Dynamic Inductive Power Transfer System Implemented in the Wheels of Electric Vehicles

Abstract

Electric Vehicles (EV) are growing in popularity. However, issues related to energy storage and the charging process are frequently a target of concerns and inconveniences. Wireless Power Transfer (WPT) technology offers solutions to many of these problems, mainly on the field of comfort and safety, allowing EVs to charge without user intervention. The Inductive Power Transfer (IPT), a prevalent form of WPT technology, is extensively used for applications on the transportation sector. The charge process can be static, where the vehicle remains stationary, or dynamic, where the car is in motion. Dynamic IPT application not only retains the benefits of static IPT but also allows for the reduction of the quantity of batteries and remove the concerns related with the time of charge. However, dynamic IPT require a specialized charging infrastructure, including coils implemented in the road, to transfer energy tothe moving EV. Inherent displacements in the travel direction, as well as the already expected vertical and lateral misalignments, lead to different coupling conditions, ranging from no-coupling to full-coupling.In the in-wheel Inductive Power Transfer (inWIPT) system, the wheel acts as an intermediary on a double coupling system, facilitating wireless energy transfer to the EV. The suggested system minimizes the air gap by employing two Magnetic Couplers (MC) for the energy transfer, one from the off-board side to the wheel and another from the wheel to the on-board side, and is nearly independent of the vehicle type.This dissertation presents the study and validation of the inWIPT for dynamic applications. As a starting point, an already studied and suitable for dynamic operation resonant topology was used, the Inductor-Capacitor-Inductor-Series-Series double coupling Compensation Topology (LCL-S-S). A state of the art of the EV charging, an overview of IPT systems, and a description of the inWIPT introduce the theme, focusing on the key topics.A study of the self/mutual inductances of both MC and coupling profiles for different characteristics was conducted, leading to an understanding of the limits of the physical model. A simulation model was developed, initially, as a safety precaution and sizing of the system, and then to study the behaviour of the inWIPT.To culminate all the work, a real-scale prototype was developed and tested for static and dynamic operation in order to prove the concept and validate the simulation model. Additionally, a practical comparison between three resonant topologies was conducted.

Os Veículos Elétricos (EV) estão a crescer em popularidade. Contudo, problemas relacionados com o armazenamento de energia e processos de carregamento são frequentemente alvos de preocupações e inconveniências. Tecnologias de Transferência de Energia Sem Fios oferecem soluções para vários desses problemas, principalmente relacionados com o conforto e segurança, permitindo os EV carregarem sem a interferência do utilizador. A tecnologia de Transferência de Energia por Indução (IPT) é recorrentemente utilizada em aplicações no setor dos transportes.O carregamento pode ser estático, onde o EV permanece imóvel, ou dinâmico, ondeo EV está em movimento. As aplicações dinâmicas IPT, para além dos benefícios do IPT estático, também permitem a redução da quantidade de baterias e eliminam as preocupações relacionadas com o tempo de carregamento. Contudo, o IPT dinâmico necessita de infraestruturas de carregamento especializadas, incluindo bobinas embebidas na estrada, para transferirem energia para o EV em movimento. O desalinhamento inevitável com o movimento do EV, e o desalinhamento vertical e lateral, levam a diferentes condições de acoplamento, que vão desde alinhado até completamente desalinhado.No sistema in-wheel Inductive Power Transfer (inWIPT), a roda age como acoplamento intermediário, permitindo a transferência de energia para o veículo. O sistema sugerido minimiza o entre-ferro utilizando dois acoplamentos magnéticos para a transferência de energia, um da estrada para a roda e outro da roda para o veículo, sendo o entre-ferro quase independente do tipo de carro.Esta dissertação apresenta o estudo e validação do sistema inWIPT para aplicações dinâmicas. Como ponto de partida, foi utilizado uma topologia ressonante já estudada e validada para aplicações dinâmicas, o Bobina-Condensador-Bobina-Série-Série (LCL-S-S). Para introduzir o tema, um panorama atual do carregamento de EV, uma revisão dos sistemas IPT e uma descrição do inWIPT foram realizados.Posteriormente, é conduzido um estudo das indutâncias próprias e mútuas para os dois acoplamentos para diferentes condições, resultando num conhecimento dos limites físicos do sistema. Uma simulação foi desenvolvida, numa primeira instância, para o dimensionamento do sistema e segurança de implementação, e posteriormente para o estudo do comportamento do sistema.Para culminar, um protótipo à escala real foi construido e testado para o funcionamento estático e dinâmico, de modo a provar o conceito e validar o modelo de simulação. Adicionalmente, uma comparação prática entre três topologias ressonantes foi conduzida.