Design and optimization of DC-DC converters for wireless power transfer systems

The use of electric vehicles is becoming increasingly widespread in order to prevent environmental pollution and due to the daily decrease in fossil fuels. The widespread use of electric vehicles has also accelerated the advancement of technologies in this field, and many scientists have conducted studies on electric vehicles. These studies have also focused on range, one of the biggest problems of electric vehicles. Despite the rapid advancement of other technologies, battery technology has progressed more slowly due to the difficulty in obtaining the elements used in batteries. Battery sizes and volumes are decreasing day by day, and the range of vehicles is increasing. Increasing the range of electric vehicles by increasing the number of batteries also increases the cost of electric vehicles. To reduce these costs, efforts have increased to reduce the number of batteries while maintaining the same range or achieving longer ranges. Additionally, wireless charging systems have begun to be used in electric vehicles, particularly with dynamic wireless charging systems that allow batteries to be charged while the vehicle is in motion. This has shown that longer ranges can be achieved using fewer batteries. This thesis examines the WPT system in general, with a particular focus on the power electronics circuits used in the system. Three different DC-DC converter designs and optimisations that can be used in WPT systems were developed using the PSIM simulation programme. The advantages and disadvantages of the power electronics circuits used in WPT systems relative to one another have been identified. The control methods of these circuits have been described in detail, and their operating principles have been discussed. The three simulated circuits have been compared in many respects.

L'uso dei veicoli elettrici sta diventando sempre più diffuso al fine di prevenire l'inquinamento ambientale e a causa della diminuzione quotidiana dei combustibili fossili. L'uso diffuso dei veicoli elettrici ha anche accelerato il progresso delle tecnologie in questo campo e molti scienziati hanno condotto studi sui veicoli elettrici. Questi studi si sono concentrati anche sull'autonomia, uno dei maggiori problemi dei veicoli elettrici. Nonostante il rapido progresso di altre tecnologie, la tecnologia delle batterie ha registrato progressi più lenti a causa della difficoltà di ottenere gli elementi utilizzati nelle batterie. Le dimensioni e il volume delle batterie stanno diminuendo di giorno in giorno e l'autonomia dei veicoli sta aumentando. Aumentare l'autonomia dei veicoli elettrici aumentando il numero di batterie comporta anche un aumento del costo dei veicoli elettrici. Per ridurre questi costi, sono stati intensificati gli sforzi per ridurre il numero di batterie mantenendo la stessa autonomia o ottenendo autonomie maggiori. Inoltre, nei veicoli elettrici hanno iniziato a essere utilizzati sistemi di ricarica wireless, in particolare sistemi di ricarica wireless dinamici che consentono di ricaricare le batterie mentre il veicolo è in movimento. Ciò ha dimostrato che è possibile ottenere autonomie maggiori utilizzando un numero inferiore di batterie. Questa tesi esamina il sistema WPT in generale, con particolare attenzione ai circuiti elettronici di potenza utilizzati nel sistema. Sono stati sviluppati tre diversi progetti di convertitori CC-CC e ottimizzazioni che possono essere utilizzati nei sistemi WPT utilizzando il programma di simulazione PSIM. Sono stati identificati i vantaggi e gli svantaggi dei circuiti elettronici di potenza utilizzati nei sistemi WPT rispetto agli altri. Sono stati descritti in dettaglio i metodi di controllo di questi circuiti e sono stati discussi i loro principi di funzionamento. I tre circuiti simulati sono stati confrontati sotto molti aspetti.