Finite element analysis of different wireless charging pad topologies for electric vehicle applications

In the context of global climate change, there is an increasing emphasis on reducing the emissions of greenhouse gases such as CO2 and replacing conventional energy sources with renewable alternatives. The automotive sector is no exception to this; the global market share of electric vehicles is growing year by year. However, electric vehicles also face significant drawbacks, such as long charging times, limited battery capacity, and insufficient battery lifespan. Although the rapid expansion of charging infrastructure has mitigated these issues to some extent, it has not yet succeeded in overcoming the inherent problems with the physical properties of batteries. Recently, however, wireless power transfer (WPT) technology has begun to alter this scenario. As a contactless charging method, WPT enables vehicles to start charging automatically upon entering a designated area without any further intervention. Furthermore, advanced dynamic WPT systems allow vehicles to charge while in motion, thereby extending their driving range. However, current dynamic WPT techniques have shortcomings, in particular misalignment tolerance, which limit the scenarios in which WPT techniques can be used. This thesis utilizes finite element analysis software, the Ansys Maxwell, as a tool to analyze dynamic WPT pad configurations. A model simplification method, that significantly reduces computational load while still obtaining self-inductance and mutual-inductance values that are reasonably close to those produced by a detailed model, was employed in the thesis. In the simulation section, models of circular, rectangular, DD, DDQ, BP, and a novel structure of interest, the SPS-TC configuration, were constructed and simulated using Ansys Maxwell. For each structure, the magnetic flux distribution, coupling coefficient, and misalignment characteristics were discussed in detail. During the comparative analysis phase, the advantages and disadvantages of the various configurations were evaluated under different application scenarios. Finally, certain limitations and potential improvement measures are discussed.

Nel contesto del cambiamento climatico globale, si sta ponendo un accento sempre maggiore sulla riduzione delle emissioni di gas serra, come il CO2, e sulla sostituzione delle fonti energetiche convenzionali con alternative rinnovabili. Il settore automobilistico non fa eccezione a questa tendenza; la quota di mercato globale dei veicoli elettrici aumenta di anno in anno. Tuttavia, i veicoli elettrici presentano anche notevoli svantaggi, quali lunghi tempi di ricarica, capacità della batteria limitata e durata della batteria insufficiente. Sebbene la rapida espansione dell'infrastruttura di ricarica abbia in qualche misura mitigato tali problemi, essa non è ancora riuscita a superare le problematiche intrinseche alle proprietà fisiche delle batterie. Recentemente, tuttavia, la tecnologia di trasmissione di energia wireless (WPT) ha iniziato a modificare questo scenario. In quanto metodo di ricarica senza contatto, la WPT consente ai veicoli di iniziare a ricaricarsi automaticamente al momento dell'ingresso in un'area designata, senza ulteriori interventi. Inoltre, i sistemi WPT dinamici avanzati permettono ai veicoli di ricaricarsi durante il movimento, estendendo così l'autonomia di guida. Tuttavia, le tecniche WPT dinamiche attuali presentano alcune carenze, in particolare per quanto riguarda la tolleranza al disallineamento, che limitano gli scenari applicativi in cui tali tecnologie possono essere impiegate. Questa tesi si avvale del software di analisi agli elementi finiti, Ansys Maxwell, come strumento per analizzare le configurazioni dei pad WPT dinamici. È stato impiegato un metodo di semplificazione del modello, che riduce notevolmente il carico computazionale pur ottenendo valori di autoinduttanza e mutua induttanza ragionevolmente prossimi a quelli ottenuti con un modello dettagliato. Nella sezione di simulazione sono stati costruiti e simulati, utilizzando Ansys Maxwell, modelli di configurazioni circolari, rettangolari, DD, DDQ, BP e di una nuova struttura di interesse, la configurazione SPS-TC. Per ciascuna struttura sono stati analizzati in dettaglio la distribuzione del flusso magnetico, il coefficiente di accoppiamento e le caratteristiche di disallineamento. Durante la fase di analisi comparativa sono stati valutati i vantaggi e gli svantaggi delle diverse configurazioni in differenti scenari applicativi. Infine, vengono discusse alcune limitazioni e possibili misure di miglioramento.