Comparative analysis of inverter topologies for vehicle wireless charging based on efficiency and control flexibility

With the rapid popularity of electric vehicles (EVs), Wireless Power Transfer (WPT) technology has attracted significant attention due to its convenience, safety, and automation capabilities. However, in practical vehicle applications, the coupling coefficient between transmitting and receiving coils often varies due to parking misalignment. Combined with the nonlinear characteristics of battery loads, this easily leads to a decrease in transmission efficiency and an increase in inverter switching losses. In this background,This thesis aims to systematically study mainstream inverter topologies and their efficiency optimization control strategies suitable for vehicular WPT systems through theoretical modeling and comparative analysis. Firstly, based on the Fundamental Harmonic Approximation (FHA), equivalent circuit models for mainstream inverters such as Full-Bridge and Half-Bridge under typical resonant networks (e.g., LCC-LCC) are established. Secondly, the theoretical performance of control strategies such as Phase Shift Control (PSC) and Variable Frequency Control (VFC) in achieving Zero Voltage Switching (ZVS) and Maximum Efficiency Point Tracking (MEPT) is deeply analyzed. The regulation capabilities of different control variables against detuning caused by coupler misalignment are also compared. Finally,Through multi-dimensional theoretical comparative analysis, the results indicate that, in high-power vehicle charging scenarios, the Full-Bridge inverter combined with the LCC-LCC resonant network demonstrates superior soft-switching characteristics and lower device voltage stress over a wide load range. Furthermore, compared with single Variable Frequency Control, the composite control strategy introducing phase shift angle is proven to more effectively maintain high-efficiency operation of the system when the coupling coefficient fluctuates.

Con la rapida diffusione dei veicoli elettrici (EV), la tecnologia di trasferimento di potenza wireless (Wireless Power Transfer - WPT) ha suscitato un notevole interesse grazie alla sua praticità, sicurezza e capacità di automazione. Tuttavia, nelle applicazioni veicolari pratiche, il coefficiente di accoppiamento tra le bobine di trasmissione e ricezione varia spesso a causa del disallineamento in fase di parcheggio. In combinazione con le caratteristiche non lineari del carico della batteria, ciò porta facilmente a una diminuzione dell'efficienza di trasmissione e a un aumento delle perdite di commutazione dell'inverter. In questo contesto, la presente tesi si propone di studiare sistematicamente le principali topologie di inverter e le relative strategie di controllo per l'ottimizzazione dell'efficienza, adatte ai sistemi WPT veicolari, attraverso la modellazione teorica e l'analisi comparativa. In primo luogo, basandosi sull'Approssimazione della Fondamentale (Fundamental Harmonic Approximation - FHA), vengono stabiliti modelli circuitali equivalenti per gli inverter più diffusi, in presenza di reti risonanti tipiche (ad esempio, LCC-LCC). In secondo luogo, vengono analizzate in modo approfondito le prestazioni teoriche di strategie di controllo come il controllo a sfasamento (Phase Shift Control - PSC) e il controllo a frequenza variabile (Variable Frequency Control - VFC) per il raggiungimento della commutazione a tensione zero (Zero Voltage Switching - ZVS) e del tracciamento del punto di massima efficienza (Maximum Efficiency Point Tracking - MEPT). Infine, Attraverso un'analisi comparativa teorica multidimensionale, i risultati indicano che, negli scenari di ricarica veicolare ad alta potenza, l'inverter a ponte intero combinato con la rete risonante LCC-LCC dimostra caratteristiche di soft-switching superiori e un minore stress di tensione sui dispositivi in un ampio intervallo di carico.