Design and comparative analysis of an interleaved CLCLC resonant Dual Active Bridge (DAB) converter for high-efficiency wireless Electric Vehicle (EV) charging

This thesis focuses on the design and analysis of a high-efficiency resonant Dual Active Bridge (DAB) converter for wireless electric vehicle (EV) charging applications. As the demand for fast, reliable, and contactless charging solutions increases, the need for compact and efficient power conversion systems has become critical. The study begins with an overview of EV charging architectures, including on-board, off-board, and wireless systems, followed by a detailed examination of DAB converter fundamentals and their various topological modifications. Several DAB converter structures are reviewed and compared in terms of efficiency, control complexity, component count, and suitability for wireless power transfer (WPT) systems. Among the analyzed configurations, the CLCLC resonant DAB topology is selected due to its DC-blocking capability, reduced harmonic distortion, and high efficiency. The proposed converter is designed with an interleaved configuration to balance current flow and lower stress on the switching and magnetic components. Simulation studies are conducted using PSIM software to evaluate the performance of the interleaved CLCLC resonant DAB converter against an interleaved LCL resonant DAB converter under identical operating conditions. The results show that the CLCLC configuration achieves lower conduction losses, better suppression of higher-order harmonics, and has DC blocking capability. Finally, the thesis discusses future research directions, including the integration of wide-bandgap devices, advanced modulation strategies, and the potential for bidirectional Vehicle-to-Grid (V2G) operation. The findings demonstrate that the CLCLC resonant DAB converter offers a strong foundation for next-generation wireless EV charging systems by combining high performance, compact design, and reliable operation under variable conditions.

Questa tesi si concentra sulla progettazione e l’analisi di un convertitore Dual Active Bridge (DAB) risonante ad alta efficienza per applicazioni di ricarica wireless dei veicoli elettrici (EV). Con l’aumento della domanda di soluzioni di ricarica rapide, affidabili e senza contatto, diventa essenziale disporre di sistemi di conversione di potenza compatti ed efficienti. Lo studio inizia con una panoramica delle architetture di ricarica per veicoli elettrici, comprese quelle on-board, off-board e wireless, seguita da un’analisi dettagliata dei principi fondamentali dei convertitori DAB e delle loro diverse modifiche topologiche. Diverse strutture di convertitori DAB vengono analizzate e confrontate in termini di efficienza, complessità di controllo, numero di componenti e idoneità per sistemi di trasferimento di potenza wireless (WPT). Tra le configurazioni analizzate, è stata scelta la topologia risonante CLCLC grazie alla sua capacità di blocco in corrente continua, alla riduzione della distorsione armonica e alla maggiore efficienza. Il convertitore proposto è stato progettato con una configurazione interleaved per bilanciare meglio la corrente e ridurre lo stress sui componenti di commutazione e magnetici. Gli studi di simulazione sono condotti utilizzando il software PSIM per valutare le prestazioni del convertitore DAB risonante CLCLC interlacciato rispetto a un convertitore DAB risonante LCL interlacciato nelle stesse condizioni operative. I risultati mostrano che la configurazione CLCLC raggiunge perdite di conduzione inferiori, una migliore soppressione delle armoniche di ordine superiore e possiede la capacità di blocco della corrente continua. Infine, la tesi discute le direzioni future della ricerca, tra cui l’integrazione di dispositivi a banda larga (wide-bandgap), strategie di modulazione avanzate e la possibilità di un funzionamento bidirezionale Vehicle-to-Grid (V2G). I risultati dimostrano che il convertitore DAB risonante CLCLC rappresenta una base solida per i sistemi di ricarica wireless di nuova generazione, combinando alte prestazioni, design compatto e funzionamento affidabile in condizioni variabili.