FEM analysis and optimization of pad types and materials for dynamic wireless power transfer systems

The transition from conventional vehicles to electric vehicles is accelerating day by day. High CO2 emission, dependence of fossil fuels, low efficiency are the main reasons of this transition. Besides, electric vehicles do not only have higher efficiency but also have lower energy cost, simpler design in motor and transmission system comparing to the conventional vehicles. Although, they have many advantages, some drawbacks of electric vehicles are still a matter of concern. Low specific energy is one of the biggest weaknesses. The specific energy of internal combustion engine fuels is much greater than the batteries. Therefore, in order to obtain same energy, the weight of the battery needs to be quite high. The consequence of this problem is either designing a heavy vehicle and space occupation by the battery package or low range with smaller battery size. Another drawback is the long charging times. In conventional vehicles, the fuel tank can be filled within just a few minutes. However, even with the fast-charging stations, fully charging an electric vehicle may take more than 30 minutes. The dynamic wireless charging allows to charge the battery while travelling. Thanks to this system, the range of the vehicle can be increased and the battery size can be decreased. In this thesis, a dynamic wireless power transfer is modeled on Ansys/Maxwell software. After analyzing the results, the shielding effect is observed by using aluminum and copper shields respectively. Besides, different ferromagnetic materials are added, simulated and compared to each other. The coupling coefficient which shows the interaction between the transmitter and receiver pads is analyzed for each scenario. Finally, different weather conditions and their impact on the performance are observed. Since it is a dynamic wireless power transfer, all scenarios are performed for misalignment cases.

La transizione dai veicoli convenzionali ai veicoli elettrici sta accelerando di giorno in giorno. Elevate emissioni di CO2, dipendenza dai combustibili fossili, bassa efficienza sono le ragioni principali di questa transizione. Inoltre, i veicoli elettrici non solo hanno una maggiore efficienza, ma hanno anche un costo energetico inferiore, un design più semplice nel motore e nel sistema di trasmissione rispetto ai veicoli convenzionali. Sebbene abbiano molti vantaggi, alcuni svantaggi dei veicoli elettrici sono ancora motivo di preoccupazione. La bassa energia specifica è uno dei maggiori punti deboli. L'energia specifica dei carburanti per motori a combustione interna è molto maggiore di quella delle batterie. Pertanto, per ottenere la stessa energia, il peso della batteria deve essere piuttosto elevato. La conseguenza di questa problema è la progettazione di un veicolo pesante e l'occupazione di spazio da parte del pacco batteria o una autonomia del veicolo bassa con dimensioni della batteria inferiori. Un altro svantaggio sono i lunghi tempi di ricarica. Nei veicoli convenzionali, il serbatoio del carburante può essere riempito in pochi minuti. Tuttavia, anche con le stazioni di ricarica rapida, la ricarica completa di un veicolo elettrico può richiedere più di 30 minuti. La ricarica wireless dinamica consente di ricaricare la batteria durante il viaggio. Grazie a questa sistema, è possibile aumentare l'autonomia del veicolo e ridurre la capacità della batteria. In questa tesi, un trasferimento di potenza wireless dinamico è modellato sul software Ansys/Maxwell. Dopo aver analizzato i risultati, l'effetto di schermatura viene osservato utilizzando rispettivamente schermature in alluminio e rame. Inoltre, diversi materiali ferromagnetici vengono aggiunti, simulati e confrontati tra loro. Il coefficiente di accoppiamento che mostra l'interazione tra i pad del trasmettitore e del ricevitore viene analizzato per ogni scenario. Infine, vengono osservate come le diverse condizioni meteorologiche influenzano sulla performance. Poiché si tratta di un trasferimento di potenza wireless dinamico, tutti gli scenari vengono eseguiti per i casi di disallineamento.