Mitigate the effect of coupling factor variations in Inductive Power Transfer Systems

Abstract

Inductive power transfer (IPT) systems accomplishes power transfer between two sides across an air gap without the need of electric wires. Such systems eliminate the driver from the charging process and consequently, all risks associated to handling electrical equipment. The absence of physical contacts also offers the possibility of EV charging with the vehicle in movement. Such capability has the possibility to reduce the battery pack size and ensuring unlimited range capabilities. The power transfer capabilities of IPT systems are, however, limited by vertical and lateral displacements during the charging process.The main work presented in this thesis addresses the effect of coupling factor variations due to displacements in different IPT configurations. New design methodologies are proposed to ensure load independent current and/or voltage source characteristics in extreme coupling factor variations. In addition, these design methodologies eliminate the need for an on-board controllable converter and a close loop off-board control strategy. The first problem addressed in this thesis was the impact of deviations in the self-inductance and capacitor values caused by displacements and aging, respectively. The analysis is carried out for the four series/parallel resonant configurations in two-coil systems. New generic equations of the circuit models are established for the reflected impedance values.The magnetic coupler (MC) is the key element in IPT systems and is responsible for the energy transfer between the off-board and the vehicle's side. The MC is formed by one or more coils and a ferromagnetic core and its coupling factor is directly affected by displacements. Their impact are, however, mitigated with a proper design and placement of the coils and ferromagnetic core. The extraction of both self and mutual inductance profiles, needed during the design of the overall IPT system, occurs mainly via finite element analysis (FEA) tools. Multiple simulations, ranging from several dozens up to a few hundred, are needed to fully assess the effect of different displacements and different combination of turns in the self and mutual inductance profiles. Unfortunately, each FEA simulation runtime ranges between a few minutes up to one hour, depending on the simulation model and computer specifications. Therefore, the full characterization of a magnetic coupling can be a cumbersome endeavor. A design methodology that minimizes the number of required FEA simulations is then presented in this thesis. The presented design methodology uses adequate fitting curves to plot the effect of vertical and lateral displacements. This approach allows the extraction of minimum required charging positions and, consequently, has a positive impact on the required number of FEA simulations. The methodology is applicable to both non-polarized and polarized geometries in two and three-coils IPT systems and is validated through both FEA tools and experiments.Pick-up or off-road vehicles with higher air gap values require MCs with larger sizes, even with optimized geometries. The power transfer capabilities are largely dependent on the VA ratings of the source and transmitter pads driven by large currents (above 150 A) are unavoidable for a reasonable power transfer. One way to boost the effective coupling factor of the MC is through the placement of an intermediate resonator between the transmitter and receiver coils. Unfortunately, the literature lacks design guidelines towards three-coil systems. Moreover, IPT solutions that don't require a communication link between the off-board and on-board sides are preferable since they are easier to implement, cheaper and with less components. Therefore, this work presents a design methodology to obtain a constant current charging mode and an estimation procedure to determine the coupling coefficients using off-board measurements. The realized prototype validates both the design methodology and estimation procedure under different load and charging conditions.All the aforementioned solutions minimize the impact of displacements but they are still limited for large ground clearance vehicles like trucks or heavy-duty vehicles. This work explores the concept of in-wheel IPT systems to reduce the air gap to a minimum and independent of the vehicle class. A new double coupling resonant configuration is presented and use the wheel as an intermediary stage between the off-board and vehicle's side. The inclusion of a second MC to accomplish power transfer between the wheel and the vehicle modifies the intrinsic characteristics of the resonant networks. Moreover, the curve shape of the receiver coils placed in the wheel and the effect of the wheel's rotation were never analyzed in the existing literature. Therefore, several MC geometries were investigated and optimized together with a comparative study of different double coupling IPT resonant configurations.

