Power Stages and Control of Wireless Power Transfer Systems (WPTSs)

Wireless charging of electric vehicle (EV) batteries by inductive power transfer (IPT) offers unique advantages compared to conventional conductive chargers. Due to the absence of a galvanic connection, the charging process requires no user interaction and no moving of mechanical components. For public transport systems, e.g., public buses or tramways, this makes possible a fully automated opportunity charging at bus stations, taxicab stands, or traffic lights. The schematic of wireless battery charger (WBC) is made of two stages, one is transmitter stage and another one is receiver stage. Both the stages include coils and capacitors to resonate at the supply frequency along with power conversion circuits. The transmitter coil is buried in the ground while receiving coil is situated in the vehicle. Based on the connection of resonating capacitors four topologies are possible which can be divided into two arrangements i) transmitter capacitor in series while receiver capacitor is in either series or in parallel, giving rise to SS and SP topologies, ii) transmitting capacitor in parallel while receiving capacitor is in either series or in parallel, giving rise to PS and PP topologies. In the thesis, these topologies have been studied in detail in terms of efficiency, power sizing of supply inverter and resonating coils, behavior under the extreme condition of open and short circuit of the receiver. Power conversion circuitry of a WBC system includes a diode rectifier to supply the load with a direct voltage and resorts to different solutions for charging the battery. The two most used solutions are either in a straightforward manner through the diode rectifier or through a chopper in cascade to the diode rectifier. These two arrangements have been discussed and compared in terms of efficiency and power sizing of supply inverter and transmitting and receiving coil, including the selection of the optimum chopper input voltage. Due to aging and thermal effect, the parameters of the reactive components of a WBC system may change and this can deviates the resonance frequency from the supply frequency. In this thesis the impact of such mismatch on efficiency and supply inverter power sizing factor of WBC with SS topology has been studied. Three supply frequency updating techniques to keep in resonance either the transmitter stage or the receiver stage or the impedance seen from power supply have been investigated. The thesis continues with the study of high power WBC systems which includes power supply architecture, core material and coil geometry. A review of different power supply architectures such as single phase with two stage and parallel topologies including their merits and demerits have been presented. Reviewing some paper on coil geometry, DD coil is found to be suitable for high power application. Using JMAG simulation tool, a transmitter track of three DD coils and a receiver with one DD coil has been analyzed when receiver is moving on the transmitting track. Due to disfavor of ferrite as a core material for high-power WBC system, a varieties of different powdered magnetic materials have been considered here and compared in terms of saturated value of the magnetic flux density, magnetic properties -like dependency of their permeability on temperature, magnetic field strength and frequency-, power losses and cost. At last, two methods to model the WPT system have been considered. The methods model the system by considering the envelop of the signals.  

La ricarica wireless delle batterie a bordo dei veicoli elettrici, ottenuta utilizzando il trasferimento di potenza induttivo, offre vantaggi unici rispetto ai caricabatterie tradizionali. A causa dell'assenza di una connessione galvanica, il processo di ricarica non richiede alcuna interazione dell'utente né alcuna movimentazione di un componente meccanico. Per i sistemi di trasporto pubblico, ad esempio autobus o tram, questo rende possibile la cosiddetta carica di opportunità completamente automatizzata presso i depositi degli autobus, le corsie dei taxi, o ai semafori. I caricabatterie wireless sono costituiti da due stadi: uno stadio trasmittente e uno stadio di ricezione. Entrambi gli stadi includono bobine e condensatori, dimensionati per risuonare alla frequenza di alimentazione, e convertitori statici di potenza. La bobina del trasmettitore è interrata nel manto stradale, mentre la bobina ricevente è situata a bordo del veicolo. Sulla base della connessione dei condensatori risonanti sono possibili quattro topologie circuitali diverse che possono essere raggruppate in due principali: i) un condensatore in serie con la bobina di trasmissione con il condensatore lato ricevitore in serie o in parallelo costituisce le topologie SS e SP, rispettivamente, e ii) un condensatore in parallelo alla bobina di trasmissione con il condensatore della sezione ricevente in serie o in parallelo costituisce le topologie PS e PP, rispettivamente. Nella tesi queste topologie sono state studiate dettagliatamente in termini di efficienza, dimensionamento dell'invertitore di alimentazione e progetto delle bobine risonanti, e di comportamento nelle condizioni estreme di circuito aperto e di cortocircuito del ricevitore. Il circuito di conversione di potenza di un sistema per la ricarica wireless induttiva di un veicolo elettrico include un raddrizzatore a diodi nello stadio di ricezione per ottenere un bus di tensione in continua e utilizza differenti modi per caricare la batteria del veicolo. Le due soluzioni più diffuse eseguono la carica o direttamente attraverso il raddrizzatore a diodi oppure attraverso un chopper collegato in cascata ad esso. Queste due modalità sono state discusse e confrontate in termini di efficienza, di dimensionamento sia dell'invertitore di alimentazione, che delle bobine di trasmissione e ricezione, includendo nell’analisi la scelta della tensione ottima in ingresso al chopper. A causa dell'invecchiamento e dell'effetto termico, i parametri dei componenti reattivi di un circuito di ricarica wireless possono variare e questo fa sì che la frequenza di risonanza e la frequenza di alimentazione non siano perfettamente identiche. In questa tesi è stato studiato l'impatto che tale deviazione ha sull'efficienza e sul dimensionamento dell’invertitore in un sistema di ricarica wireless con topologia SS. Sono state studiate tre tecniche di adattamento della frequenza di alimentazione per mantenere in risonanza o lo stadio trasmittente o quello di ricezione oppure l’impedenza vista dall’alimentazione. La tesi prosegue con lo studio dei sistemi di ricarica wireless per elevate potenze che richiedono una specifica architettura di alimentazione, particolari materiali per la costruzione del nucleo magnetico, oltre ad una peculiare geometria delle bobine. E’ stata presentata una panoramica di diverse architetture di alimentazione come, ad esempio, le topologie monofase a due stadi e in parallelo, inclusi i loro pregi e svantaggi. Sulla base di un’accurata revisione della letteratura della geometria delle bobine, la geometria DD si è rivelata essere la più conveniente per le applicazioni di alta potenza. Utilizzando il codice agli elementi finiti JMAG, è stato simulato il comportamento di un sistema di ricarica wireless costituito da tre bobine di trasmissione e una bobina di ricezione, tutte di tipo DD. Poiché, date le sue caratteristiche, le ferriti non si prestano bene per sistemi ad alta potenza, sono state considerate altre tipologie di materiali magnetici. Sono state analizzate e confrontate diverse leghe amorfe in base all’induzione magnetica di saturazione, alle proprietà magnetiche, come la dipendenza della permeabilità dalla temperatura, dal campo magnetico applicato e dalla frequenza, alle perdite di potenza e al costo. Infine, sono stati considerati due metodi per modellizzare il WPT. I metodi modellizzano il sistema considerando l'inviluppo dei segnali.