Foreign object detection in wireless-power-transfer charging systems for electric vehicles

Over the past years, electric vehicles (EVs) have become an increasingly attractive mobility solution. Consequently, the research for an adequate, efficient and safe recharging system is constantly in progress. Alternative charging systems have been proposed by the world of engineering and wireless charging presents a good solution to some requirements such as the need for frequent, high-performance and safe charging for users. However, among the various research topics of this type of recharge there is the concept of Foreign Object Detection (FOD) for metal object (Screws, tools, coin etc.) and living objects (animals or people). The Field-Based method is a good compromise between results accuracy and cost containment. Different methods are often necessary for detecting metal and living objects separately. In this thesis a new Field-Based method is proposed with the advantage of being able to detect metal and living objects with the same device. The Detection coil and a sensing circuit are the characterizing and fundamental elements of the method; these components are designed through a simulation path with Electromagnetic and circuital simulation software. Furthermore, a laboratory experimental validation was carried out to confirm the results obtained. The project is organized through five chapters. In the first chapter the background of the thesis topic is reported, from the motivation of alternative charging systems for electric vehicles, to wireless charging and the concept of foreign objects detection. Finally, an overview of the current FOD methods is presented. In Chapter 2 the Field-Based method, both for the detection of Metal Objects (MOD) and for the detection of Living Objects (LOD) was chosen as a research topic and a state of the art is reported through a summary of the most current works in literature. In Chapter 3 the model of the proposed Field-based method is developed focusing on the design of the detection coil, which consist of a sensing pattern suitable for the detection of foreign objects. The design consists of a path of Electrostatic and Eddy Current simulations with the ANSYS software of the various parameters of the detection coil, and laboratory measurements to confirm the results obtained. In Chapter 4 a second simulation part of this thesis is carried out with the aim of designing the sensing circuit of the proposed method. The simulations were carried out through the LTspice software. Finally, in Chapter 5, conclusions and possible future works are reported based on the results obtained in the previous chapters. The proposed method satisfies the objective set for a single method for the detection of both metal objects (MOs) and living objects (LOs), presenting sensitivity results comparable with the current state of the art of FOD methods. The detection of the position of the object (DoP) is another important result obtained. The flexibility in the design of some parameters for the method makes it adaptable to different applications in wireless power transfer.

Nel corso degli anni, il graduale inserimento di veicoli elettrici (EVs) nel settore della mobilità risulta essere una soluzione sempre più convincente. Come diretta conseguenza, è in continuo sviluppo la ricerca di un sistema di ricarica adeguato, efficiente e sicuro. Fra le varie tipologie studiate, la ricarica wireless rappresenta una tecnologia ottimale per soddisfare la necessità di una ricarica frequente, ad alte prestazioni e sicura per gli utenti. Tuttavia, tra i molteplici problemi di ricerca affrontati in questo campo è di particolare interesse lo studio della rilevazione di oggetti estranei (FOD) nello spazio di ricarica; nello specifico si considerano oggetti metallici (viti, chiavi, monete ecc.) ed oggetti “viventi”, ovvero animali o persone. Il metodo di rilevamento Field-Based è un efficace compromesso tra accuratezza dei risultati e contenimento dei costi. In genere, questo metodo presenta proprietà intrinseche dei componenti differenti per rilevare oggetti metallici e/o viventi. In questa tesi, viene proposto un nuovo metodo Field-Based con il vantaggio di poter rilevare oggetti metallici e viventi con un unico dispositivo. Gli elementi caratterizzanti e fondamentali del metodo sono una bobina di rilevamento (Detection Coil) ed un circuito sensitivo (Sensing Circuit). Questi componenti sono ideati tramite un percorso di simulazioni elettromagnetiche, un’analisi circuitale ed una validazione sperimentale. Il lavoro è organizzato in cinque capitoli. Nel primo capitolo viene riportato il background dell'argomento di tesi; In primo luogo si motivano sistemi di ricarica alternativi per i veicoli elettrici e si evidenzia la convenienza della ricarica wireless. Successivamente, viene esposta la problematica e la casistica degli oggetti estranei in questo contesto. Per concludere, viene presentata una panoramica degli attuali metodi di rilevamento (FOD). Nel capitolo 2 è stato scelto il metodo Field-Based come argomento di ricerca e viene riportato un attuale stato dell'arte della tecnologia sia per il rilevamento di oggetti metallici (MOD) che per il rilevamento di oggetti viventi (LOD). Nel capitolo 3 viene sviluppato il modello del metodo Field-Based proposto, incentrato sulla progettazione della bobina di rilevamento, la quale consiste in un percorso sensitivo adatto al rilevamento di corpi estranei. Il design prevede diverse simulazioni Elettrostatiche ed Elettromagnetiche realizzate con il software ANSYS per l’ottimizzazione dei parametri della bobina. In seguito, i risultati ottenuti vengono validati tramite delle misurazioni sperimentali su un prototipo reale. Nel capitolo 4 viene condotta una seconda parte di simulazioni con l'obiettivo di teorizzare un circuito sensitivo per il metodo proposto. In questa sezione, il circuito viene simulato tramite il software LTspice. Infine, nel capitolo 5, sono riportate le conclusioni e possibili lavori futuri basati sui risultati ottenuti nei capitoli precedenti. Il metodo proposto soddisfa lo scopo fissato di un unico metodo Field-Based per il rilevamento sia di oggetti metallici (MO) che di oggetti viventi (LO), presentando risultati, in termini di sensibilità, comparabili con gli attuali metodi presenti in letteratura. Il rilevamento della posizione dell'oggetto (DoP) è un ulteriore importante risultato ottenuto. Inoltre, la flessibilità nella scelta di alcuni parametri di progetto, rende il lavoro adattabile a diverse applicazioni nell’ambito del trasferimento di energia wireless.