Sistemas de carregamento indutivo (IPT) permitem a transferência de energia entre dois lados através de grandes entreferros sem a necessidade de contactos. Estes sistemas eliminam a intervenção do condutor no processo de carga e todos os riscos associados ao manuseamento de equipamentos eléctricos. Os sistemas de carregamento indutivo permitem ainda que o processo de carga ocorra com o veículo em movimento. Desta forma, é possível reduzir a capacidade de armazenamento das baterias e garantir, simultaneamente, elevadas autonomias. Contudo, os elevados entreferros e os desalinhamentos laterais limitam a capacidade de transferência dos sistemas IPT.Esta dissertação teve como principal objectivo a procura de soluções que mitigam os efeitos de variações de acoplamento, causados por desalinhamentos entre ambos os lados, em diferentes tipos de sistemas IPT atráves do uso de novas metodologias de dimensionamento. Este trabalho começou por analisar o impacto de desvios nos valores das indutâncias próprias e dos condensadores devido ao efeito de desalinhamentos e envelhecimento, respectivamente. Esta análise foi aplicada às quatro configurações ressonantes fundamentais e permitiu a identificação das equações genéricas de impedância reflectida.A estrutura de acoplamento magnético (MC) é o componente responsável pela transferência de energia entre o transmissor (instalado no chão) e o receptor (instalado debaixo do veículo). O MC é formado por um ou mais enrolamentos e um núcleo ferromagnético. Os valores do entreferro e do desalinhamento lateral afectam o valor do acoplamento magnético entre o transmissor e o receptor. Este impacto pode, no entanto, ser mitigado através de uma disposição adequada dos enrolamentos e/ou núcleo ferromagnético. Neste contexto, é proposto um novo sistema de carregamento IPT vertical para veículos com elevadas distâncias ao solo. É realizado ainda um estudo de optimização de MCs para aplicações dinâmicas e sem a utilização de núcleos ferromagnéticos.O mapeamento das indutâncias próprias e mútuas das estruturas de acoplamento magnético são imprescíndiveis durante a fase de dimensionamento de um sistema IPT. Neste sentido, é apresentada uma metodologia de mapeamento que minimiza o número de simulações em elementos finitos. A metodologia apresentada ajusta o efeito do número de espiras em cada enrolamento e o efeito de desalinhamentos verticais e laterais em função de curvas lineares, exponenciais e Gaussianas, respectivamente. A metodologia é validada experimentalmente e através de um programa de elementos finitos.A introdução de ressonadores entre o transmissor e o receptor melhora o factor de acoplamento e, consequentemente, a capacidade de transferência de energia. Contudo, não existe na literatura uma metodologia de dimensionamento de sistemas IPT com ressonadores sem a necessidade de comunicação entre o carregador e o veículo. Nesse sentido, foi desenvolvida no âmbito desta tese uma metodologia para seleção sa frequência de comutação e dimensionamento dos diversos componentes, de forma a garantir a operação do sistema como fonte de corrente e independente da carga. É ainda proposto um procedimento de estimação do nível de carga das baterias assim como dos valores das indutâncias mútuas com recurso exclusivo a grandezas eléctricas disponíveis no lado do transmissor. É realizada a validação experimental da metodologia e do procedimento de estimação em diferentes posições de carregamento e diferentes valores de carga.As soluções acima apresentadas mitigam as variações no factor de acoplamento em sistemas IPT. No entanto, sistemas IPT continuam a apresentar limitições na presença de elevados entreferros. O trabalho realizado no âmbito desta dissertação explora a utilização da roda como meio intermediário de transferência de energia entre o carregador e o veículo. Deste modo, o entreferro é reduzido a um valor mínimo e independente do tipo de veículo, pelo que foi desenvolvido um sistema ressonante de duplo acoplamento. A introdução do segundo MC permite a transferência entre a roda e o veículo sem a necessidade de escovas. Foram também propostas diferentes geometrias para ambas as estruturas de acoplamento magnético, uma vez que o efeito curvilíneo do pneu e o impacto da rotação da roda nunca foram contemplados na literatura. Foram ainda analizadas diferentes malhas ressonantes com duplo acoplamento, culminando no desenvolvimento de uma metodologia de identificação da frequência de comutação e intervalo de variação das indutâncias mútuas. A validação das geometrias e da metodologia é feita através de simulação e de forma experimental num protótipo de escala real e uma jante de alumínio de 18 polegadas.De forma global, o trabalho desenvolvido nesta dissertação explorou o impacto das variações no factor de acoplamento, causados por desalinhamentos entre ambos os lados, em sistemas IPT e propôs soluções em diferentes componentes até culminar numa solução que minimiza desalinhentos.