Thermal analysis of dynamic wireless power transfer system: impact of pad structure and material selection on energy loss and heating

With the rapid growth of electric vehicles (EVs), there is increasing demand for efficient and reliable charging technologies. Among emerging solutions, dynamic wireless power transfer (DWPT) offers the potential to charge EVs while in motion, increasing driving range and reducing battery size requirements. However, DWPT systems operate at high frequencies and involve complex electromagnetic coupling, which lead to significant thermal challenges due to losses in magnetic and conductive materials. Unmanaged heat can reduce efficiency, accelerate material aging, and pose safety risks. This thesis aims to address the thermal issue by evaluating how different pad structures, magnetic core materials, and shielding materials affect the thermal behavior of wireless charging systems through coupled electromagnetic–thermal simulations. A series of simulation models are developed in ANSYS Maxwell and Icepak incorporating different combinations of pad structures, core materials, and shielding materials. Three common pad structures—DD, Bipolar, and DDQ—are selected, and each structure is simulated with five magnetic core materials and two shielding materials, resulting in thirty unique configurations. Core materials include ferrite, powder core, amorphous alloy, and nanocrystalline alloy types, all modeled with properties and loss models based on manufacturer data. Shielding plates, made of either copper or aluminum, are placed symmetrically on the transmitter and receiver sides, and are geometrically consistent across all simulations. Electromagnetic losses are first calculated by eddy current analysis in Maxwell, then transferred to Icepak for steady-state thermal analysis under natural convection. This process enables a detailed comparison of the thermal performance of each configuration. From simulations, key performance results are extracted, including core loss, eddy current loss on the shielding plates, temperature distribution, and peak temperature. These results are analyzed for all combinations of pad geometry and core material. The entire procedure is first carried out using aluminum shielding, then repeated with copper shielding. This comprehensive evaluation highlights the impact of structural and material choices on the thermal performance of high-frequency wireless charging pads.

Con la rapida crescita dei veicoli elettrici, vi è una crescente domanda di tecnologie di ricarica efficienti e affidabili. Tra le soluzioni emergenti, il trasferimento di potenza wireless dinamico offre il potenziale per ricaricare i veicoli durante il movimento, aumentando l’autonomia di guida e riducendo le dimensioni richieste della batteria. Tuttavia, i sistemi DWPT operano ad alte frequenze e coinvolgono un accoppiamento elettromagnetico complesso, che comporta sfide termiche significative a causa delle perdite nei materiali magnetici e conduttivi. Il calore non gestito può ridurre l’efficienza, accelerare l’invecchiamento dei materiali e rappresentare un rischio per la sicurezza. Questa tesi mira ad affrontare il problema termico valutando come diverse strutture di pad, materiali del nucleo magnetico e materiali schermanti influenzino il comportamento termico dei sistemi di ricarica wireless attraverso simulazioni accoppiate elettromagnetiche-termiche. Una serie di modelli di simulazione sono stati sviluppati in ANSYS Maxwell e Icepak, incorporando diverse combinazioni di strutture di pad, materiali del nucleo e materiali schermanti. Sono state selezionate tre strutture comuni di pad—DD, Bipolare e DDQ—e ciascuna è stata simulata con cinque materiali del nucleo magnetico e due materiali schermanti, per un totale di trenta configurazioni uniche. I materiali del nucleo includono tipi in ferrite, nuclei in polvere, leghe amorfe e leghe nanocristalline, tutti modellati utilizzando proprietà e modelli di perdita basati su dati dei produttori. Le piastre schermanti, realizzate in rame o alluminio, sono posizionate simmetricamente sul lato trasmettitore e ricevitore, e mantengono geometrie coerenti in tutte le simulazioni. Le perdite elettromagnetiche sono prima calcolate tramite analisi delle correnti parassite in Maxwell, quindi trasferite a Icepak per l’analisi termica in stato stazionario in convezione naturale. Questo processo consente un confronto dettagliato delle prestazioni termiche di ciascuna configurazione. Dalle simulazioni vengono estratte risultati chiave delle prestazioni, tra cui la perdita nel nucleo, la perdita per correnti parassite sulle piastre schermanti, la distribuzione della temperatura e la temperatura massima. Questi risultati vengono analizzati per tutte le combinazioni di geometria dei pad e materiali del nucleo. L’intera procedura viene inizialmente eseguita utilizzando schermatura in alluminio, quindi ripetuta con schermatura in rame. Questa valutazione completa mette in evidenza l’impatto delle scelte strutturali e dei materiali sulle prestazioni termiche dei pad di ricarica wireless ad alta frequenza.