FEM analysis of the dynamic wireless power transfer for electric road systems

The International Energy Agency (IEA) in the Tracking Transport 2020 reported that the transport sector is responsible for the 24% of direct CO2 emissions worldwide from fuel combustion. Three-quarters of this percentage of emissions is mainly due to road vehicles as cars, two-wheelers, buses and trucks. In recent years, companies of the transport sector are increasingly investing in the electric mobility and in the technologies related to the electric vehicles in order to limit the negative impact that these emissions have on the environment. Along with these trends a lot of studies are arising to support the project and to try to solve the issues related to this type of vehicles. Two of their principal limitations are the reduced vehicle range caused by the battery and the charging times of the latter. In this work one of the technologies which could help to overcome the limitations above mentioned is analysed, the so-called dynamic wireless charging of electric vehicles. This technology consists in the charging of the electric vehicle when this is in motion, through the wireless power transfer (WPT) principle. Various types of power pad are analysed and the one with most suitable feature for the dynamic wireless power transfer is chosen. The power pads differ constructively for the way the coils are shaped. The pad is then designed following the international standards and simulated in Ansys Maxwell, analysing how the coupling coefficient (k) varies in different situations of misalignments and the effects that the addition to the pad of ferrite tiles and aluminium plate cause on the k value and on the magnetic field. Then, through Ansys Simplorer, an analysis on the power transfer efficiency between the transmitter and the receiver pad is conducted.

Come riportato dall’International Energy Agency (IEA), il settore dei trasporti è responsabile del 24% delle emissioni dirette di CO2 a livello mondiale. Di questa percentuale di emissioni, i tre-quarti sono da attribuire a mezzi di trasporto su strada quali automobili, motociclette, autobus e autocarri. Per cercare di limitare l’impatto negativo che queste emissioni hanno sull’ambiente, negli ultimi anni le aziende del settore stanno investendo sempre di più nella mobilità elettrica e nelle tecnologie correlate ai veicoli elettrici. Di conseguenza sono nati molti studi sia a supporto di tale progetto sia con l’intento di risolvere le problematiche che ad oggi questa tipologia di veicoli presenta. Tra queste le principali sono l’autonomia ridotta della batteria e i tempi di ricarica della stessa. In questo lavoro di tesi viene analizzata una delle tecnologie che potrebbe eliminare le limitazioni sopra citate, la ricarica wireless dinamica dei veicoli elettrici. Tale tecnologia consiste nella ricarica della batteria del veicolo elettrico mentre quest’ultimo è in movimento, attraverso il principio della trasmissione wireless di potenza (WPT). Mediante un’analisi dei diversi pad di potenza, i quali sul piano costruttivo si differenziano per il modo in cui la bobina conduttrice è modellata, viene scelto quello più adatto a questo tipo di ricarica. Il pad è poi modellato seguendo gli standard internazionali e simulato attraverso il software Ansys Maxwell. Si analizza come varia il coefficiente di accoppiamento (k) tra le due bobine in differenti situazioni di disallineamento e gli effetti che produce l’aggiunta al pad della ferrite e dell’alluminio sui valori di k e sul campo magnetico. Infine, attraverso Ansys Simplorer, viene condotta un’analisi sull’efficienza del trasferimento di potenza dal pad trasmittente al pad ricevente.