power generated by the power inverter is almost zero. Finally, it has been verified that, in nominal working condition, the magnetic induction value in the ferrites is lower than the saturation value. This thesis work has demonstrated that the feasibility study requirement for the realization of the project are fully met. The next step of this project deal with the realization of a first prototype.

Questo lavoro di tesi presenta la progettazione preliminare di un Wireless Power Transfer System dimensionato per trasferire 50 kW con un air gap di 30 centimetri. Nel seguente elaborato viene d’dapprima effettuato uno studio riguardante lo stato dell’arte e le varie tecnologie utilizzate per la costruzione di tali apparecchi. Sebbene l'uso di sistemi per il trasferimento wireless dell’energia applicato alla ricarica delle batterie di veicoli elettrici presenti numerosi vantaggi, in letteratura non esiste un metodo di progettazione standardizzato nel dettaglio. Da questo studio preliminare si deduce che la tecnica più adatta allo scopo è il trasferimento d’energia tramite l’accoppiamento magnetico induttivo. Successivamente si analizza la normativa internazionale in merito ai livelli massimi d’esposizione, attraverso quali strumenti e meccanismi sono effettuate le misurazioni e viene presentata una panoramica dei software e dei metodi utilizzati per la progettazione e lo studio di conformità per la salute umana. Al termine del capitolo viene effettuata un’analisi sistematica riguardo le principali patologie legate ai campi elettromagnetici. In conclusione si riscontra la non univocità a livello internazionale in materia legislativa, in quanto vi sono delle linee guide che sono state recepite dai vari stati in tempi e modi differenti. Ne consegue che un prodotto può essere commercializzato in uno stato, mentre essere considerato nocivo e quindi bandito dal mercato, in un altro. Il progetto preliminare del sistema per il trasferimento wireless dell’energia si basa sulla modellazione agli elementi finiti (FEM) dello stesso in ambiente Ansys Maxwell. Si è scelta una configurazione in cui l’avvolgimento del pad trasmettitore è a doppia D, mentre l’avvolgimento del pad del ricevitore è di tipo DDQ. Dalla simulazione FEM sono stati dedotti i parametri del circuito equivalente. L’intero sistema è compensato mediante compensazione SPS (serie parallelo serie), in modo che la potenza reattiva generata dall’inverter di alimentazione sia pressoché nulla. Si è infine verificato che, nella condizione di lavoro nominali, il valore d’induzione magnetica nelle ferriti sia inferiore al valore di saturazione. Questo lavoro presenta lo studio di fattibilità di un sistema di tipo wireless power transfer dimensionato per 50 kW, mostrando i vari step di progettazione affinché esso possa essere realizzato. Questa tesi non è un punto d’arrivo, ma un punto di partenza per la fase di realizzazione e costruzione.