Transferência de Energia sem contactos para cargas de Baterias de Veículos Eléctricos

Abstract

O veículo eléctrico (VE) é o próximo patamar de evolução no sector dos transportes. O seu elevado rendimento e performance, torna-o num substítuto viável aos veículos de combustão interna. A electricidade é a fonte de energia do VE e à semelhança de um veículo de combustão interna, necessita de ser armazenada dentro do veículo, através do uso de baterias. Os actuais sistemas de carregamento de baterias necessitam da intervenção do utilizador no processo de carregamento. Esta desvantagem pode ser superada através do uso de sistemas transferência de energia por indução (IPT), tornando o processo de carregamento mais seguro e cómodo. Os sistemas IPT, permitem a transferência de energia para grandes entreferros através de um campo magnético variável. As topologias ressonantes aumentam a capacidade de transferência de energia e o rendimento dos sistemas IPT. Neste trabalho, foram analisadas diferentes topologias ressonantes, sob diferentes condições de funcionamento. Um sistema IPT, é constituído maioritariamente por três constituintes: uma fonte de alimentação de alta frequência, uma estrutura de acoplamento magnético e um controlador de tensão das baterias. Assim, no âmbito desta dissertação, foi realizado um estudo comparativo das diferentes estruturas de acoplamento magnético existentes. Nas estruturas selecionadas, foram analisados diferentes parâmetros tais como o rendimento, gama de frequências de funcionamento, capacidade de transferência e parâmetros físicos, para diferentes posições de carregamento, níveis de potência e topologias ressonantes. Os níveis de radiação emitida pelas estruturas de acoplamento magnético e a sua interacção com o ser humano também foi alvo de estudo. Todas as geometrias seleccionadas foram modelizadas num software de elementos finitos. Os resultados obtidos por simulação foram posteriormente validados experimentalmente com recurso a vários protótipos desenvolvidos durante a dissertação.

The electric vehicle (VE) is the next step of evolution in transportation. Its high efficiency and performance, makes it a viable alternative to internal combustion vehicles. Electricity is the power source of VEs and like a internal combustion vehicle, needs to be stored inside it, through the use of batteries. The current battery charging systems require the user intervention in the charging process. This disadvantage can be overcome by using inductive power transfer systems (IPT), making the charging process safer and comfortable. The IPT systems allow the transfer of energy over large air gaps through a varying magnetic field. The use of resonant topologies increases the power transfer capability and the efficiency of IPT systems. In this work, an analysis of different resonant topologies under different operating conditions, was performed. An IPT system is mainly composed by three components: a high frequency power supply, a magnetic coupling structure and a battery charger controller. Different magnetic coupling structures were studied in this dissertation. For the selected structures, the efficiency, the power transfer capability, the frequency range and the structure parameters were analysed, under different charging positions, power levels and resonant topologies. The interaction of the magnetic coupling structures with the human body was also subject of this study, by researching the levels of electromagnetic fields on the human body and their compliance with the maximum levels imposed by the International Commission on Non-Ionizing Radiation. The selected geometries were modelled by a finite element software. The simulation results were then validated experimentally using a prototype developed during this master’s dissertation.