Design of wireless power transfer coil useful in high power charging of electric vehicle

Inductive power transfer (IPT) technology is becoming more and more attractive for electric vehicle charging due to its safe, flexible and convenient features such as no need to plug the cable, just park and forget as the transfer of energy does not need any cables it can start once aligned with the receiver. Although attractive, IPT suffers from the large leakage inductance, especially when there is misalignment between the pads. The misalignment reduces the coefficient of coupling and hence reduces the overall efficiency of the system. The aim of this thesis is to design and simulate the Bipolar Pad in order to have a higher power available in the receiver side which can be utilised for fast charging of the battery and also have a system which has higher tolerance for misalignment. Hence we propose here the use of double-sided LCC compensation network with which the resonant frequency is independent of load condition and coupling coefficient, thus system can work in wider range of frequency and have better efficiency. The proposed model here is Bipolar Pad with modular design as each of the transmitter coils are independently driven by the source so if there is no sufficient alignment with the receiver coil then each of the coil can be turned off independently. Even the receiver side coils with the battery system is kept independent to each other so that in case of misalignment there is no circulating current between the two coils. Even BPP being in receiver side can be interoperable to work with other pad structure like from Circular pad transmitter. The model is simulated and verified using the Finite Element Analysis of Ansys Maxwell to find the proper coefficient of coupling, core loss, magnetic saturation and using the power electronics model in Ansys Simplorer to find the amount of power which can be transferred using this model. This thesis is presently limited to only the transfer of power between the coils and the converters involved for AC/AC and AC/DC conversion is not taken into consideration. An ideal voltage source with a frequency of 85KHz is considered and the load is considered as a equivalent resistor for the limitation of this thesis.

Le tecnologie per il trasferimento di potenza elettrica per via induttiva (IPT) applicate alla ricarica dei veicoli elettrici stanno diventando sempre più di interesse grazie alle loro caratteristiche di sicurezza, flessibilità e convenienza, come ad esempio la mancanza del cavo di collegamento: basta parcheggiare il veicolo in modo che trasmettitore e ricevitore siano allineati perché il trasferimento di energia possa avere inizio. Anche se adatta alla ricarica dei veicoli, la tecnologia IPT presenta alcune limitazioni principalmente dovute all’elevata induttanza di dispersione, soprattutto quando i pad sono disallineati. Il disallineamento riduce il coefficiente di accoppiamento e quindi riduce l'efficienza complessiva del sistema. Lo scopo di questa tesi è quello di progettare e simulare un pad di tipo bipolare in modo da massimizzare la potenza disponibile al ricevitore, che è utilizzato per la ricarica rapida della batteria di un veicolo elettrico, e garantire anche una maggiore tolleranza al disallineamento dell’intero sistema. Viene analizzato l’utilizzo di una rete di compensazione LCC sia sul lato di trasmissione che sul lato di recezione: tale schema di compensazione permette di rendere indipendente la frequenza di risonanza dalla condizione di carico e dal coefficiente di accoppiamento. Ciò permette al sistema IPT di funzionare in una più ampia gamma di frequenze ed avere una migliore efficienza. Il modello proposto in questo lavoro è un pad bipolare dal design modulare, in quanto ciascuna delle bobine del trasmettitore è alimentata da una sorgente indipendente; nel caso in cui vi sia un disallineamento elevato, ogni singolo avvolgimento può essere disattivato in modo indipendente. Anche le bobine del ricevitore sono indipendenti l'una dall'altra, in modo che in caso di disallineamento non vi sia corrente di circolazione tra le due bobine. Anche il pad bipolare lato ricevitore può essere interoperabile, per lavorare con pad di altra forma e struttura come ad esempio un trasmettitore formato da un pad circolare. Il modello dei pad è simulato e verificato utilizzando l'analisi agli Elementi Finiti di Ansys Maxwell al fine di calcolare il corretto coefficiente di accoppiamento, le perdite nel nucleo e gli effetti della saturazione magnetica. Il modello dell’intero sistema di trasmissione dell’energia è implementato in Ansys Simplorer, da esso si ricava la quantità di potenza che può essere trasferita utilizzando questo sistema. Questa tesi è attualmente limitata solo all’analisi del trasferimento di potenza tra i pad, il modello dettagliato dei convertitori AC/DC e DC/AC utilizzati per la conversione dell’energia non sono presi in considerazione. L’alimentazione AC in alta frequenza è rappresentata da un generatore di tensione ideale con una frequenza di 85 kHz, mentre il carico è rappresentato da resistenza equivalente.